【摘要】隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和校園網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在基于校園網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)學(xué)建模技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)虛擬境。并通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等各項(xiàng)工作。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn)室、B/S體系、WEB發(fā)布

【中圖分類號(hào)】G420【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2010)05—0133—03

一 概述

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)工作的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析解決問(wèn)題的能力、正確的思維方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等起著不可替代的作用。然而，隨著高校學(xué)生人數(shù)的不斷增加，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段由于受到教師資源、場(chǎng)地、儀器和設(shè)備的限制已經(jīng)不能完全滿足教學(xué)需要或者影響到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多高等院校及科研機(jī)構(gòu)紛紛提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念。虛擬實(shí)驗(yàn)就是利用鼠標(biāo)的點(diǎn)擊、拖動(dòng)，將計(jì)算機(jī)上虛擬的各種儀器和設(shè)備，按照實(shí)驗(yàn)要求、過(guò)程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)在這個(gè)系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬、分析。它突出了“軟件即儀器”的新概念[1]。虛擬實(shí)驗(yàn)室就是虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的載體，使用虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行環(huán)境，將虛擬實(shí)驗(yàn)室推向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，建立基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以大幅度降低實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和改造費(fèi)用，并且可以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。目前隨著虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及校園網(wǎng)絡(luò)化、信息化建設(shè)不斷深入。建立基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室是完全可行的，是測(cè)試技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向和國(guó)內(nèi)外虛擬儀器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[2]。越來(lái)越多的人意識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的重要性，它除了可以輔助高校的科研工作，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也有顯著的作用。

二 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能和特點(diǎn)

基于校園網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室是指在軟、硬件結(jié)合的前提下，用戶通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)虛擬系統(tǒng)，在各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、儀表等設(shè)備，對(duì)建立起來(lái)的實(shí)驗(yàn)室模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，構(gòu)成十分逼真的虛擬教學(xué)環(huán)境[3]?；谛@網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下特點(diǎn):(l)系統(tǒng)具有全交互特性，對(duì)用戶的任何操作都能立即給出反饋。(2)系統(tǒng)具有資源共享特性，連接到Internet的每臺(tái)機(jī)器，只要獲得訪問(wèn)權(quán)限，都可以使用虛擬實(shí)驗(yàn)室提供的各種資源，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，用戶將不再受實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的時(shí)空限制，可根據(jù)個(gè)人情況選擇具體實(shí)驗(yàn)類型。(3)系統(tǒng)具有安全性，安全性是開放的、透明的、資源共享的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境所必需的保障條件。這個(gè)安全性不僅指保證訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的用戶機(jī)器、數(shù)據(jù)的安全，也指虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠禁止非法用戶的訪問(wèn)。(4)用戶自主性:用戶可以制定自己使用的虛擬儀器的方式，允許用戶采取必要的措施保護(hù)自己的數(shù)據(jù)、資料，用戶具有充分的自主性。(5)擴(kuò)展性:在當(dāng)今的信息時(shí)代里，技術(shù)更新速度十分迅速，新型的、性能更優(yōu)的儀器設(shè)備和技術(shù)更新周期越來(lái)越短。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件必須隨時(shí)更新，軟件也要隨時(shí)升級(jí)，服務(wù)功能也要隨時(shí)增加，基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室必須具備性能升級(jí)服務(wù)功能增加的特性。

三 基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)在校園網(wǎng)上的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，利用校園網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，將所提供的虛擬儀器、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上。遠(yuǎn)程用戶只需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，而不需要其它的特殊軟件，就可以登錄到虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)服務(wù)器上。事先在主頁(yè)上列出所有可提供的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在相應(yīng)的項(xiàng)目中顯示該實(shí)驗(yàn)的有關(guān)內(nèi)容，并同時(shí)提供具體的儀器列表和儀器設(shè)置功能。當(dāng)用戶選擇了某個(gè)具體實(shí)驗(yàn)后，首先可利用所提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)并了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程和此實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皩?shí)驗(yàn)需要使用的儀器和儀器使用說(shuō)明，然后開始實(shí)驗(yàn)的具體操作，用戶可以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)的要求來(lái)設(shè)置儀器。從涉及的對(duì)象來(lái)看，基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)要解決虛擬儀器實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室管理三大主要問(wèn)題。學(xué)生是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的最終用戶，每個(gè)用戶在系統(tǒng)中都有唯一的ID號(hào)，作為其出入虛擬實(shí)驗(yàn)室的通行證，學(xué)生可以為自己的ID號(hào)設(shè)置密碼，訪問(wèn)系統(tǒng)的登陸頁(yè)面，輸入各自的ID號(hào)和密碼，即可成功登陸虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的相關(guān)操作。學(xué)生的每一步操作，都可以立即觀察到其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成之后，學(xué)生可以保存其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交給教師。教師作為虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的特權(quán)用戶，其主要任務(wù)是管理學(xué)生、發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、批改學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行打分和綜合評(píng)價(jià)并指出其優(yōu)點(diǎn)或不足之處，使學(xué)生從評(píng)語(yǔ)中對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)有更加深刻的認(rèn)識(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的管理是網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)得以實(shí)現(xiàn)的根本保證，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與常規(guī)教學(xué)相比，具有分散性大、同步與非同步并存、交互與非交互都需要等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中管理的信息，不僅包含常規(guī)教學(xué)系統(tǒng)中涉及到的教師、學(xué)生的各類管理信息，還包括各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理，因此在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，為了完成教學(xué)，需要研究和解決許多與管理相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，例如:如何進(jìn)行用戶的身份驗(yàn)證;如何使學(xué)生通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)到虛擬實(shí)驗(yàn)室并保證學(xué)生上網(wǎng)機(jī)器的安全性;如何接收學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告;并將其轉(zhuǎn)換成靜態(tài)網(wǎng)進(jìn)行WEB發(fā)布。

基于WEB的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)網(wǎng)絡(luò)模式是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一種基本模式[5]，虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在B/S模式下，客戶端用戶只需要安裝瀏覽器，其他的工作都在服務(wù)器端完成。采集系統(tǒng)仍是在主機(jī)上進(jìn)行，用戶可通過(guò)WEB瀏覽器與它相連，且能在本地看到與主機(jī)端一樣的前面板，并獲得完全的控制權(quán)。其他的使用者也能登錄相同的網(wǎng)址監(jiān)視整個(gè)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程。為了減少?zèng)_突，保證客戶能在操作時(shí)間內(nèi)很好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在一段時(shí)間內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只能有一個(gè)用戶獲得控制權(quán)。B/S三層模式中，由客戶端通過(guò)HTTP向WEB服務(wù)器發(fā)送WEB請(qǐng)求，WEB服務(wù)器能夠自動(dòng)地協(xié)調(diào)和處理來(lái)自多個(gè)客戶端的請(qǐng)求，應(yīng)用層的應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)，應(yīng)用服務(wù)器定義并實(shí)現(xiàn)了和數(shù)據(jù)庫(kù)的交互以及系統(tǒng)中的應(yīng)用邏輯。

基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室需要軟、硬件結(jié)合，最終達(dá)到整個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)所有功能的實(shí)現(xiàn)，而在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，軟件平臺(tái)是重要部分。而軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)在于對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及多媒體技術(shù)的使用。由于軟件技術(shù)的進(jìn)展，越來(lái)越多的軟件功能變得越來(lái)越強(qiáng)大，從而減輕對(duì)技術(shù)人員的負(fù)擔(dān)。虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)，它是基于B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的。基于校園網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)室有三種人員角色;實(shí)驗(yàn)室管理員、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師和學(xué)生。他們分別具有不同的權(quán)限。其中學(xué)生可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、提問(wèn)及查看實(shí)驗(yàn)成績(jī)等功能。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等功能。實(shí)驗(yàn)超級(jí)管理員作為實(shí)驗(yàn)室管理人員，具有最高權(quán)限。其主要功能為準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備、安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間和內(nèi)容、發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和報(bào)告等等。

四 結(jié)論

基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室增強(qiáng)并擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，以前所未有的方式將學(xué)生和實(shí)驗(yàn)設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，為學(xué)生提供了一種嶄新的實(shí)驗(yàn)方式。但是在此需要著重指出的是，虛擬實(shí)驗(yàn)只是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段，并不能完全取代實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過(guò)程。開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)一是起到管理者的作用，為靈活安排實(shí)驗(yàn)提供很好的支持;二是起到輔助教師的作用，通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)和多種媒體形式的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)手段達(dá)到形象、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的?；谛@網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究解決了很多實(shí)驗(yàn)條件限制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)延伸到了一個(gè)更廣泛的空間，對(duì)遠(yuǎn)程開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究具有指導(dǎo)和借鑒意義。

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