基于校園網絡的虛擬實驗室的構建及應用

孫慧影

【摘要】隨著虛擬現實技術和校園網絡的發展，社會對高校學生的實踐能力越來越重視，使建立虛擬實驗室成為可能。針對傳統過程控制實驗教學的限制，學院引入了虛擬實驗室的概念。本文著重介紹了基于校園網絡的組態王虛擬實驗室的特點及設計思路，概述了虛擬實驗室的網絡框架，對學院過程控制虛擬實驗室的建設進行了初步探討，在此基礎上對虛擬實驗的前景有了明確的認識，它是一種有效的輔助實驗教學手段。

【關鍵詞】虛擬教學 校園網 組態王

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）02-0048-02

一、傳統過程控制實驗教學現狀

知識經濟時代的到來，使教育改革的步伐也越來越緊迫，實驗教學改革也是教育改革中非常重要的一部分。為了提高學生學習的主動性和積極性，增強動手能力，有必要將新的計算機技術、多媒體技術、網絡技術合理的運用到實驗教學中，對傳統的實驗思維、實驗方法、儀器用具、數據處理與誤差分析等方面進行合理的改革，從而培養具有一定探索精神和自己解決問題的學生。這也是虛擬實驗概念應運而生的另一個背景。

二、虛擬實驗教學的發展脈絡及構建虛擬實驗室的相關技術原則

虛擬實驗室描述了一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境，致力于構筑一個綜合不同工具和技術的信息化、網絡化的集成環境。

虛擬實驗室實質上是一個分布式計算機系統，在虛擬儀器中計算機處于核心地位，運用計算機軟件技術和數據庫系統緊密地結合在一起，形成一種既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器。本研究結合虛擬實驗教學的現狀以及存在的問題提出基于校園網絡的虛擬實驗教學的設計思路，并成功的應用于實際教學中。

三、用組態王設計虛擬實驗室的思路及特點

組態軟件實際上是一個專為工控開發的工具軟件。組態軟件開發的系統具有與Windows一致的圖形化操作界面，非常便于生產的組織和管理。

組態王是在PC機上建立工業控制對象人機接口的一種智能軟件包，它充分利用了Windows圖形功能設備，界面一致性好，易學易用。它所使用的PC機開發的系統工程比以往使用專用機開發的工業控制系統更具有通用性，同時還具有功能完備的人機接口界面和面向對象的圖形開發環境，便于高效、快捷地把整個工藝過程構成監控畫面，以動畫的形式顯示各個控制設備的狀態。

基于校園網絡的組態王虛擬實驗室是計算機網絡技術和實訓教學設備的有機結合，是指在軟、硬件結合的前提下，用戶通過校園網絡訪問虛擬系統，在各種虛擬實驗環境下，運用各種虛擬實驗儀器、儀表等設備。它可以最大限度的利用學院有限的硬件資源。學院實訓室以組態王控制系統網絡為基礎，配以小型局域網，通過交換機，采用虛擬儀器和虛擬現實技術實現實訓了教學設備的擴展。

虛擬實驗教學的基本特點有：

1.仿真性

實驗環境、實驗儀器和實驗器件都是通過實驗軟件在計算機里進行仿真，具有高度真實感。學生在計算機上進行實驗操作就如同置身于真實的實驗環境，對真實的實驗儀器和實驗器件進行操作，并且得到與真實設備相同的實驗結果。

2.開放性

由于實驗儀器設備是基于對真實設備在計算機內的仿真。所以實驗過程不在受實驗場地和時間限制。特別是能將實驗環境建立在基于局域網的平臺上，任何學生只要在接入校園局域網的任一終端上便能使用虛擬實驗系統。學生可方便地在網上進行任一專業、 任一課程的實驗學習，并及時獲取與實驗教學及管理有關的各種信息。有利于實驗教學和設施利用。

3.靈活性

在虛擬實驗環境中學生比較容易根據自己的想法從事創新實驗，有利于學生創新能力的培養。仿真實驗的引入，讓學生不僅可以充分利用仿真實驗軟件對數據采集、儲存、分析、處理傳輸及控制的強大功能，對方案進行論證、 選定和電路的設計，而且可以隨時改變參數等來調整控制回路，使之更好地逼近設計要求得出較為理想的設計。

四、虛擬實驗系統平臺的搭建

基于校園網的虛擬實驗室系統的總體目標是設計實現一個在校園網上的虛擬實驗室環境，利用校園網絡和設備，將所提供的虛擬儀器、實驗項目及內容放入建立的網站上。用戶只需通過網絡瀏覽器，而不需要其它的特殊軟件，就可以登錄到虛擬實驗室的教學服務器上。教師事先在主頁上列出所有可提供的實驗項目，在相應的項目中顯示該實驗的有關內容，并同時提供具體的儀器列表和儀器設置功能。當學生選擇了某個具體實驗后，首先可利用所提供的實驗內容了解實驗過程和實驗目的以，然后開始實驗的具體操作，用戶可以根據具體實驗的要求來設置儀器。

學生是網絡虛擬實驗室的最終用戶，每個用戶在系統中都有唯一的ID號，作為其出入虛擬實驗室的通行證，學生可以為自己的ID號設置密碼，訪問系統的登陸頁面，輸入各自的ID號和密碼，即可成功登陸虛擬實驗室系統，進行遠程實驗的相關操作。當實驗完成之后，學生可以保存其實驗結果，并通過網絡將實驗報告提交給教師。教師作為虛擬實驗室系統的特權用戶，其主要任務是管理學生、發布實驗內容、批改學生提交的實驗報告、對實驗報告進行打分和綜合評價并指出其優點或不足之處，使學生從評語中對實驗學習有更加深刻的認識。

（一）系統硬件平臺的搭建

虛擬組態王控制技術實訓室硬件平臺框圖如圖1所示。

虛擬組態王控制技術實訓室主要有計算機直接數字實訓裝置和仿真實訓室組成。

1.直接數字控制系統實訓裝置

直接數字控制系統實訓裝置由現場對象單元、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、控制計算機組成（如圖1）?？刂朴嬎銠C完成控制器的作用，在計算機上安裝一個網卡，可實現與仿真實訓室的連接。

直接數字控制系統的控制過程：現場的變送器將被測參數按量程范圍轉換成4～20mA的標準電流信號送到模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊將4～20mA的電流信號轉換為計算機能接收的數字信號送到直接數字控制計算機，計算機進行PID運算后送出數字控制信號，數字控制信號經模擬量輸出模塊轉換為現場執行機構能夠接收的4～20mA的模擬信號送出，從而達到控制被測參數的目的。

2.仿真實訓室

仿真實訓室實際是一個小型的局域網，局域網內至少應包含50臺以上的計算機，以保證至少一個班級使用。在各種控制系統的計算機上配備一個網卡，通過仿真實訓室網絡交換機可實現仿真實訓室與控制系統的連接。

（二）系統軟件平臺實現功能及搭建

基于校園網的虛擬實驗室需要軟、硬件結合，最終達到整個真實實驗所有功能的實現，而軟件設計的難點和重點在于對虛擬實驗室的數據庫設計以及多媒體技術的使用。虛擬實驗室軟件平臺是整個虛擬實驗室的基礎，它是基于B/S網絡結構的。基于校園網虛擬實驗室有三種人員角色：實驗室管理員、實驗指導老師和學生。他們分別具有不同的權限。其中學生可以通過虛擬實驗室進行實驗學習、提交實驗報告、提問及查看實驗成績等功能。實驗指導老師可以通過虛擬實驗室進行實驗指導、批改實驗報告、布置實驗內容等功能。實驗超級管理員作為實驗室管理人員，具有最高權限。其主要功能為準備實驗設備、安排實驗時間和內容、發布實驗內容和報告等。

（三）虛擬組態王控制技術實訓室的基本功能

在組態王控制技術實訓室中，采用網絡技術、虛擬儀器技術、虛擬現實技術和多媒體教學技術實現以下功能。

1.實現對各種控制系統的組態和計算機虛擬。當對組態王控制系統進行組態時，教師可以利用局域網中的教師機，對學生進行視頻教學，講解組態王系統的組態方法和步驟。

2.通過網絡實現對實訓結果的分析。在傳統教學模式中控制器參數對控制過程的影響以及控制器的參數整定等實訓內容只能在有限的特定的裝置上完成，實訓效果差。采用網絡和虛擬儀器技術后，在主控計算機上啟動廣播教學軟件，學生可在自己的計算機上觀察分析實訓過程曲線，并最后得出結論。

學院新建的基于校園網絡的虛擬實驗室增強并擴展了實驗教學的功能，為學生提供了一種嶄新的實驗方式。但需在此指出，虛擬實驗只是實驗教學的輔助手段，并不能完全取代實驗的實際操作過程。開展虛擬實驗教學可以起到輔助教師的作用，通過校園網絡和多種媒體形式的交互式虛擬實驗手段達到形象、生動的實驗教學目的。基于校園網的虛擬實驗室的研究解決了很多實驗條件限制的實驗教學問題，為實驗教學注入了新的活力，讓實驗教學延伸到了一個更廣泛的空間。

參考文獻：

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基金項目：山東科技大學自動化學院名校工程建設項目：MX-KCJS-6。

山東科技大學研究生教育新計劃項目：KDYC1218。