摘 要：剖析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降娜秉c(diǎn)，論述“網(wǎng)上虛擬軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”(簡稱虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái))的優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，展示平臺(tái)的運(yùn)行效果和推廣價(jià)值，提出“任何場地任何時(shí)間學(xué)習(xí)軟件開發(fā)”的思想，從技術(shù)上提出解決平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)安全性的方案和進(jìn)一步完善功能的思路。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?；網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；網(wǎng)上虛擬軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)06-175-03

Design and Implement ofInternet Software-development Virtual Experiment Platform

WEI Yanjun，LIU Zhiqiang

(Computer Teaching and Experiment Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China)

Abstract：This paper dissects the weakness of traditional experiment model，the merits，design and implement of new Internet software-development Virtual Experiment Platform (VEP) has been introduced.Its running result is very good and it is worth using for college students.And then，a new idea for studying programming any time and any place has raised here.At last，in terms of technology，the network security plan and idea of function expansion of VEP has been acquired.

Keywords：experiment model；Internet virtual experiment platform；Internet virtual software-development virtual experiment platform；virtual experiment platform；virtual experiment room

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表，將程序設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多媒體技術(shù)相融合成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)應(yīng)用的主流。市場也對計(jì)算機(jī)軟件人才的技術(shù)應(yīng)用水平與實(shí)踐能力的要求越來越高，因此加強(qiáng)實(shí)踐能力訓(xùn)練是人才勝任日益復(fù)雜的軟件開發(fā)的基石；而傳統(tǒng)的做法需要學(xué)習(xí)者熟悉多種大型軟件開發(fā)工具，能否盡量避開這些復(fù)雜的工具并使學(xué)習(xí)者把主要精力投入核心實(shí)踐環(huán)節(jié)，是本文論述的重心。

1 傳統(tǒng)軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降钠饰?/p>

從20世紀(jì)90年代初期到現(xiàn)在的17年時(shí)間，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言經(jīng)歷了3個(gè)重要階段，字符界面階段(以Masm，QBasic，DBase和Turbo C等為代表)，可視化界面階段(Visual BASIC，Visual C⁺⁺，C⁺⁺Builder，Delphi，PowerBuilder和JBuilder等為代表)，平臺(tái)無關(guān)階段(Quency C⁺⁺，Eclipse等開源開發(fā)工具為代表)。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言以C⁺⁺，Java和匯編語言為主流，為此各廠商推出了相關(guān)的多種集編輯、編譯、連接、調(diào)試、運(yùn)行和聯(lián)機(jī)幫助為一體的開發(fā)工具，非常適合中高級專業(yè)程序設(shè)計(jì)人員使用。但是這些軟件通常都比較龐大，安裝時(shí)間長，學(xué)會(huì)使用他們需要花費(fèi)很多的精力。

在數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐環(huán)節(jié)上，大都以微軟公司的Access為代表的小型桌面數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)者很難過渡到像Oracle，Sybase，DB2，SQL Server，Postgre SQL和MySQL等真正大中型商用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的使用層面上。

多媒體技術(shù)應(yīng)用這種新型計(jì)算機(jī)技術(shù)，一般停留于像PhotoShop，Premiere，3D Max，CorelDraw和Flash等制作工具的使用層面上，而多媒體處理算法和多媒體程序設(shè)計(jì)在實(shí)際軟件開發(fā)中的重要性被忽視。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降谋锥擞纱孙@現(xiàn)出來；需要安裝大量的大型軟件，花費(fèi)許多時(shí)間去熟悉他們的功能和命令等，并且還潛在著軟件版權(quán)問題的困惑，學(xué)習(xí)者花在核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的時(shí)間相對會(huì)減少。

2 網(wǎng)上虛擬軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的提出

隨著因特網(wǎng)的普及以及軟件技術(shù)的發(fā)展，為改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教峁┝思夹g(shù)支持和工具。人們更有理由期待充分發(fā)揮因特網(wǎng)的優(yōu)勢，使得授學(xué)者與學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)隨地進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)庫的SQL語言和多媒體處理算法設(shè)計(jì)的教與學(xué)，并進(jìn)行與此相關(guān)的各種應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng)，極大地簡化軟件安裝與維護(hù)工作，突出實(shí)驗(yàn)的核心任務(wù)；教和學(xué)的方式更加靈活，既可以選擇集中式實(shí)踐(傳統(tǒng)實(shí)踐模式)，也可以選擇分散式實(shí)踐(個(gè)性化實(shí)踐模式)，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的時(shí)間表和興趣來安排學(xué)習(xí)，無形中延長了學(xué)習(xí)時(shí)間、增加了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自覺性；實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人值守式開放性實(shí)驗(yàn)室，教師發(fā)布實(shí)驗(yàn)方案、公布實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)也可以不受時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容的限制；上述特征正是“虛擬實(shí)驗(yàn)室”技術(shù)所體現(xiàn)的主要特征。

國際上對“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的定義是：他是一個(gè)無墻的中心，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究人員或?qū)W習(xí)者將不受時(shí)空的限制，能隨時(shí)隨地與同行協(xié)作、共享儀器設(shè)備、共享數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，得到教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)以及同行間的相互研討。國際性的研究始于20世紀(jì)90年代，研究的內(nèi)容包括：虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模型建立、儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制方法研究、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、處理與使用和接口技術(shù)研究等。以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為特征的“虛擬實(shí)驗(yàn)室”產(chǎn)品也相繼在世界各地出現(xiàn)，其應(yīng)用逐步滲透到各個(gè)教學(xué)領(lǐng)域，引發(fā)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)一系列深刻的變革。其代表性的成果有：環(huán)境與分子科學(xué)協(xié)作機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)環(huán)境、Beamline 7協(xié)作結(jié)構(gòu)和醫(yī)學(xué)協(xié)作機(jī)構(gòu)等。零零散散的虛擬實(shí)驗(yàn)室在國內(nèi)也相繼出現(xiàn)，但絕大部分都是仿真系統(tǒng)，而且多半是器件方面的模擬。國內(nèi)在軟件開發(fā)方面的虛擬實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品數(shù)量很少，功能也很不完善。

在克服傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺秉c(diǎn)和避免簡單的實(shí)驗(yàn)?zāi)M的前提下，這里設(shè)計(jì)出一種具有自主版權(quán)的新穎的“網(wǎng)上虛擬軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”。他大大地簡化學(xué)習(xí)者進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫和多媒體實(shí)驗(yàn)的煩瑣外圍步驟，突出實(shí)驗(yàn)核心內(nèi)容。本平臺(tái)完全構(gòu)架在因特網(wǎng)體系上，具有簡單性、跨平臺(tái)性、用戶透明性和網(wǎng)絡(luò)安全性，給授學(xué)者和學(xué)習(xí)者提供一個(gè)真正的零客戶的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)習(xí)者可以在任何地方通過訪問網(wǎng)站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。只需具有一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)配置的普通計(jì)算機(jī)、安裝有一種操作系統(tǒng)軟件、使用瀏覽器訪問本平臺(tái)的網(wǎng)站就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本平臺(tái)具有以學(xué)習(xí)者為主體、靈活和突出重點(diǎn)等特點(diǎn)，提出“任何場地任何時(shí)間學(xué)習(xí)軟件開發(fā)”的設(shè)想，希望能夠填補(bǔ)國內(nèi)在這方面研究的空白。

3 網(wǎng)上虛擬軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 平臺(tái)的功能

平臺(tái)包括程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫SQL和多媒體等3大功能，均可以通過遠(yuǎn)程訪問來實(shí)現(xiàn)。其中，程序設(shè)計(jì)功能主要包括C⁺⁺程序設(shè)計(jì)、Java程序設(shè)計(jì)和匯編程序設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)，并可擴(kuò)展選用其他任何一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，對編寫的源程序可以進(jìn)行遠(yuǎn)程方式的編譯預(yù)處理、編譯、連接打包和運(yùn)行等工作；編譯預(yù)處理對源程序進(jìn)行格式化排版和安全性檢查，編譯生成模塊文件或類文件，連接打包生成可執(zhí)行文件或可執(zhí)行的壓縮包文件或安裝盤文件；運(yùn)行時(shí)可以接收輸入的參數(shù)值并遠(yuǎn)程運(yùn)行，或下載到本地運(yùn)行得到運(yùn)行結(jié)果。數(shù)據(jù)庫功能采用標(biāo)準(zhǔn)SQL+多種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)特殊的SQL，主要支持Access、MySQL、Oracle 和SQL Server等流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并可擴(kuò)展選用其他關(guān)系數(shù)據(jù)庫、對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫和對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以完成訪問數(shù)據(jù)庫的9種常用功能，對表、視圖、觸發(fā)器、函數(shù)、數(shù)據(jù)類型、同義詞和存儲(chǔ)過程的建立(CREATE)、修改(ALTER)和刪除(DROP)；對數(shù)據(jù)的增加(INSERT)、修改(UPDATE)和刪除(DELETE)；對數(shù)據(jù)的查詢(SELECT)；對數(shù)據(jù)庫權(quán)限的管理(GRANT和REVOKE)等；還支持特殊的數(shù)據(jù)庫SQL語句。多媒體功能包括聲音、圖形和圖像的處理，目前主要支持7種圖像處理算法，包括：偏色、反轉(zhuǎn)、鏡像、轉(zhuǎn)置、浮雕、油畫和窗簾等效果。平臺(tái)的功能如圖1所示。

3.2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用“瀏覽器+Web服務(wù)器+應(yīng)用服務(wù)器+數(shù)據(jù)庫服務(wù)器+操作系統(tǒng)服務(wù)器”多層應(yīng)用計(jì)算模式，采用目前流行的IE，F(xiàn)irefox，Opera和Netscape等瀏覽器，不需要安裝任何瀏覽器插件；Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器選用Tomcat或WebLogic或JBoss等，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Access，SQL Server，Oracle，DB2，MySQL，PostgreSQL，Interbase和HypeSonicSQL等。開發(fā)語言采用目前最流行、純面向?qū)ο蠛涂缙脚_(tái)性最好的Java語言，開發(fā)工具采用Borland公司的JBuilder。采用的開發(fā)技術(shù)還包括：多線程，JDBC，JNI，Corba，RMI，JSP，Servlet，EJB，JNDI，Connection pool和MVC等。平臺(tái)具有良好的移植性，可以無縫地安裝在目前多種主流操作系統(tǒng)上，比如Windows，Linux，Solaris，Mac OS和Aix中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中還考慮到客戶機(jī)與服務(wù)器體系的相同和相異情況，學(xué)習(xí)者可以選擇跨操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程直接運(yùn)行程序，也可以將執(zhí)行程序下載到本地運(yùn)行。平臺(tái)中采用過濾網(wǎng)阻止對服務(wù)器的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有害的調(diào)用，以保證平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全性。學(xué)習(xí)者在瀏覽器中選擇選項(xiàng)和輸入相關(guān)源程序，并由瀏覽器發(fā)送請求給遠(yuǎn)端的Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將學(xué)習(xí)者的請求信息發(fā)送給生成執(zhí)行體的應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器調(diào)用和執(zhí)行操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)命令，并將結(jié)果回傳，最終回傳給瀏覽器調(diào)用者，如圖2所示。

3.3 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)在程序功能實(shí)現(xiàn)上采用變通式的MVC三層構(gòu)架，將數(shù)據(jù)模型層(Data Model)、顯示層(View)和控制器層(Controller)顯式地分離。本平臺(tái)中的數(shù)據(jù)模型層是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的一系列表、視圖、存儲(chǔ)過程和觸發(fā)器、JDBC數(shù)據(jù)庫引擎驅(qū)動(dòng)器以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理的JavaBean，顯示層包括HTML，Javascript和JSP，控制層包括Servlet，EJB和JSF等。由客戶端的瀏覽器頁面發(fā)出表單請求，服務(wù)器端JSP將接收到的請求傳給相應(yīng)的Servlet、再由Servlet將請求消息分派給JavaBean和EJB進(jìn)行事件處理，并分別通過JDBC，JNI和Corba完成訪問數(shù)據(jù)庫、實(shí)現(xiàn)編譯、連接和運(yùn)行程序、訪問多媒體庫等任務(wù)，并將應(yīng)答結(jié)果回傳給客戶端瀏覽器，如圖3所示。

3.4 典型的運(yùn)行界面抓屏

平臺(tái)使用步驟按照：① 用戶注冊→ ② 用戶登錄→③ 程序設(shè)計(jì)或數(shù)據(jù)庫或多媒體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作→④ 用戶退出等幾個(gè)步驟。

典型的運(yùn)行界面如圖4所示，其中(a)為平臺(tái)首頁，左側(cè)為3個(gè)主要功能鏈接以及平臺(tái)使用指南，右側(cè)上方為學(xué)習(xí)者注冊和登陸功能按鈕；(b)為程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的編譯和運(yùn)行結(jié)果演示畫面，下方主要包括編譯、運(yùn)行、中止運(yùn)行和下載運(yùn)行等功能按鈕；(c)為數(shù)據(jù)庫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，訪問Oracle數(shù)據(jù)庫完成一次查詢所得到的結(jié)果演示畫面；(d)為多媒體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行圖像的7種處理后的結(jié)果演示畫面。

4 網(wǎng)上虛擬軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全性考慮

由于互聯(lián)網(wǎng)和操作系統(tǒng)自身的安全性的特殊要求，以及本平臺(tái)中還需要調(diào)用操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的核心功能等原因，這里提出防止出現(xiàn)安全性漏洞的解決辦法，即在應(yīng)用服務(wù)器與操作系統(tǒng)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間增加網(wǎng)絡(luò)安全性過濾層，如圖5所示，以保證以下的一些安全性：

(1) 限制客戶機(jī)直接運(yùn)行服務(wù)器上的操作系統(tǒng)命令；

(2) 客戶機(jī)上傳的結(jié)果均為源程序、SQL代碼和圖像文件的形式，限制直接上傳可執(zhí)行文件；

(3) 限制客戶機(jī)程序和SQL語句中使用危險(xiǎn)函數(shù)和中斷調(diào)用；

(4) 客戶機(jī)編譯好的執(zhí)行程序可以下載到本機(jī)來運(yùn)行，以減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)；

(5) 對客戶機(jī)程序遠(yuǎn)端運(yùn)行時(shí)間有超時(shí)限制；

(6) 客戶機(jī)程序運(yùn)行進(jìn)程還可以由管理員管理，防止進(jìn)程沖突和死鎖。

5 “網(wǎng)上虛擬軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”功能的拓展思路

本平臺(tái)還需要進(jìn)行以下4個(gè)方面的完善工作：

(1) 程序設(shè)計(jì)調(diào)試功能；

(2) 增加計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言的數(shù)量；

(3) 添加工程與多源程序文件功能；

(4) 多媒體音、視頻處理功能。

6 結(jié) 語

本平臺(tái)為程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用和多媒體應(yīng)用實(shí)驗(yàn)提供了一種全新的上機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，極大地簡化了實(shí)驗(yàn)中的各種瑣碎的外圍環(huán)節(jié)，突出實(shí)驗(yàn)核心。一年多來的實(shí)踐表明，本平臺(tái)解決了困惑多年的軟件開發(fā)上機(jī)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性的難題，并在申報(bào)國家級精品課程和國家級示范中心過程中做出了重要貢獻(xiàn)。不過，本平臺(tái)目前還處于試探性研究階段，難免存在一些問題，需要繼續(xù)加以改進(jìn)。

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作者簡介 衛(wèi)顏俊 男，計(jì)算機(jī)工學(xué)碩士學(xué)位畢業(yè)，現(xiàn)為西安交通大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心教師。曾經(jīng)參加過多個(gè)計(jì)算機(jī)軟件項(xiàng)目的開發(fā)工作，多次擔(dān)任主要負(fù)責(zé)人之一。編寫過多本教材，其中兩本為十一五規(guī)劃教材。為國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)、國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心以及\"軟件技術(shù)基礎(chǔ)\"國家級精品課程的骨干教師。