基于Web技術的虛擬實驗平臺開發與實現

孫澄宇 于軍 魯志海

1.吉林化工學院;2.山東京博控股集團有限公司

虛擬實驗技術因其具有交互性,直觀性、趣味性等優點在教育領域不斷被應用。本文利用Web技術設計開發了基于B/S基本框架的遠程虛擬實驗系統,系統采用模塊化功能設計方法,利用Lab VIEW軟件仿真實現數據傳輸,使實驗教學脫離了時間和空間的限制。設計完成后,利用平臺進行了模擬電路實驗測試,驗證其方案的可行性,并通過測試對比分析了虛擬實驗的教學效果。

0 引言

實驗室是學生獲取知識的重要場所,而實驗教學則是對理論知識再理解和再深化的過程,是提高學生動手能力、培養創新精神和綜合素質的一個有效手段。近年來,隨著高校規模增加以及人才培養模式改革,傳統實驗室教學中存在的問題也日益凸顯,已經難以滿足教學需要。為突破當前教學中存在困局、強化教學中的薄弱環節,一些高校開始著力尋求和拓展新的教學途徑[1-3]。網絡及虛擬技術的發展,給學校優化教學資源、緩解教師壓力帶來新的教學手段,也給虛擬實驗室的建設提供契機。

1 高校虛擬實驗室概述

1.1 虛擬實驗室的內涵

虛擬實驗室是以Web網絡數據共享技術為依托,利用虛擬儀器構建的實驗平臺。該系統可以真實模擬出實驗設備及場景,學生可利用虛擬儀器替代傳統實驗儀器,在虛擬場景中進行操作與控制,達到實驗學習的目的。虛擬實驗室無需依賴硬件實驗設備,是一種由用戶界面、模塊化儀器、計算機硬件資源組成的具有數據分析功能的操控系統。

1.2 建設虛擬實驗室的必要性

1.2.1 拓展教學手段的需要

傳統實驗教學拘泥于課堂,往往采用教師演示,學生觀看的教學方法,動手能力受到束縛,理解不深,創造性不強,學生學習積極性不高。虛擬實驗室可以使教師和學生擺脫時間和空間上的限制,隨時隨地通過Web網絡進行學習和實驗,可以提高學生的學習效率和學習積極性,提升自身學習和創造能力。

1.2.2 優化整合教學資源的需要

隨著當前各高校的不斷擴招,教師數量與學生數量相差越來越大,有限的教學資源漸漸無法滿足教學要求,有的學校甚至沒有實驗條件,只能提供給學生基本的理論知識,與培養具有實用型人才的理念相背離。虛擬實驗教學可以利用虛擬儀器代替實際設備,不僅能用更為靈活的教學模式圓滿完成課程教學的內容,還能緩解學樣在資源、場地等方面的困境。另外,虛擬實驗教學還能實現不同院校之間的資源共享,合理利用和優化資源,避免資源重建造成的浪費,減少經費支出。

1.3 虛擬實驗室的特征和優勢

與傳統實驗室教學相比,虛擬實驗具有很多優勢[4],具體如表1所示。

表1 虛擬實驗與傳統實驗的區別Tab.1 The difference between virtual experiment and traditional experiment

由此可見,虛擬實驗室不僅能降低實驗成本,還能突破傳統實驗的束縛,提高教學直觀性和有效性, 帶給學生全新的學習體驗過程,提高學生學習的主動性、積極性和創造性,提升整體的教學質量。但就目前虛擬實驗室的建設和使用來看,部分學校重程度還比較低,利用率不高。另外,還存在不同學校重復建設的情況,共享和專業融合程度低,資源浪費嚴重,不能實現優勢互補。因此除了教學理念的轉變外,還要大力提高虛擬實驗教學效果,使學生和教師認清虛擬實驗的重要性。

2 基于Web技術的虛擬實驗平臺開發

2.1 虛擬實驗室的框架結構

根據本單位實際設計本于Web的虛擬實驗平臺,平臺為B/S三層結構,如圖1所示。在用戶進行實驗操作時,首先通過Web 服務器發送登陸申請,驗證通過后登陸虛擬實驗系統。然后用戶通過人機交互界面選擇虛擬儀器,按照實驗步驟開始具體操作,實驗完成后平臺可將分析結果反饋到Web服務器,最后在用戶端進行展示,讓學生查看實驗效果。

圖1 虛擬實驗室的框架結構Fig.1 The frame structure of the virtual laboratory

2.2 Lab VIEW軟件介紹

Lab VIEW是一種基于數據流和面向對象的圖形化編程軟件,可實現數據采集、儀表顯示和程序控制等功能,所開發的模型稱為虛擬儀器,因此非常適合開發虛擬實驗平臺[5-6]。Lab VIEW采用流程框圖代替代碼進行編程,能高度模擬實際儀器的外形與操作方式,并可通過連接功能模塊使多個數據通道實現同步操作。Lab VIEW程序由界面和程序框圖兩部分組成,界面指的是在程序的前面板,作用是放置控制按鈕和顯示控件,等同于傳統實驗設備的外部按鈕[7]。程序框圖相當于程序的后臺,是虛擬實驗的核心,是用于控制前面板中的對象的程序的源代碼,與傳統實驗設備的內部功能相同,不同之處在于程序框圖能依據實驗要求進行實時調整。

2.3 虛擬實驗平臺開發流程

(1)確定方案,設計界面。首先按照設定好的實驗內容設計實驗方案,選擇需要用到的實驗器材,選擇連接通道與各輸入輸出控件。然后設定實驗參數,為各器材和插件賦值。

(2)設計程序框圖。根據實驗具體需求,選用所需的程序函數和邏輯結構,將界面中的設備進行連接,并對設定的參數進行分析處理,得出實驗結果,形成一個完整的程序框圖編程。

(3)運行和調試。運行設計好的程序框圖,進行實驗分析,并對運行中出現的錯誤進行改正、優化及調試,直到得出正確結論。

2.4 虛擬實驗室功能設計

2.4.1 用戶登錄

登錄是用戶進入實驗平臺的主界面,用戶按照用戶名、密碼、身份信息進行驗證,當輸入信息與數據庫內的個人信息完全匹配時顯示登錄成功。以學生用戶為例,當通過身份驗證后,進入用戶界面。主要分為模擬電路、數字電路、電路基本理論以及實驗成績查看等模塊,如圖2所示。

圖2 用戶界面Fig.2 User interface

2.4.2 實驗模塊設計

以模擬電路模塊為例,其中包括單管放大電路、RC振蕩電路以及半波整流電路,其程序框圖如圖3所示[8]。

圖3 模擬電路程序框圖Fig.3 Block diagram of analog circuit

3 教學效果測試

為研究虛擬實驗教學的學習效果,學校中選擇知識程度相似的A、B兩個學生班組進行對照測試,每組20名學生。其中A組在傳統實驗室中進行實驗教學,B組則利用所開發的虛擬實驗平臺進行學習。學習周期為10學時。學習完成后,采用相同考核辦法對兩組學生進行學習效果檢驗。成績結果如表2所示。

表2 不同教學方式成績對比Tab.2 Comparison of achievements in different teaching methods

測試結果表明,采用虛擬實驗教學的學生平均分數為91分,比傳統實驗室教學方式提高了11%左右;另外,采用虛擬實驗教學的學生及格率為95%,比傳統實驗室教學方式提高了12%左右,由此可見,虛擬實驗室教學可有效提高學生的學習成績,具有更好的教學效果,本虛擬實驗平臺合理、有效。

4 結論

基于Web的虛擬實驗室是利用虛擬設備和虛擬操作環境進行實驗教學的網絡平臺,不僅可以為學校優化教學資源、緩解資金和教師缺乏等問題壓力,還為高校實驗教學拓展了新的教學途徑。通過虛擬實驗學習,學生可以自由支配自己的學習時間,提高了學習的主動性和積極性。通過實際測試結果表明,采用虛擬實驗平臺有效提高學生的學習成績,與傳統實驗室教學相比,具有更好的教學效果。

引用

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[2] 張麗娟.基于仿真技術的數字電路3D虛擬實驗室的設計[J].信息記錄材料,2021,22(3):61-63.

[3] 李樂欣.高校虛擬仿真實驗室建設與管理探究[J].無線互聯科技,2021,18(2):84-85.

[4] 孫雷.基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗在遠程開放教育中的應用研究[J].電腦知識與技術,2020,16(17):200-201+221.

[5] 趙莉華,張亞超,金陽,等.基于Lab VIEW和MATLAB虛擬實驗室的實現[J].實驗室研究與探索,2014,33(4):62-64.

[6] 張娟.基于LabVIEW的電子電工專業虛擬現實的設計與實現[J].現代職業教育,2021(34):142-143.

[7] 林思宇.基于LabVIEW的虛實結合實驗平臺的設計與實現[D].長沙:長沙理工大學,2020.

[8] 王林艷,王曉剛.電工電子虛擬實驗室建設的研究[J].電子測試,2019(20):126-127+97.