基于模擬理論的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)

廣東省高州農(nóng)業(yè)學(xué)校 邱 璇

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)日益成為人們工作與生活中必不可少的設(shè)備。但是受到成本、場地、維護(hù)等各方面的制約，在實(shí)際計(jì)算機(jī)教學(xué)課程中卻不能做到每個(gè)學(xué)生都能夠進(jìn)行實(shí)踐操作。在這種背景下，設(shè)計(jì)研究并實(shí)現(xiàn)虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就顯得非常具有積極意義，因?yàn)樘摂M計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠通過對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬，使操作者完成與實(shí)際操作相同的實(shí)驗(yàn)過程，并得到精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一、虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)的意義

首先虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)?shí)驗(yàn)室設(shè)備的損壞情況大幅度降低。由于參與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的學(xué)生都對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程或是關(guān)鍵點(diǎn)并不熟悉，從而極易對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備造成損壞。而通過虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，則能夠使學(xué)生在操作真實(shí)設(shè)備以前，預(yù)先對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行多次、重復(fù)的高仿真練習(xí)實(shí)驗(yàn)，并從中直觀地認(rèn)識(shí)到操作中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方同時(shí)及時(shí)糾正，學(xué)到正確的操作方式與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這樣一來，當(dāng)學(xué)生再對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，就能夠做到心中有數(shù)，降低設(shè)備的損壞發(fā)生情況。

其次虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)⒔虒W(xué)效率大大提升。由于計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)往往涉及設(shè)備多，整個(gè)流程呈現(xiàn)較為復(fù)雜化的特征。所以在實(shí)施計(jì)算機(jī)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，如果使用傳統(tǒng)的實(shí)體教學(xué)，那么授課教師為保證授課質(zhì)量，只能單獨(dú)或是小范圍內(nèi)對(duì)學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)與糾正，這樣就影響到了教學(xué)的效率，而利用了虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以后，授課教師就能夠在系統(tǒng)中統(tǒng)一將實(shí)際操作中容易出現(xiàn)偏差的步驟與內(nèi)容直觀地顯示出來，使學(xué)生加深記憶，可同時(shí)向全體學(xué)生進(jìn)行展示與進(jìn)一步說明，大大提升了教學(xué)的效率。另外在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生往往要花費(fèi)大量的時(shí)間在硬軟件安裝之上，使得真正教學(xué)的時(shí)間被壓縮，也從另一個(gè)角度導(dǎo)致了教學(xué)效率的低下，而虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則不存在這個(gè)問題，使得教師能在合理的課堂時(shí)間內(nèi)，盡可能多地去對(duì)實(shí)驗(yàn)操作中的一些問題與授課內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)講授，提高了授課效率。

最后則是虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)節(jié)約了相關(guān)成本。要建一個(gè)設(shè)施完善、設(shè)備數(shù)量能夠供大量學(xué)生同時(shí)學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)房的建設(shè)成本與維護(hù)成本都是相當(dāng)巨大的一筆支出。但如果使用虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，安裝相應(yīng)的軟件并保證其正常運(yùn)行，就能夠解決這一問題，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室不再需要花重金購進(jìn)大量計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備。虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但能夠重復(fù)安裝，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大量學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)操作的目標(biāo)。除此之外，使用虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以后，由于是處于高度仿真的條件之下，這就讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐操作的時(shí)候，能夠減少怕?lián)p壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備的想法，從而更好地激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

基于上述這些方面的考慮，設(shè)計(jì)并研發(fā)一套完整的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的需求是非常迫切的，而虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則也向著多元化，能夠?yàn)楦鲗W(xué)科服務(wù)的系統(tǒng)，如生物、物理、化學(xué)等等，以增加其適用性。

二、虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)

整個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)圖與數(shù)據(jù)字典進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使設(shè)計(jì)出的方案能夠?qū)崿F(xiàn)包括使系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài)；易操作、易維護(hù)、易安裝；單獨(dú)設(shè)置用戶權(quán)限，從而加強(qiáng)保密性；能夠管理用戶基礎(chǔ)信息；人機(jī)對(duì)話界面友好，信息顯示直觀，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能強(qiáng)大。

（二）設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.系統(tǒng)功能

虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體以模塊方式組成，其中起到主要作用的模塊有：學(xué)生功能模塊、教師功能模塊以及管理員功能模塊。它們根據(jù)權(quán)限的不同，分別擔(dān)任了不同的職責(zé)，如學(xué)生功能模塊的內(nèi)容有用戶登錄、選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、提問與上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)等；而教師模塊的內(nèi)容則是對(duì)實(shí)驗(yàn)程序及學(xué)生信息進(jìn)行查詢、學(xué)生信息與個(gè)人信息的管理等；管理員模塊則對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估打分、教師學(xué)生信息的管理、班級(jí)信息的管理以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓芾砼c導(dǎo)入等，即圖1。

虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高度仿真了各類計(jì)算機(jī)電路系統(tǒng)與硬件設(shè)備，顯示直觀，學(xué)生能夠根據(jù)課程的需要對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行任意選擇，同時(shí)借助鼠標(biāo)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備連接等操作，而系統(tǒng)則根據(jù)學(xué)生所選擇的電子設(shè)備的連接方式作出仿真虛擬運(yùn)行，后將虛擬操作實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)返回傳輸至顯示設(shè)備，使學(xué)生直觀地從顯示設(shè)備中了解實(shí)驗(yàn)中各種連接方式的運(yùn)行效率、狀態(tài)與數(shù)據(jù)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由三類組成，分別是管理員用戶、教師用戶以及學(xué)生用戶。它們之間的互相連接全部以實(shí)驗(yàn)室虛擬的模型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)而實(shí)現(xiàn)，即圖2。

在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，為保證虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定以及為用戶提供簡便的操作方式，因而將模塊盡量分開作為單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)，它們之間除了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)交換以外，并無其他形式的代碼連接，從而使得所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)體現(xiàn)出即插即用且不影響整體運(yùn)行的特點(diǎn)。

3.數(shù)據(jù)流圖

該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流圖作為一個(gè)模型工具，它起到的是對(duì)系統(tǒng)主要的處理邏輯進(jìn)行表述以及分層的作用，并分為細(xì)節(jié)圖、零級(jí)圖與總體圖三個(gè)層次，即圖3。

4.數(shù)據(jù)字典

數(shù)據(jù)字典在虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中起到了對(duì)數(shù)據(jù)流圖進(jìn)行更深層次描述的作用，數(shù)據(jù)字典與數(shù)據(jù)流圖結(jié)合就能夠?qū)⒄麄€(gè)虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行精確描述。

5.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

所謂數(shù)據(jù)庫就是指以用戶需要為基本依據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)將數(shù)據(jù)庫建立起來的一整個(gè)過程。通常來說物理設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)與概念設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的三個(gè)關(guān)鍵步驟。其中物理設(shè)計(jì)就是選擇最適合具體任務(wù)的存取路徑、存取方式與物理儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)；而邏輯設(shè)計(jì)則是設(shè)計(jì)出能夠?qū)μ囟〝?shù)據(jù)庫管理任務(wù)進(jìn)行適應(yīng)與支持的邏輯模式；整個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)就是概念設(shè)計(jì)部分，它具有更佳的穩(wěn)定性。

（三）系統(tǒng)測試

通過上述對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的、內(nèi)容的介紹后，下面簡單闡述一下該系統(tǒng)相關(guān)功能的測試過程，該虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所使用的測試方式為黑盒測試：首先該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng)作為其運(yùn)行工作環(huán)境，配置硬件包括IBM商用機(jī)與微機(jī)，TOMCAT5.0作為其Web的服務(wù)器配置，使用VS2005語言與UltraEdit編輯器組合進(jìn)行編程，Microsoft SQL Server2005作為其數(shù)據(jù)服務(wù)器，操作平臺(tái)則為Windows 2000 Advanced Server。

其測試步驟為：首先虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管理員借助數(shù)據(jù)錄入模塊功能，建立數(shù)個(gè)用戶信息于數(shù)據(jù)庫中，學(xué)生登入系統(tǒng)，從而對(duì)登錄功能與數(shù)據(jù)庫連接實(shí)現(xiàn)測試，而后學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行任意選擇，將虛擬電子設(shè)備通過拖拽實(shí)現(xiàn)連接，分別在正確或錯(cuò)誤連接時(shí)觀測系統(tǒng)反饋回來的信息，然后學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫，教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行管理。

圖1 系統(tǒng)功能圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過以上一系列測試步驟，我們所得到的系統(tǒng)功能測試結(jié)果中，用戶登錄及數(shù)據(jù)庫的連接、實(shí)驗(yàn)的選擇與下載、虛擬電子設(shè)備的連接、在線交流功能、實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳、虛擬電子設(shè)備與實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入等測試結(jié)果均表現(xiàn)良好，并在其后將近一個(gè)月的測試實(shí)驗(yàn)中，管理員與用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊實(shí)施了更進(jìn)一步的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)操作，均達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的目標(biāo)。除此之外，該系統(tǒng)的操作簡便性與信息反饋的及時(shí)性，也從某種角度上提升了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，由于是虛擬仿真操作，所以學(xué)生并不需要為是否會(huì)損壞電子設(shè)備而擔(dān)心，使他們更為大膽地對(duì)自己的想法進(jìn)行實(shí)踐操作，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，學(xué)生與教師反應(yīng)良好。

圖3 計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體圖

三、結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)課程的實(shí)踐教學(xué)中，不管是從教學(xué)效果或是教學(xué)成本上來看，設(shè)計(jì)研究并實(shí)現(xiàn)虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是非常有必要的。該系統(tǒng)不僅能夠解決院校在計(jì)算機(jī)投資與維護(hù)上的成本，而且能夠?yàn)閷W(xué)生用戶提供簡便的操作方法，同時(shí)直觀、有效地將虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及時(shí)地在顯示器上進(jìn)行反饋，使學(xué)生對(duì)于在操作中的各類正確或是錯(cuò)誤的操作能夠一目了然，也使教師能夠更有針對(duì)性地對(duì)學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，從而做到有的放矢。這樣一來，也從一定程度上減少了教師的教授課工作量，更能夠使教師集中精力為學(xué)生講授疑難問題，從而大大提升教學(xué)效率與質(zhì)量。

[1]袁志斌.基于模擬理論的模型檢測研究[D].華中科技大學(xué),2007.

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[3]劉曉東.計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津:天津大學(xué)軟件工程學(xué)院,2010.