摘 要：Internet的飛速發(fā)展與應(yīng)用，引發(fā)了現(xiàn)代教育技術(shù)領(lǐng)域一場(chǎng)重大變革。遠(yuǎn)程教學(xué)以一種全新的教學(xué)方式越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。然而，遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行是一道難題。本文從遠(yuǎn)程教育的實(shí)際需要出發(fā)，介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，提出了基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)。

關(guān)鍵詞：Web 虛擬實(shí)驗(yàn)室 虛擬元件 虛擬設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：G424.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2008）23-0027-03

一、引言

隨著Internet的飛速發(fā)展與應(yīng)用，引發(fā)了現(xiàn)代教育技術(shù)領(lǐng)域一場(chǎng)重大變革。遠(yuǎn)程教學(xué)以一種全新的教學(xué)方式越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。由于課程實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)課程的基礎(chǔ)，學(xué)生只有通過(guò)足夠的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合性實(shí)驗(yàn)，才能真正理解和掌握理論知識(shí)，獲得一定的綜合技能和實(shí)踐能力。因此，根據(jù)課程建設(shè)需要，建立各種功能齊全、跟隨時(shí)代發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育發(fā)展的必然要求。

美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)把虛擬實(shí)驗(yàn)室定義為：它是一個(gè)無(wú)墻的中心，通過(guò)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)間空間的限制，能隨時(shí)隨地與同行協(xié)作，共享數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)資源，得到老師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)。[1] 在當(dāng)前高校擴(kuò)招，教育經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足的情況下，顯然，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

跟傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要借助具體的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，但儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，損耗大，實(shí)驗(yàn)成本高。而虛擬實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備不存在磨損、老化、變質(zhì)和損壞現(xiàn)象，因而可以反復(fù)使用。既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，又能滿(mǎn)足教學(xué)需要。

2.開(kāi)放性。網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)可以打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，使學(xué)習(xí)者不受時(shí)間和空間的限制，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需要，隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。也可以選擇不同的實(shí)驗(yàn)伙伴共同實(shí)驗(yàn)，其所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果就像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣。

3.針對(duì)性。利用計(jì)算機(jī)的模擬功能、動(dòng)畫(huà)效果、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)緩慢過(guò)程的快速播放和快速過(guò)程的緩慢回放，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果忽略細(xì)節(jié)，重點(diǎn)突出地展示出來(lái)，便于學(xué)生觀察，從而提高實(shí)驗(yàn)效果。

4.安全性。對(duì)于一些危險(xiǎn)性比較大、有毒有害、污染環(huán)境和破壞性的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)更加安全、有效。

5.共享性。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享，從而節(jié)省大量的重復(fù)投資，提高教學(xué)水平。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

1.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室主要由虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和一系列虛擬實(shí)驗(yàn)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供一個(gè)虛擬、逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)所用的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和元件，使學(xué)生在此環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，最后通過(guò)仿真程序得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)是一個(gè)集實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)仿真等為一體的功能強(qiáng)大的網(wǎng)上運(yùn)行系統(tǒng)。[2] 這樣一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)基于B/S結(jié)構(gòu)，提供遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)和遠(yuǎn)程操作功能。學(xué)校或院系可將所有課程的實(shí)驗(yàn)置于同一平臺(tái)之上，以便于集中管理。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有三種角色：實(shí)驗(yàn)超級(jí)管理員、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和學(xué)生。他們分別具有不同的權(quán)限。實(shí)驗(yàn)超級(jí)管理員認(rèn)證登錄實(shí)驗(yàn)室管理總后臺(tái)，能發(fā)布實(shí)驗(yàn)新聞、通知、實(shí)驗(yàn)安排、添加實(shí)驗(yàn)課程及課程管理密碼，具有最高權(quán)限。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師能夠發(fā)布課件、多媒體資料（視頻、flash等），并提供在線(xiàn)答疑和輔導(dǎo)。而學(xué)生幾乎沒(méi)有權(quán)限，但所有的服務(wù)都是為學(xué)生提供的。

該虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

構(gòu)建在Web之上的虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種典型的B/S（瀏覽器/服務(wù)器）計(jì)算模式，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在這個(gè)體系中，遠(yuǎn)程客戶(hù)端通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)器上的頁(yè)面，而Web頁(yè)面中嵌有虛擬實(shí)驗(yàn)軟構(gòu)件，服務(wù)器通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)軟構(gòu)件對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，并接受來(lái)自客戶(hù)端的實(shí)驗(yàn)操作請(qǐng)求，根據(jù)客戶(hù)端的操作，虛擬實(shí)驗(yàn)軟構(gòu)件調(diào)整虛擬元件的狀態(tài)，模擬產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)對(duì)象，輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

學(xué)習(xí)者在客戶(hù)端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以放置于服務(wù)端也可以放置于客戶(hù)端，服務(wù)端主要存放公共實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)及說(shuō)明等內(nèi)容，它們可以以靜態(tài)頁(yè)面的形式存放在Web服務(wù)器上，具體實(shí)驗(yàn)的判斷邏輯體現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)的軟構(gòu)件中。[3]

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)技術(shù)與應(yīng)用

1.虛擬元件和虛擬儀器構(gòu)造技術(shù)

虛擬儀器/元件對(duì)象是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)交互操作的主體對(duì)象。在邏輯上，用戶(hù)對(duì)儀器庫(kù)中的虛擬儀器進(jìn)行操作，這些虛擬儀器是由基本的虛擬元件構(gòu)成的，它們是現(xiàn)實(shí)世界中的元件的直接映射，是虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的重要組成部分，也是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。虛擬儀器/元件模型建立的好壞，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)性能及仿真算法的效率。一個(gè)良好的虛擬儀器/元件模型具有以下特征：良好的封裝性、可擴(kuò)展性、可重用性和完備性。[4]

（１）虛擬元件的構(gòu)造

面向?qū)ο蟮奶摂M元件構(gòu)造直接以客觀世界的元件作為對(duì)象，虛擬實(shí)驗(yàn)室中的元件庫(kù)主要由實(shí)驗(yàn)中所需的各種元件模型組成，這些元件就是組成元件庫(kù)的對(duì)象。在使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)時(shí)，可以將實(shí)驗(yàn)所用的元件按照其功能、特性進(jìn)行分類(lèi)，組成元件庫(kù)，如圖3所示。

在庫(kù)中，每個(gè)元件都獨(dú)立封裝成一個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都有自己的外觀特性、幾何形狀、參數(shù)變量和區(qū)域空間等屬性，還有自我繪制、更新及其它實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)交互功能的方法。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)需要相關(guān)元件時(shí)，可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)各類(lèi)的屬性和方法實(shí)現(xiàn)，[5]比如通過(guò)該元件類(lèi)的區(qū)域空間屬性判斷事件是否發(fā)生在此圖形對(duì)象上，通過(guò)改變其參數(shù)從而改變其顯示狀態(tài)，通過(guò)事件管理和事件處理實(shí)現(xiàn)其與用戶(hù)的交互。

構(gòu)造虛擬元件的基本方法如下：

首先定義一個(gè)父類(lèi)，該類(lèi)包括所有元件的一些基本屬性和方法，如元件名稱(chēng)、所在區(qū)域、標(biāo)志碼屬性和自我繪制等方法。而對(duì)每一個(gè)特定的元件，可根據(jù)自身的需要，在繼承父類(lèi)屬性和方法的基礎(chǔ)上，添加新的功能或者覆蓋父類(lèi)的功能，構(gòu)成一個(gè)子類(lèi)。如在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，邏輯芯片類(lèi)（LogicChip）是一個(gè)虛基類(lèi)，由它可以派生出組合芯片類(lèi)（CombChip）和時(shí)序芯片類(lèi)（SequenChip）。再通過(guò)繼承和組合機(jī)制，可派生出各種芯片。

確定元件對(duì)象的類(lèi)描述一般包括：

1）類(lèi)屬性：內(nèi)部屬性/外部屬性，同步顯示變量（和實(shí)際物理值相對(duì)應(yīng)的物體外觀變量），異步顯示變量（不隨外界變化的顯示變量），控制變量（器件的類(lèi)型標(biāo)識(shí)符，唯一標(biāo)識(shí)符）等。它們?cè)贘ava和C++中用成員變量來(lái)描述。

2）類(lèi)方法：構(gòu)造方法（用于產(chǎn)生實(shí)例化初始對(duì)象），消息響應(yīng)方法（用于與用戶(hù)交互，如獲取鼠標(biāo)所在點(diǎn)的區(qū)域位置、改變參數(shù)值大小等），外觀繪制方法（用于產(chǎn)生、改變?cè)耐庥^形狀等），外部方法（提供其他對(duì)象訪(fǎng)問(wèn)自己的接口等），其他輔助方法（如接線(xiàn)端口判斷）等。它們?cè)贘ava和C++中用成員函數(shù)來(lái)描述。

根據(jù)以上定義，用UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言構(gòu)建類(lèi)圖和狀態(tài)圖，再依據(jù)類(lèi)圖和狀態(tài)圖，用C++、Java等編程語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，并進(jìn)行封裝，即可完成一個(gè)元件的構(gòu)造。

（２）虛擬儀器的構(gòu)造

虛擬儀器（Virtual Instrument）是基于計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)技術(shù)的模塊化系統(tǒng)，通常由控制模塊、儀器模塊和軟件組成。它充分利用了最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。[6] 虛擬儀器在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要為虛擬實(shí)驗(yàn)提供信號(hào)顯示、檢測(cè)等服務(wù)功能，虛擬儀器必須與虛擬元件之間有機(jī)結(jié)合，以便與虛擬元件進(jìn)行信號(hào)處理。虛擬儀器的特點(diǎn)有：①將信號(hào)的分析、顯示、保存、打印和其他管理集中由計(jì)算機(jī)處理。②儀器由用戶(hù)自已定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過(guò)軟件修改，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其它儀器連接。

通過(guò)面向?qū)ο蟮睦^承和組合機(jī)制，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，同樣可以構(gòu)造出虛擬實(shí)驗(yàn)室所需的各類(lèi)儀器設(shè)備。

2.人-機(jī)界面技術(shù)及應(yīng)用

人-機(jī)界面，又稱(chēng)用戶(hù)界面，或簡(jiǎn)稱(chēng)界面，是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介。通過(guò)人-機(jī)界面，用戶(hù)向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送命令、數(shù)據(jù)等輸入信息。同樣計(jì)算機(jī)通過(guò)人-機(jī)界面把計(jì)算機(jī)得到的輸出信息回送給用戶(hù)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的人-機(jī)界面應(yīng)具備以下功能：（１）虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)功能；（２）虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真運(yùn)行功能。

具體來(lái)說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)室界面應(yīng)能提供以下操作：①實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇；②虛擬元件或設(shè)備的選擇、布局、編輯和參數(shù)設(shè)置；③元件/儀器之間的連接；④實(shí)驗(yàn)用的程序編輯和編譯；⑤電路測(cè)試和實(shí)驗(yàn)的仿真運(yùn)行；⑥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示；⑦實(shí)驗(yàn)報(bào)告的上傳下載等。

根據(jù)以上功能及要求，虛擬實(shí)驗(yàn)室界面設(shè)計(jì)應(yīng)包含主界面設(shè)計(jì)和特定實(shí)驗(yàn)界面的設(shè)計(jì)。其中，主界面用于引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選擇。實(shí)驗(yàn)界面則用于實(shí)驗(yàn)的操作、演示和仿真。實(shí)驗(yàn)界面一般由實(shí)驗(yàn)面板和菜單組成。實(shí)驗(yàn)面板用于放置實(shí)驗(yàn)所需的元件/儀器、完成元件/設(shè)備之間的接線(xiàn)，顯示元件引腳狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。菜單則應(yīng)包含用于完成實(shí)驗(yàn)操作、測(cè)試、程序編譯、仿真、數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果保存和幫助在內(nèi)的各個(gè)菜單項(xiàng)。此外，系統(tǒng)還應(yīng)提供用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫(xiě)和提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告處理界面，以及用于實(shí)驗(yàn)幫助的幫助界面。同時(shí)把諸如在線(xiàn)答疑、資料下載等欄目作為設(shè)計(jì)內(nèi)容一并考慮，以方便學(xué)生學(xué)習(xí)和與教師互動(dòng)交流。

構(gòu)建一個(gè)接近物理原型、界面友好的人-機(jī)界面，是實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。這里的界面友好是指人在與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流（做實(shí)驗(yàn)）時(shí)，就像在真實(shí)環(huán)境中操作具體的實(shí)驗(yàn)儀器一樣。不僅實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論要求，而且實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景應(yīng)該盡量接近于現(xiàn)實(shí)。

人-機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)，仿真是關(guān)鍵。目前用于開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)有VRML、ActiveX、Flash和Java。采用這些技術(shù)及它們的結(jié)合，能滿(mǎn)足一般實(shí)驗(yàn)的仿真要求。如使用Java小程序?qū)?shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的二維輸出（通過(guò)儀器面板等）。用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML模擬實(shí)驗(yàn)的三維場(chǎng)景，能給人以身臨其境的感覺(jué)。而采用Java和VRML混合編程，則可以實(shí)現(xiàn)二維、三維場(chǎng)景的仿真，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的效果。用戶(hù)只需在客戶(hù)端安裝常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和用于瀏覽VRML場(chǎng)景的VRML插件即可對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作。常用的瀏覽器（如Internet Explorer）均帶有VRML插件。用戶(hù)在HTML頁(yè)面內(nèi)的Java小程序中輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù)，然后提交實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求。這時(shí)Java程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并繪制出二維輸出結(jié)果。與此同時(shí)，由VRML繪制的三維實(shí)驗(yàn)儀器也根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作相關(guān)變化。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于Web的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種新生事物，目前正處在發(fā)展壯大之中。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)具有投資少、效率高、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、界面友好、集成性強(qiáng)、不受時(shí)間空間限制等特點(diǎn)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)和遠(yuǎn)程教育的發(fā)展具有很高的實(shí)用價(jià)值和重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李仁發(fā)，周祖德，李方敏等.虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)研究[J].仿真學(xué)報(bào)，2002，14(2):359-362.

[2]謝維成，李富干.基于WEB的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27(1):69-72.

[3]諶志群，曾文華，丁穎.基于WEB的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22(6):53-56.

[4]曾正軍.基于Web的數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2006，（1）32-33.

[5]藍(lán)紅莉.基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，18(2):41-44.

[6]李琰.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(2):59-62.