基于在線實驗室的教學(xué)模式的研究*

劉外喜 ，劉文喜 ，喻 萍 ，吉國平 ，胡 曉

（1.廣州大學(xué) 電子信息工程系，廣東 廣州510006；2.湖南省茶陵一中，湖南 茶陵412400；3.中國人民解放軍91708部隊，廣東 廣州510320）

當(dāng)前，國家大力提倡培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的具有創(chuàng)新思維、實踐能力的高素質(zhì)人才，同時，國家提倡建設(shè)學(xué)習(xí)型社會，鼓勵終身學(xué)習(xí)。在信息時代，如何培養(yǎng)適應(yīng)信息技術(shù)高速發(fā)展的人才是大學(xué)教育面臨的一個重要問題，其中加強(qiáng)實驗教學(xué)是一種有效的途徑，而在當(dāng)前的教學(xué)中，實驗教學(xué)是一個薄弱環(huán)節(jié)，主要存在以下問題[1-5]。

(1)在當(dāng)前的實驗教學(xué)中普遍采用3種方法：①利用上課時間在實驗室做實驗，由于設(shè)備數(shù)量有限，無法滿足人手一臺設(shè)備，實驗效果有限；②純虛擬實驗，主要利用軟件模擬實驗設(shè)備和環(huán)境。這種方法中實驗設(shè)備工作過程過于理想，并且學(xué)生做實驗是一個被動接受的過程，實驗步驟、內(nèi)容都是預(yù)先設(shè)定好的，觀察到的結(jié)果太過理想化，無法達(dá)到通過實驗發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的目的，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；③學(xué)生自己購買儀器做實驗，這種方法不僅給學(xué)生在經(jīng)濟(jì)上造成困難且缺乏教師指導(dǎo)，實驗效果無法保證。

(2)實驗設(shè)備更新較慢。由于各種客觀原因，不可能采購所有新技術(shù)的實驗設(shè)備，并且數(shù)量也不可能太多，因此教學(xué)和實驗內(nèi)容普遍滯后于當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展[6]。

(3)實驗測試設(shè)備少、更新慢。隨著當(dāng)前信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對測試設(shè)備的要求越來越高，并且在一些創(chuàng)新型實驗中，需要用到一些特殊用途的測試設(shè)備，一般實驗室無法滿足該要求。

實驗設(shè)備在整個實驗體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要的位置，因為缺乏符合教育理念的實驗設(shè)備而會導(dǎo)致實驗教學(xué)方法陳舊、實驗內(nèi)容脫節(jié)于技術(shù)發(fā)展等問題，正是為了解決這一反應(yīng)鏈中的根本問題——實驗設(shè)備問題，本文提出了構(gòu)建可編程的、網(wǎng)絡(luò)化的實驗平臺方案，并以此為依托探索信息類課程模塊式、開放式、網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學(xué)方法。

當(dāng)前，國內(nèi)外已經(jīng)有一些科研單位進(jìn)行了與網(wǎng)絡(luò)化實驗室相關(guān)的研究，但僅僅限于如何利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)，無法實現(xiàn)對遠(yuǎn)程實驗室設(shè)備的編程控制，例如美國Illinois大學(xué)的Nmrscope系統(tǒng)[7]、西班牙大學(xué)的電子儀器虛擬工作臺[8]、卡耐基-梅隆大學(xué)的虛擬實驗室[9]和意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實驗室[9]。國內(nèi)的一些大學(xué)也開展了相關(guān)的研究，如清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)以及四川大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計思路[4，5]。但到目前為止，關(guān)于在線實驗室建設(shè)的相關(guān)研究還不多。

1系統(tǒng)實現(xiàn)

本論文主要分為實驗平臺的搭建和新教學(xué)方法的探索兩部分。其中新教學(xué)方法的探索在后面闡述，下面以4個實驗項目為例闡述系統(tǒng)的基本實現(xiàn)思想。

1.1路由協(xié)議實驗的實現(xiàn)思想

如圖1所示，在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的軟件體系機(jī)構(gòu)為三層架構(gòu)：后臺服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端[4]，采用了瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的網(wǎng)絡(luò)計算模式。客戶端完成與用戶的交互、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及虛擬設(shè)備的配置交互。應(yīng)用服務(wù)器可以置于網(wǎng)絡(luò)中的任何位置，運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上，處理客戶端實驗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲茫瓿煽蛻舳伺c后臺服務(wù)器之間的通信轉(zhuǎn)接。后臺服務(wù)器采用Dynamips軟件模擬實際的設(shè)備，通過采用應(yīng)用服務(wù)器生成拓?fù)渌枰膮?shù)，管理和維護(hù)需要模擬的設(shè)備[4]。

圖1 路由實驗項目實現(xiàn)框圖

1.2重構(gòu)TCP三次握手和重構(gòu)HTTP交互過程實驗項目的實現(xiàn)

重構(gòu)TCP三次握手即服務(wù)器端捕獲客戶端訪問服務(wù)器時所經(jīng)歷的TCP三次握手過程，將三次握手的報文按照協(xié)議的格式展現(xiàn)給實驗者，這樣不僅可以加深實驗者對TCP三次握手過程的理解，還可以加深對TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)容的理解。

HTTP是應(yīng)用層的一個重要協(xié)議，當(dāng)前很多應(yīng)用都是基于HTTP協(xié)議的。重構(gòu)HTTP交互實驗項目的目的是幫助實驗者理解這一重要協(xié)議，本文所述在線實驗室就是以WEB的形式基于HTTP協(xié)議的應(yīng)用程序，因此把實驗者訪問服務(wù)器的HTTP交互過程捕獲下來，并以圖表的形式按照時間序列展現(xiàn)給實驗者，這樣可以讓實驗者看到訪問過程在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的報文細(xì)節(jié)，達(dá)到加深理解的目的，即“所做即所見”。

上述兩個實驗項目的共同思想是利用服務(wù)器端的捕獲程序抓包然后解析出來，系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)由主界面和測試界面構(gòu)成。其中抓包模塊流程如圖3所示，數(shù)據(jù)的分析的流程如圖4所示，顯示模塊如圖5所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 抓包模塊流程圖

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

圖5 顯示模塊流程

當(dāng)用戶登錄到主界面之后，服務(wù)器端程序?qū)覵harpPcap，根據(jù)收到的請求解析出用戶的地址，然后開啟一個線程偵聽這個地址的網(wǎng)絡(luò)端口，接著用戶訪問測試界面。訪問的目的就是發(fā)送一次遠(yuǎn)程請求，使得服務(wù)器能夠捕獲數(shù)據(jù)包，后臺使用抓包程序和解析程序能夠生成對應(yīng)協(xié)議包的數(shù)據(jù)，并且以文本的形式存放在本地文件系統(tǒng)中。之后用戶回到主頁，點擊抓獲數(shù)據(jù)文件按鈕，后臺服務(wù)將解析后的離線數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶瀏覽器，在主界面窗口顯示。

1.3重構(gòu)路由路徑

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，客戶端訪問服務(wù)器端需要經(jīng)過中間很多跳的路由器。重構(gòu)路由路徑實驗項目的目標(biāo)就是將客戶端訪問服務(wù)器端所經(jīng)過的路由路徑利用拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)重新構(gòu)建出來，加深實驗者對路由協(xié)議選擇路徑的理解。主要通過反向的tracert和ping等方法進(jìn)行路由重構(gòu)。

2教學(xué)模式的探索

2.1研究方法

先搭建實際的實驗平臺，然后在此基礎(chǔ)上測試、評估教學(xué)方法。主要采用抽樣調(diào)查、理論分析、模擬實驗相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

在研究新的教學(xué)方法對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和心理以及教師的教學(xué)心理的影響中，設(shè)計調(diào)查問卷，隨機(jī)抽樣進(jìn)行調(diào)查，得到大學(xué)生的心理特征，并進(jìn)行歸納和演繹，探討大學(xué)生的心理特點，結(jié)合基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實驗學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征，分析大學(xué)生基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實驗學(xué)習(xí)的特殊性，進(jìn)行教學(xué)模擬實驗，跟蹤教學(xué)效果，并根據(jù)實驗進(jìn)行修正，最終形成基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實驗學(xué)習(xí)的教學(xué)策略。

在TRIZ理論與基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實驗學(xué)習(xí)的融合研究中，采用理論分析方法，將TRIZ理論與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相結(jié)合，形成新型的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)方案，通過教學(xué)實驗進(jìn)行驗證。

2.2技術(shù)路線

實現(xiàn)以上思想的基本步驟是：設(shè)計大學(xué)生學(xué)習(xí)心理問卷→抽樣調(diào)查廣州大學(xué)生學(xué)習(xí)心理特征→探討大學(xué)生學(xué)習(xí)心理特征→分析大學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的特殊性→模擬教學(xué)實驗驗證→計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的特殊要求→課程間的聯(lián)系分析→課程體系適合網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的整合→教學(xué)實踐驗證→TRIZ理論與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的相生相克原理分析→TRIZ理論與研究性學(xué)習(xí)融合分析→教學(xué)實驗驗證。

本文充分分析了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)之上提出構(gòu)建可編程、網(wǎng)絡(luò)化的在線實驗平臺的方案。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓展實驗平臺的使用范圍，實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程在線面向?qū)嶋H設(shè)備的實驗。

[1]丁曉紅.遠(yuǎn)程虛擬電子實驗室的實現(xiàn)技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué),2003.

[2]蔣英.對虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗室的初淺認(rèn)識[J].實驗室科學(xué),2006,2(1)：102-103.

[3]GOLDBERG H.What is virtual instrument[J].IEEE Instrumentation&Measurement Magazine,2000,3(4)：10-13.

[4]王曉梅.在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)教育，2009(18).152-154.

[5]頓愛波，唐禎安.遠(yuǎn)程教學(xué)用虛擬電子實驗室系統(tǒng)研究[D].大連理工大學(xué)，2005.

[6]劉外喜.虛擬實驗室在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中應(yīng)用的設(shè)計[J].計 算機(jī)教育,2007(8)：72-76.

[7]Shen Xiaojun，RADAKRISHNAN T.Electronic commerce in a collaborative virtual world[J].Electronic Commerce Research and Application,Elsevier Science BV,2002(1)：281-300.

[8]SERRA M,WANG E,MUZIO J C.Amultimedia virtual lab for digital logic[EB/OL].Http：//www.ieee.org.

[9]CHRISTOF RoHRIG,ANDREAS JOCHHEIM.The virtual lab for controlling real experiments via intemet[EB/OL].Http：//www.ieee.org.