關于高等院校建立虛擬教學實驗室網絡平臺的探討

摘要 虛擬網絡實驗室系統是指應用虛擬技術來仿真實際實驗的軟件系統。介紹虛擬教學實驗室網絡平臺，概述建立虛擬教學實驗室平臺所具備的條件及虛擬教學實驗室平臺的建設策略等。

關鍵詞 網絡技術；網絡虛擬實驗室；虛擬實驗

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X(2011)18-0124-03

Discussion on Establishment of Network Platform of Virtual Teaching Laboratories in Colleges and Universities//Xu Zhixue

Abstract Virtual network laboratory system is the application of virtual reality technology to simulate the experimental software system. This paper introduces an overview of virtual teaching laboratory network platform， to create a virtual teaching laboratory platform with virtual teaching laboratory conditions and the construction of platform strategies.

Key words network technology; web virtual laboratory; virtual experiment

Author’s address Educational Technology Center of Jilin University， Changchun， China 130012

隨著計算機技術、多媒體技術、網絡技術的快速發展，現代教育技術正在發生日新月異的變化。各類現代信息技術型實驗項目和虛擬實驗室正如雨后春筍般地涌現出來。這些虛擬實驗室的出現和發展在解決實驗室設備投入和需求之間矛盾的同時還明顯地提高了實驗教學的效率和質量。在網絡技術飛速發展的今天，信息資源、信息服務共享已經不是什么難以逾越的鴻溝。建立一個系統化虛擬教學實驗室網絡平臺（簡稱“平臺”）的條件和時機已經具備并成熟，應該將那些已有的和正在制作的以及將要產生的虛擬實驗教學資源有效地整合到一個統一的平臺上來。

1 虛擬教學實驗室網絡平臺概述

“平臺”不同于各種虛擬實驗、虛擬實驗室以及各類網絡虛擬實驗室，其目標是要從更廣泛、更深入、更長遠的角度來解決現代實驗教學技術資源整合、教學資源充分共享的問題。“平臺”是以因特網為基礎，集各種虛擬實驗設計、開發工具和技術、各類虛擬實驗資源于一體，并具有評估和管理功能的大型門戶網站。建立該網站具有很多優點。

1）有利于網絡實驗室和虛擬實驗室的統籌建設。隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬實驗室在教育領域的應用價值。近年來，國內許多高校都根據自身教學的需要建立一些虛擬實驗室。雖然虛擬實驗項目開發和虛擬實驗室建立在投入方面遠遠小于真實實驗儀器設備的添置和實體實驗室的建設，但是畢竟要有相應的資金、技術設備、人力資源等方面的投入，尤其是建立功能相對強大一些的虛擬實驗室，其投入更是不可小覷。“平臺”的建立就是要解決這種各自為戰的局面，把各種相關資源統籌到一個系統化、全面化、開放性的有機整體環境中來，使虛擬教學實驗技術得到又好又快發展。

2）有利于虛擬教學實驗項目的設計和開發。虛擬教學實驗項目的優劣決定著虛擬實驗室的生命，而項目設計、開發人員的技術實力和開發工具軟件的好壞又決定著項目的優劣。一個單獨的教育單位，其人力資源和經費永遠都是相對地短缺和有限。“平臺”在虛擬教學實驗項目的設計和開發方面，首先會提供項目設計、開發的技術咨詢和技術服務，這對于那些有特殊實驗項目需求的用戶或想自己開發項目的用戶而言，只要花很少的經費即可得到所需的產品；其次會提供遠程協作的設計、開發機制和環境，這對于那些分布在不同地域、不同領域、具有不同專長的研發部門和專業技術人員而言，無疑是實現了最佳的資源整合效果。

3）有利于教學和學習資源的充分共享。精良的教學資源或優秀的學習資源，其關鍵在于被充分利用。“平臺”以計算與控制服務器、存儲服務器、網絡分布式存儲服務器集群為依托，組成強大的數據處理中心和數據庫。這種超級數據處理、存儲服務可使各類教學和學習資源不斷地集中到一個統一的系統化的平臺上來。快捷便利的檢索、比對、選取、調用功能極大地方便了用戶，從而也就提高了各類資源的使用效率，進而達到資源被充分共享。

4）有利于各類資源的真實評估。一個虛擬實驗項目的使用效果好壞只有經過實踐的檢驗才可以斷定它的使用價值。“平臺”本身就是一個超大型的實踐空間，各項資源聚集一臺，其中任何一個項目都要通過用戶的使用、比較、選擇這道關，這樣的評估能做到真實地優勝劣汰。

5）有利于實驗教學的全面科學管理。一個統一虛擬教學實驗室資源庫的存在將會為實驗教學的管理提供更加全面科學的幫助。比如在進行教學過程和教學資源的計劃、組織前，可以通過網站了解、選取有利并適合于教學的相關信息及資源，并據此制定相應的計劃和開展教學組織工作。還比如在研究與開發方面同樣要采取先檢索再立項的方法，以避免不必要的重復性工作，等等。

2 建立虛擬教學實驗室平臺已經具備的條件

“平臺”是一個全面開放式的交流與服務中心。在使用上必須做到在線實時互動、超大規模訪問無障礙、信息資源豐富、各類資源隨時更新補充等。之前，無論是在技術上、虛擬教學實驗資源上，還是經費投入、人力資源上，總是存在瓶頸和短缺的問題。現在，隨著技術的進步和教學改革的深入，已經基本具備建立一個“平臺”的各方面條件。

2.1 網絡發展的支持

近年來，高速互聯網的快速發展，促使人們對互聯網建設方面的認識和思想觀念正在向更高層次進展。并行計算、分布式計算、網格計算、SaaS云計算等技術思想的進步正在改變IT和網絡的現狀，這些計算技術和網絡寬帶技術、虛擬化技術的進步，正在使網絡朝著動態化、多功能化、高性能化、軟件服務化、硬件虛擬化、管理智能化等方面轉變。

網絡作為一個大型的技術服務性平臺將會給“平臺”的建設提供諸多方面的支持。

1）硬件方面的支持。通過虛擬化技術可利用軟件來實現所需硬件資源的虛擬化存在，并可對其實現虛擬化管理、調度、應用。運用這些虛擬化硬件建設起來的“平臺”，可大幅度降低建設成本，在使用過程中也會降低維護成本。

2）軟件方面的支持。伴隨著互聯網技術的發展，“軟件即服務”的一種新興軟件應用模式正在逐步興起。這種軟件服務形式的出現為“平臺”的建設和后期的運營都提供了軟件方面強有力的支持。一是在網站建設及運營過程中可以定制一批所需的軟件在線使用服務，以節省大量的財力、人力；二是所定制軟件的安全、升級及維護，都由軟件服務提供商負責，因而對“平臺”的后期運營提供了可靠的保障。

2.2 虛擬實驗教學資源發展的支持

教育信息化是實現教育現代化的關鍵環節，因此，信息技術正在教育領域受到廣泛的重視和應用，以信息技術為基礎的現代教育技術已經是碩果累累。其中用于虛擬實驗教學的成果也達到花開遍地的狀況，這些成果大致分布在3個層面上。

1）開發工具層面。現在可用于虛擬實驗教學方面的開發工具軟件已經從簡單的平面演示發展到高級的儀器仿真階段。例如Labview軟件，就可以使人按照自己的實驗教學需求來設計儀器，并且該軟件還具有非常強大的網絡功能，其內置Web Server可以進行網頁發布，使客戶端僅用Web瀏覽器便可以進行實驗。

2）虛擬實驗項目層面。近年來由于教學和科研的需要，各專業、學科方面的虛擬實驗項目層出不窮，其中很多項目具有推廣價值。這些項目完全可以滿足網站建立初期對實驗項目的需求。

3）虛擬實驗室層面。當前，各類仿真實驗室、虛擬實驗室、網絡實驗室更是如雨后春筍般地涌現出來，這些實驗室的發展為“平臺”的建立提供了良好的前提，尤其是那些具備一定軟硬件設施和人才的網絡虛擬實驗室更是為“平臺”的建立和運營提供了基礎性的支持。

3 虛擬教學實驗室平臺的建設策略

“平臺”的建設應該確立這樣一個原則：立足當前、放眼未來。所謂“立足當前”，一方面是指在“平臺”的建設中要考慮對現有硬件、軟件、信息、人力等資源的充分整合問題；另一方面是指要考慮對現有技術的充分利用問題，以實現用最小的投資、換取最大的效益。“放眼未來”是指在“平臺”的建設中要充分地考慮到各類資源和技術等事項的發展趨勢和方向問題，以便為“平臺”的未來發展打下一個良好的基礎。

3.1 系統架構的策略

最初的系統架構設計直接影響到“平臺”的投資額度、運作費用、應用功能、使用效果、未來發展等多方面狀況。本“平臺”在建立初期應該采用主從架構機群，即系統采取一個主服務控制機群和多個節點服務機群（計算節點服務器集群、存儲節點服務器集群、應用節點服務器集群）的架構。其中，除主服務控制機群外，大量的節點服務機群完全可以利用散布在不同地點、不同單位、不同部門的服務器、計算機（包括PC）或它們的部分閑置資源（如未被完全利用的處理功能、存儲功能等），而不必重新購置或專門添置。此架構的特點和優勢：1）明顯降低“平臺”的初期建設投資；2）隨著“平臺”發展，按此架構擴建的費用并不需要太多投入；3）當用戶增加、訪問量增多時，不會出現通信、使用方面的瓶頸問題；4）硬件資源的充分整合必將會逐漸導致軟件資源和人力資源的充分整合。

3.2 系統功能設計的策略

根據“平臺”的建設原則，系統功能設計可以采取統籌兼顧分步深入的方式。第一步是以對現有教學資源進行有機整合、充分展示利用為主，同時兼顧其他功能的布局；第二步是以完善“平臺”的開發、管理功能為主；第三步則是重點完善“平臺”各功能的細節。具體的設計思路是總“平臺”之上設立若干功能分“平臺”，即采取功能的分層設置方式。下面重點描述以下幾個特色功能。

1）虛擬實驗室自建網站平臺。各學校、各教學單位或可開展虛擬實驗教學的機構均可以利用本平臺創建符合自身需要的網上虛擬實驗室，系統可為其自動生成模式化虛擬實驗室框架，并可提供相應的實驗項目制作模塊和適量的參考教學資源。

2）精品虛擬教學實驗資源平臺。在資源整合過程中，對那些已經非常成熟并經過評估并被確定為精品的虛擬教學實驗資源，可以分門別類地置于本平臺以便于資源共享。

3）虛擬教學實驗項目開發平臺。本平臺是集虛擬教學實驗項目開發軟件、開發模塊、開發人才于一體的網絡開發環境。各教學單位和個人既可以利用本平臺的各類資源開發自己需要的虛擬教學實驗項目，也可以利用本平臺開展合作、協作開發，還可以委托開發。

4）現實教學實驗資源協作平臺。雖然虛擬教學實驗的發展成績是巨大的，但是畢竟還有許多教學實驗無法或暫時無法實現虛擬化，尤其是那些需要昂貴儀器設備和特定實驗條件進行的實驗，這就導致某些學校無法開展這樣的教學實驗。為此，本平臺提供一個互通有無的交流平臺，為各個教學單位之間、教學單位和具備實驗能力的單位之間架起溝通協作的橋梁。

3.3 界面交互模式的選擇

當前，基于網絡的界面交互模式有C/S（客戶端/服務器）模式、B/S（瀏覽器/服務器）模式以及最新的RIA（Rich Internet Applications）模式。RIA技術的出現是為了解決用戶的體驗問題。網絡技術的飛速發展，一方面使用戶所擁有的客戶端對計算和存儲功能的要求正在減弱，而另一方面則是對交互界面的要求與日增強，用戶的界面使用體驗將會直接影響到用戶對網站的評價。所以在“平臺”的建設一開始最好就選擇RIA模式。RIA技術的優點：1）可以與現有應用程序模型有效兼容；2）可以實現通用的用戶界面特性，為最新的網絡應用開發提供更廣闊的展示空間；3）客戶端使用簡單方便，一般情況下不用安裝特殊的非通用組件；4）客戶端可進行數據處理，用戶交互不用通過頁面，這就縮短界面響應時間，使用戶有更好的應用體驗，同時也降低網絡帶寬的要求。

4 結束語

總之，作為網絡教育實驗教學中的網絡虛擬實驗，是網絡教學中不可缺少的重要環節，是提高網絡教學質量的重要保證，也是網絡技術在學習中的最好運用。網絡虛擬較好地解決了以往網絡教育模式中理論教學的遠距離性和實驗教學的近距離性的矛盾，從而真正實現網絡教育的完全遠程化。網絡虛擬實驗不僅在遠程教育中發揮了很好的作用，而且是其他常規實驗教學改革的新思路。網絡教育虛擬實驗室和虛擬實驗的產生及應用使網絡教育真正實現其完整性的要求。而網絡虛擬實驗（室）資源建設的關鍵不完全在于硬件環境，而主要在于開設網絡教育及學校對此重視的程度和組織實施的措施。隨著虛擬實驗教學系統的進一步形成，必將促進網絡教育學生學習的自主性和動手能力的提高，并為學生創新能力的培養發揮重要的作用，從而提高網絡教育的質量。

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