計算機組成原理虛擬實驗教學平臺的研究

屈 泳, 王三華, 阮小軍

(南昌大學 理學院, 江西 南昌 330031)

21世紀教育技術產生了深刻的變革,信息技術和課程教學多元化的融合體現(xiàn)了這種變革。作為普遍應用于教學實踐中的數(shù)字化技術,虛擬實驗已經(jīng)成為重要的教學方式之一。

在理工類專業(yè)教學中,非常重視培養(yǎng)學生的實踐能力,實驗教學在提高學生的綜合素質上具有非常重要的作用。傳統(tǒng)的實驗教學往往受到實驗室時間、空間和實驗儀器設備等條件的限制；而虛擬實驗教學具有教學成本低、效率高、功能全、安全等優(yōu)點,可以不受或少受條件的限制,在高等學校的實驗教學中發(fā)揮了重要的作用。虛擬實驗教學平臺將虛擬現(xiàn)實技術與實驗教學相結合,將實驗教學所涉及的教學環(huán)境、操作過程和驗證過程進行模擬和虛擬化,讓學生在虛擬實驗教學環(huán)境中進行實驗學習,并且不受時間、地點的限制,架起了理論和實踐溝通的橋梁[1]。

計算機組成原理課程是計算機類專業(yè)的基礎課程,實驗教學內容豐富。傳統(tǒng)的實驗教學是以教師演示的方式進行的,學生缺少動手實踐的機會。為此,筆者設計了計算機組成原理虛擬實驗教學平臺,開展計算機硬件和計算機組件結構等教學內容的虛擬實驗教學,以提高實驗教學效果和培養(yǎng)學生的學習興趣。

1 虛擬實驗教學平臺的建設目標

虛擬實驗教學實驗平臺要能夠模擬計算機各個元器件及設備組裝過程[2],實現(xiàn)3個實驗教學目標。

(1) 實驗過程的記錄,了解學生實驗過程中存在的問題。由于大多數(shù)計算機原理實驗很難了解學生在實驗操作時的具體步驟,而這些信息的缺失非常不利于教師了解學生的學習過程。因此,虛擬實驗教學平臺應能夠記錄學生的實驗操作環(huán)節(jié),以便對學生實驗的情況進行客觀的評價和考核。

(2) 實現(xiàn)實驗教學環(huán)境的模擬,激發(fā)學生在實驗教學中的學習興趣。虛擬實驗教學平臺不但要能夠模擬真實的實驗環(huán)境、實驗設備及實驗操作過程,還能讓學生如身臨其境地在虛擬環(huán)境下學習計算機的構成、各個硬件設備構造及工作過程,在虛擬的環(huán)境下進行計算機知識的學習和研究。

(3) 具有良好的延伸性和擴展性。由于虛擬實驗教學平臺中的實驗內容并不能完全滿足不同教師的不同教學需要,因此,虛擬實驗教學平臺應適應教師個性化的教學需求,提供給教師自我設計教學內容和實驗項目的功能。

2 虛擬實驗教學平臺的網(wǎng)絡架構

虛擬實驗教學平臺是進行虛擬實驗教學、實驗操作、師生互動交流以及實驗項目管理的信息平臺[3]。學生需要通過該平臺獨立完成實驗操作和實驗過程的學習,提高實踐能力和創(chuàng)新思維能力。虛擬實驗教學平臺的網(wǎng)絡架構采用的是BSDA網(wǎng)絡架構,由遠程客戶瀏覽器端、Web服務器端、應用服務器端及實驗儀器設備端等4個組件構成,通過計算機網(wǎng)絡組成了一個完整的虛擬實驗教學平臺[4]。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為平臺的核心部分,承擔了各項虛擬實驗項目存儲和數(shù)據(jù)管理的工作,包括實驗用戶賬戶的生成、虛擬實驗交互動態(tài)網(wǎng)頁的生成以及虛擬實驗數(shù)據(jù)管理等工作。應用服務器承擔了實驗設備及儀器的控制和管理、實驗數(shù)據(jù)的采集和分析處理工作。Web服務器作為虛擬實驗教學平臺的信息發(fā)布服務器,承擔了用戶登錄認證管理、開放式交互實驗環(huán)境生成以及實驗教學的動態(tài)網(wǎng)頁的生成等工作。

計算機組成原理虛擬實驗教學平臺的用戶包括管理員、實驗指導教師和學生。管理員要進行實驗課程以及實驗指導教師和學生的賬戶管理和維護；實驗指導教師可以從虛擬實驗教學平臺的實驗項目庫中選擇虛擬實驗項目,也可以進行自定義的虛擬實驗項目設計,在學生實驗完成后通過虛擬實驗教學平臺進行實驗報告的批改工作；學生登錄虛擬實驗平臺,能夠按照實驗要求模擬實驗操作過程,在線完成實驗報告并提交給教師,還可以通過平臺查詢指導教師對本人實驗報告的批閱意見。

3 虛擬實驗教學平臺的體系架構

為了適應信息技術發(fā)展的需要,采用模塊化思路進行虛擬實驗教學系統(tǒng)的功能設計。為此,必須將虛擬實驗教學系統(tǒng)進行分層處理,將各個層次模塊單獨進行設計和建設,從而降低系統(tǒng)的復雜程度[5]。在系統(tǒng)設計時,按照先底層、再高層的設計思路,即先設計和驗證下層的程序模塊,然后再設計和驗證上層的程序模塊,模塊與模塊之間既相互獨立,又互相依賴。

虛擬實驗教學平臺主要包括實驗管理模塊、教師指導模塊、學生參與模塊和師生交流模塊。

實驗室管理員、實驗指導教師和參加實驗的學生為虛擬實驗教學平臺的人員結構。平臺根據(jù)人員類別進行權限和職責的劃分。實驗室管理員為平臺的系統(tǒng)管理員,負責虛擬實驗教學平臺的管理和實驗資源的維護管理；實驗指導教師負責虛擬實驗項目的設計、實驗指導、實驗任務的下發(fā)和實驗報告的批閱；參加實驗的學生可以通過虛擬實驗教學平臺觀看實驗教學視頻、進行實驗學習和實驗項目的操作,提交實驗報告。

4 虛擬實驗教學平臺的功能模塊

虛擬實驗教學平臺由實驗系統(tǒng)管理、實驗資源管理、實驗過程管理、實驗評價管理、師生互動管理等5個子系統(tǒng)組成(見圖1)[6]。

圖1 虛擬實驗教學平臺系統(tǒng)功能框架

實驗系統(tǒng)管理子系統(tǒng)作為虛擬實驗教學平臺的管理系統(tǒng),是系統(tǒng)管理員進行管理和維護的工具。系統(tǒng)管理員可以創(chuàng)建和維護虛擬實驗課程、建立和維護實驗指導教師和參加實驗學生的賬戶。

實驗資源管理子系統(tǒng)作為虛擬實驗教學平臺各類資源的管理系統(tǒng),主要作用是進行虛擬實驗教學平臺各類教學資源的管理,這些資源包括教學視頻等教學資源庫和實驗練習習題庫。實驗練習習題庫的設置可以讓學生在進行虛擬實驗學習之前了解與實驗相關的理論知識,以便有準備地進行虛擬實驗學習。實驗教師需為習題庫準備好一定數(shù)量的實驗練習。教學資源庫主要是對音視頻資源及圖片資源等文件進行整理和歸類,虛擬實驗教學資源需經(jīng)過管理員審核后方可上傳,教師可以在虛擬實驗項目中引用這些資源,這些教學資源既可以進行共享使用,也可為特定實驗專用。

實驗過程管理子系統(tǒng)由實驗過程管理和學生考勤管理兩部分組成。實驗過程管理是學生實驗操作的環(huán)境平臺,學生可以在實驗平臺看到教師發(fā)布的實驗項目和實驗步驟,并根據(jù)實驗要求完成實驗操作；學生考勤管理主要是協(xié)助實驗教師對學生上課的情況進行考勤、統(tǒng)計和分析。

實驗評價管理子系統(tǒng)是實驗指導教師進行實驗任務評價的系統(tǒng),具有智能批閱功能模塊和人工批閱功能模塊。智能批閱是根據(jù)實驗項目設計的得分點,自動判斷學生是否進行了相應的配置及操作,自動完成實驗任務的批閱評分過程。手工批閱則是由教師根據(jù)學生實驗報告中所陳述的實驗步驟、實驗結果以及結果分析等內容進行人工的評分。

師生互動子系統(tǒng)提供在線交流功能,類似微信的“群聊”功能。利用該模塊,學生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題時能夠及時向教師提問,教師則可以在線提供幫助。

5 計算機組成虛擬實驗教學平臺的設計

5.1 計算機組成實驗的特點

計算機已成為人們日常工作和生活中不可或缺的辦公工具,在金融、教育、商業(yè)、科研等領域中發(fā)揮著越來越多的作用。作為計算機類專業(yè)的高校學生,必須了解計算機的組成和結構。為此,大部分高等學校都開設了計算機硬件實驗課程。該課程具有很強的專業(yè)性和實踐性,除了要求學生很好地掌握各種計算機元器件的參數(shù)和計算機理論知識以外,更重要的是將這些知識很好地運用到實際的計算機安裝和維護過程中。可見,實踐和實驗環(huán)節(jié)在計算機組成課程教學中占有十分重要的地位,只有重視實驗教學,才可以提高學生了解計算機各個元器件及解決各類故障能力[7]。

計算機硬件組裝實驗和計算機維護實驗是計算機組成課程中的主要實驗項目。其中,計算機硬件組裝實驗是一個綜合性的設計實驗項目,包含很多基本的理論知識和實驗操作。在這個實驗項目中,學生需融合計算機硬件理論知識和實踐技能,進行綜合運用。計算機硬件組裝實驗項目涉及到很多設備和元器件,而且這些設備及元器件型號因生產廠家不同而各不相同,結構復雜且更新快。只通過理論上的講解難以讓學生掌握計算機內涵及發(fā)展趨勢。由于實驗設備及元器件數(shù)量多,有些價格較高,勢必影響實驗教學項目的開設。采用虛擬實驗教學的方式,有利于提高計算機組成原理實驗教學成效[8]。

5.2 開發(fā)虛擬實驗教學平臺的軟件工具

虛擬實驗教學平臺的核心是將實驗操作的全過程通過虛擬平臺進行展示[9]。構建虛擬實驗教學平臺的軟件工具有VRML語言等。VRML語言具有交互及編程、三維造型和實時渲染圖形描述等功能,這些功能可以讓它和Java語言、HTML及多媒體信息等技術很好地融為一體。采用VRML語言可以很好地創(chuàng)建一個具有交互式的遠程虛擬實驗教學平臺,還可以讓參與者具有身臨其境的體驗。VRML語言作為虛擬現(xiàn)實建模語言,具有三維建模的功能、面向對象和跨平臺等特性,已成為互聯(lián)網(wǎng)上制作虛擬互動系統(tǒng)的主流工具。

交互模式對虛擬實驗教學平臺非常重要,它受VRML語言的三維模型構建和交互模式的支持。節(jié)點是VRML語言中構建虛擬環(huán)境的要素,VRML語言通過這些節(jié)點可以很好地構建三維虛擬場景及交互式環(huán)境,再通過VRML語言中的路由模塊進行信息的傳輸,就可以構造一些簡單的虛擬仿真實驗操作模型。在采用VRML語言進行虛擬仿真實驗平臺的創(chuàng)建過程中,可以采用 VRMLScript、JavaScript等腳本語言來實現(xiàn)實驗操作者與場景的交互模型；在人機交互及外部訪問時,VRML提供了VRML封裝的Java類或EAI等技術來實現(xiàn)。

VRML語言還可以很好地支持實體對象的各種模型構建,計算機的各種元器件及環(huán)境都可以采用Box這個造型節(jié)點進行構建。以硬盤內外部構造的三維實體模型為例,其代碼如下：

DEF yingpan Transform{

translation 0 0 0

47rotation-1 0 0-1.57

children[

DEF driver-touch TouchSensor{}

DEF driver -TINMER TimeSensor{},

Shape{

appearance Appearance{material Material{

diffuseColor 0.588 0.588 0.588

ambientIntensity 1.0

specularColor 0 0 0}

texture ImageTexture{

url″maps/bottom.jpg″}}

geometry Box{size 0.131 0.0915 0.65}}]}

ROUTEdriver-touch.isActiveTOdriver TINMER.loopROUTEyingpan-TINMER.fraction_changedTOTOP01-POS-INTERP.set_fraction

ROUTE TOP01-POS-INTERP.value_changed TO TOP01.set_translation

運行結果如圖2所示。可以將硬盤外部和內部結構分別呈現(xiàn)在實驗學生面前,大大方便了學生的實驗學習。

圖2 VRML語言構建的計算機硬盤模型

計算機硬件中的各個計算機組件(主板、機箱、內存、CPU等)的構成都比較復雜。在針對這些組件進行虛擬實驗項目設計時,可以采用3ds Max軟件進行模型設計和構建。模型建立后,再將模型文件導出為與VRML語言兼容的文件格式,通過VRML語言進行優(yōu)化和壓縮,最后,將這些模型應用于虛擬實驗教學項目。通過VRML語言可以實現(xiàn)計算機組成原理虛擬實驗教學平臺的設計和構建,學生通過訪問實驗平臺，可以進行實驗的觀看及實驗操作,豐富了實驗教學的手段,提高了實驗教學的效果[10]。

5.3 用戶登錄和認證模塊的設計

一個功能強大和完善的虛擬實驗教學平臺應具有穩(wěn)定和安全的用戶管理系統(tǒng),為虛擬實驗教學平臺中的各類實驗資源和數(shù)據(jù)提供安全保護和管理[11-12]。參加實驗的學生憑用戶名和密碼登錄虛擬實驗教學平臺后,必須經(jīng)過用戶和密碼校驗系統(tǒng)的驗證后才能進行實驗項目的查看與實驗學習。在平臺的設計上,采用實驗室虛擬儀器工程平臺LabVIEW和MS SQL Server數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相結合的網(wǎng)絡開發(fā)環(huán)境, 采用LabVIEW的用戶控件進行用戶和密碼校驗系統(tǒng)的設計和開發(fā)。虛擬實驗教學平臺可以通過While結構來判斷用戶輸入的用戶名和密碼與數(shù)據(jù)庫中的用戶名和密碼是否匹配。認證成功后則允許登錄虛擬實驗教學平臺。用戶可單擊“進入系統(tǒng)”進入虛擬實驗教學平臺,并可以在計算組成原理虛擬實驗教學平臺中觀看實驗演示、進行實驗操作和實驗數(shù)據(jù)查詢等。

6 結語

將虛擬現(xiàn)實技術應用于實驗課教學,建設計算機組成原理虛擬實驗教學平臺,可以得到更好的計算機組成原理實驗教學效果,培養(yǎng)學生自我學習的興趣,提高學生的創(chuàng)新思維和實踐能力[13]。計算機組成原理虛擬實驗教學平臺的建設為實驗教學提供了一個全新的教學模式,為實現(xiàn)實驗教學的移動化課堂提供了一個切實可行的建設方案。