高校虛擬電子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)淺談

摘要：隨著各高校的擴(kuò)招和專業(yè)的擴(kuò)建，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)就受到資金、師資等方面條件的制約。文中主要闡述了傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的弊端，提出了建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)和初步的構(gòu)建方案，為今后地方工科院校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一些基本思路。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室；虛擬實(shí)驗(yàn)室；仿真平臺(tái)；虛擬仿真

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的弊端

1.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用高

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室主要依賴費(fèi)用高昂的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高，開(kāi)展過(guò)程受時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力和財(cái)力等問(wèn)題所限制，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法有效開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量難以達(dá)到預(yù)期的效果。

2.教師指導(dǎo)難以到位

有限的教師很難在有限的時(shí)間內(nèi)細(xì)致地指導(dǎo)大批的學(xué)生，設(shè)計(jì)性和探究性實(shí)驗(yàn)更是難以開(kāi)展。

3.教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)

培養(yǎng)動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目標(biāo)，但是目前學(xué)生主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練不足，創(chuàng)新能力難以提升。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中也主要以實(shí)驗(yàn)箱為主。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對(duì)于元件參數(shù)的修改和數(shù)據(jù)的測(cè)定受到很大的限制，缺少靈活性和創(chuàng)造性。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的各種弊病，虛擬電子實(shí)驗(yàn)室則體現(xiàn)出其低廉、靈活、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，完全可以取代傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念及組成

虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual laboratory）的概念，于1989年由美國(guó)的William Wolf教授最早提出，用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

仿真平臺(tái)采用多媒體技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)，在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造一個(gè)可輔助、部分替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各種操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上可靈活地實(shí)現(xiàn)選實(shí)驗(yàn)、觀看演示實(shí)驗(yàn)、做實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、查看成績(jī)等過(guò)程，不受時(shí)間、地點(diǎn)等因素的影響，大大地節(jié)約了時(shí)間、空間和資源。

教學(xué)管理主要由教師、教務(wù)人員和系統(tǒng)管理員來(lái)完成。包括用戶管理、開(kāi)課管理、教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)管理、系統(tǒng)維護(hù)等內(nèi)容，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開(kāi)展應(yīng)用。

教師在教學(xué)管理系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)批改、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和成績(jī)的評(píng)定等工作?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和要求，維護(hù)系統(tǒng)預(yù)加的課程典型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行查看、修改、刪除。同時(shí)可以根據(jù)本校的個(gè)性化教學(xué)要求重新設(shè)計(jì)添加自己的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以制定每個(gè)典型實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)答案、批改規(guī)則、指導(dǎo)規(guī)則，以便系統(tǒng)能夠自動(dòng)評(píng)判學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及智能指導(dǎo)學(xué)生如何做實(shí)驗(yàn)?？梢酝ㄟ^(guò)智能演示系統(tǒng)提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功率，也可以通過(guò)系統(tǒng)可視和語(yǔ)音系統(tǒng)對(duì)正在做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行在線監(jiān)控和在線指導(dǎo)。這就大大地減少了教師的工作量，對(duì)實(shí)驗(yàn)的處理也更加靈活和方便。

系統(tǒng)管理員主要對(duì)系統(tǒng)用戶賬號(hào)和實(shí)驗(yàn)學(xué)生班級(jí)分組進(jìn)行管理，對(duì)參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角色和相應(yīng)權(quán)限進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)還可以對(duì)系統(tǒng)角色進(jìn)行添加和權(quán)限設(shè)定。查看用戶的登錄記錄和操作日志。

教務(wù)管理人員主要是根據(jù)學(xué)校的教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)大綱進(jìn)行課程計(jì)劃、開(kāi)課計(jì)劃、開(kāi)課審核的查看、增加、刪除、修改、發(fā)布以及相應(yīng)信息的維護(hù)，同時(shí)可查詢每學(xué)期的開(kāi)課情況。

學(xué)生通過(guò)登錄認(rèn)證進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以通過(guò)自己的用戶賬號(hào)進(jìn)入自己班級(jí)并可以查看本學(xué)期所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)并開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，遇到問(wèn)題和困難，可選擇智能演示系統(tǒng)或通過(guò)在線可視系統(tǒng)和語(yǔ)音系統(tǒng)請(qǐng)求實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行在線指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)完成后可以在線提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并可查看成績(jī)及評(píng)語(yǔ)。

這樣就實(shí)現(xiàn)了教、學(xué)、管理、維護(hù)為一體的開(kāi)放式的教學(xué)體系。虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：提供一整套完善的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以和其他教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)無(wú)縫集成。大大地節(jié)約了資源，減輕了教師的工作量。采用多媒體手段，提供了豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。通過(guò)智能演示系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一的實(shí)時(shí)指導(dǎo)，提高了教學(xué)質(zhì)量。由專家設(shè)計(jì)的典型實(shí)驗(yàn)，將知識(shí)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力相結(jié)合能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。不受時(shí)間和空間的限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就是我們的實(shí)驗(yàn)室。成本低，一次投入可以進(jìn)行多種學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，并且便于維護(hù)和管理。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)構(gòu)想

虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)可以構(gòu)建在校園網(wǎng)上，是學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的一部分，屬于教學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。若校園網(wǎng)掛在了INTERNET上面，則虛擬實(shí)驗(yàn)室就擺脫了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生就可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式的教學(xué)目的。當(dāng)然，管理者和學(xué)生必須評(píng)用戶賬號(hào)和密碼才能得到相應(yīng)的權(quán)限，非法用戶是無(wú)法進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)行操作的。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心可以分為兩個(gè)模塊：教務(wù)管理平臺(tái)和教學(xué)平臺(tái)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)構(gòu)建圖

在整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)可采用B/S結(jié)構(gòu)。B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式），是WEB興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，WEB瀏覽器是客戶端最主要的應(yīng)用軟件。這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和使用?？蛻魴C(jī)上只要安裝一個(gè)瀏覽器（Browser），如Netscape Navigator或Internet Explorer，服務(wù)器安裝Oracle、Sybase、Informix或SQL Server等數(shù)據(jù)庫(kù)。瀏覽器通過(guò)Web Server同數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

B/S最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶端零維護(hù)。系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易。B/S結(jié)構(gòu)的使用越來(lái)越多，特別是由需求推動(dòng)了AJAX技術(shù)的發(fā)展，它的程序也能在客戶端電腦上進(jìn)行部分處理，從而大大地減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān) ；并增加了交互性，能進(jìn)行局部實(shí)時(shí)刷新。

虛擬實(shí)驗(yàn)室可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)用結(jié)合，實(shí)驗(yàn)的安排更加方便靈活，不受時(shí)間和空間限制。實(shí)現(xiàn)真正意義上的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室可減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)強(qiáng)度，緩解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

通過(guò)建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以解決電子、通信等學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題，完善現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)室也有其局限性，只適用于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，不能替代高端的實(shí)驗(yàn)室。

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