陳永建，周 艷

(肇慶學(xué)院 電子信息與機電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室對教學(xué)模式改革的影響及其構(gòu)建

陳永建，周 艷

(肇慶學(xué)院 電子信息與機電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室是基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)的新型實驗室，它的構(gòu)建有效緩解了高校實驗設(shè)備條件的緊缺，大大節(jié)省實驗室資金投入。同時，利用LabVIEW設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室，實現(xiàn)了實驗室設(shè)備儀器的硬件共享和軟件共享，提高了實驗室的開放性和利用率，為高校教學(xué)模式改革提供新的發(fā)展方向。

網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室；LabVIEW平臺；教學(xué)模式改革；共享

電子技術(shù)是電子信息、電氣工程、自動化等電類專業(yè)和機械工程、車輛工程等非電類專業(yè)的專業(yè)必修課，由模擬電路和數(shù)字電路組成，具有較強的實踐性，實驗在課程教學(xué)中占有重要地位。然而，隨著各高校招生規(guī)模的不斷擴大，現(xiàn)有的實驗場地、實驗設(shè)備等對于維持常規(guī)實驗教學(xué)存在較大缺口。在面對成倍增加的教學(xué)任務(wù)時，教師采用單一的、傳統(tǒng)的教學(xué)模式會使得教學(xué)任務(wù)繁重、教學(xué)質(zhì)量和效果有所下降，因此，教學(xué)模式改革迫在眉睫。一方面，電子技術(shù)實驗室是理工科實驗室中使用最為頻繁的實驗室之一，由于大部分的電子元器件都屬于低值、易耗的實驗用品，這就使得實驗準(zhǔn)備工作、日常管理工作繁重。同時，若重新購置實驗設(shè)備、器材，前期資金投入過大，后期設(shè)備維護、管理的成本也將大為增加。另一方面，在進(jìn)行實驗時，由于學(xué)生對于實驗儀器的不熟練或是操作失誤、儀器設(shè)備接觸不良等原因，時常會出現(xiàn)觀察不到實驗結(jié)果，無法正確理解實驗原理，實驗結(jié)果與理論不符等問題。由于實驗時間、條件的影響無法重新設(shè)計實驗，這些問題在電類實驗，特別是模擬電路實驗中經(jīng)常出現(xiàn)，這將大大降低學(xué)生對電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)興趣，無法達(dá)到鞏固理論知識，鍛煉動手能力的實驗?zāi)康摹６覍τ谝恍┖?、遠(yuǎn)程教育的學(xué)生，很難找到時間、機會去實驗室做實驗。而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)無處不在。為了解決前述問題，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬電子實驗室應(yīng)運而生。

1 對教學(xué)模式改革的影響

1.1 幾種實驗手段的比較

目前，高校實驗課程主要采取實驗室實操實驗、單機仿真軟件實驗和網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室等手段，其中,前兩種是最主要的實驗手段。實操實驗是最基本、最普遍的實驗教學(xué)方法，通過實驗室實操練習(xí)，學(xué)生能了解并熟悉常用實驗設(shè)備、器材的使用方法，熟練掌握實驗的操作方法，并通過示波器等設(shè)備形象直觀地實時顯示實驗結(jié)果。但由于實驗室的硬件條件、實驗室開放時間和空間的限制等諸多因素，使得實操實驗越來越無法滿足日常教學(xué)需求，故而單機仿真軟件作為實操實驗的輔助在實驗教學(xué)中逐步開始使用。純軟件的仿真實驗只需要有一臺安裝相應(yīng)仿真軟件的計算機即可開始實驗，半實物仿真實驗則需要仿真軟件、實驗儀器、仿真驅(qū)動等。相比實驗室實操實驗，不論哪種仿真實驗都能大大節(jié)約實驗室投入與維護成本，提高實驗室使用率。而這種虛擬實驗要求每臺計算機都必須安裝仿真軟件或配備相應(yīng)的仿真儀器及其驅(qū)動，無法充分發(fā)揮實驗室資源共享的優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的產(chǎn)生就能彌補這一缺陷。根據(jù)虛擬實驗對象的不同，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室又分為純軟件式和半實物式。這兩類網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室既可以突破實驗室場地、條件、時間等因素的局限，又能利用網(wǎng)絡(luò)充分整合現(xiàn)有實驗室的硬件、軟件資源，并通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室平臺實現(xiàn)資源共享，讓學(xué)生最大可能在任何時間、任何地點都能進(jìn)行實驗操作。

1.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室對于教學(xué)模式改革的影響

所謂網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，是指以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)虛擬儀器對數(shù)據(jù)的采集、分析和遠(yuǎn)程操作的系統(tǒng)；或者是基于Web技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開放式、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有實驗室的數(shù)字化和虛擬化[1]。這兩種定義雖然側(cè)重點不同，前者側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的功能；后者注重于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的特點，但均指出了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是以計算機網(wǎng)絡(luò)為中心，實現(xiàn)實驗教學(xué)的遠(yuǎn)程控制與交互。這種新型實驗室的建設(shè)對于傳統(tǒng)教學(xué)模式改革有巨大的推動作用。一方面，它給教師提供了新的教學(xué)手段，使得教師在課堂理論教學(xué)中擺脫枯燥難懂的純理論講解，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室直觀形象地演示實驗，用實際的實驗數(shù)據(jù)或是圖形加深學(xué)生對于理論知識的理解，打破了“先理論，后實踐”的傳統(tǒng)做法，真正做到理論與實踐相輔相成。同時，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的開發(fā)也提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，預(yù)習(xí)實驗、實驗交流、實驗報告上交等模塊使得教師能方便快捷地指導(dǎo)學(xué)生實驗，批改實驗報告。另一方面，它開拓了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室實現(xiàn)了學(xué)生與實驗室零距離，使得學(xué)生能在任何時間、任何地點通過網(wǎng)絡(luò)做實驗，突破時間和地點的限制，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和自發(fā)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種教學(xué)模式突破了教與學(xué)的時間和空間限制，通過網(wǎng)絡(luò)將實驗室的儀器設(shè)備或是軟件實現(xiàn)共享，為教學(xué)模式改革提供了新的發(fā)展方向。另外，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建對于實驗室管理改革也有重要推動作用，不僅節(jié)約了實驗室資金投入，提高實驗室的開放性和利用率，還有效地規(guī)范和簡化實驗室管理模式，提高實驗室管理水平。

2 LabVIEW在網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室最核心的部分是虛擬儀器。虛擬儀器(virtual instruments，VI)的概念是由美國國家儀器公司(NI)提出的，是一種集成了硬件實驗系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、Web技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合平臺。由于其靈活、高效的開發(fā)特點，現(xiàn)已成為網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室構(gòu)建的最佳方案[2-3]。而作為虛擬儀器技術(shù)的主流開發(fā)平臺，LabVIEW軟件是一種圖形化編程語言，具有強大的網(wǎng)絡(luò)互連功能。LabVIEW的程序能方便地嵌入HTML網(wǎng)頁中，通過其自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，即用戶通過連接在網(wǎng)絡(luò)上的計算機就可以登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，在已發(fā)布的實驗VI上通過交互控制即可完成實驗，并能進(jìn)行預(yù)習(xí)實驗、上交實驗報告、實驗交流等操作，充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的思想。目前，LabVIEW已被廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研、測試和工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

電子技術(shù)實驗分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類，其中又可分成驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)以驗證性實驗為主，綜合性、設(shè)計性實驗為輔，目前，各高校實驗室以實驗臺、實驗箱為主要實驗教學(xué)設(shè)備已很難滿足綜合性、設(shè)計性實驗的需求，大大制約了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的構(gòu)建就解決了這一問題。首先，根據(jù)實驗教學(xué)大綱，本著壓縮驗證性實驗，增加綜合性、設(shè)計性實驗的原則，調(diào)整電子技術(shù)實驗項目，精選一些實用性強的、應(yīng)用普遍的典型實驗，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識[4]；其次，在LabVIEW平臺下設(shè)計各個實驗?zāi)K所需VI，設(shè)計者按照實驗內(nèi)容設(shè)計模塊所需的前面板，并通過程序框圖實現(xiàn)其功能；最后，將設(shè)計好的VI通過LabVIEW內(nèi)部的網(wǎng)頁發(fā)布功能嵌入到網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的網(wǎng)頁中，供學(xué)生點擊訪問。

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的構(gòu)建

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室按其實現(xiàn)模式可分為客戶端/服務(wù)器模式(C/S)、瀏覽器/服務(wù)器模式(B/S)[5]。C/S模式是網(wǎng)絡(luò)通信中常用的一種模式，如圖1所示。一般由客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，接收和發(fā)布數(shù)據(jù)，服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫來使用，每個客戶端基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫。該模式的客戶端需要安裝相關(guān)的客戶端軟件，數(shù)據(jù)傳輸頻繁，維護工作量大，雖然實現(xiàn)機制簡單，但不適合高校中的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)。

圖1 C/S模式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

B/S模式簡化了客戶端的工作，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集等開發(fā)程序放在服務(wù)器端。服務(wù)器按照功能分為Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，Web服務(wù)器主要用于處理客戶端請求，而應(yīng)用服務(wù)器則通過LabVIEW控制程序與實驗室儀器設(shè)備連接，這兩種服務(wù)器利用Datasocket進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[6-7]。用戶只需要在安裝有瀏覽器的計算機上點擊網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的網(wǎng)頁，進(jìn)入相應(yīng)的實驗?zāi)K即可控制、監(jiān)視遠(yuǎn)程的實驗儀器，或是通過軟件仿真來完成實驗，還可以進(jìn)行登錄系統(tǒng)、實驗報告上交、實驗交流等相關(guān)操作。這種模式主要開發(fā)工作都在服務(wù)器端，客戶端不存在開發(fā)和維護的問題，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。結(jié)合高校實驗教學(xué)的特點，采用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低對客戶端的要求，增強系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

圖2 B/S模式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的工作模式

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室有兩種工作模式：(1)軟件共享模式，即純軟件實驗?zāi)Ｊ剑m用于虛擬仿真實驗；(2)硬件共享模式，即半實物實驗?zāi)Ｊ?，主要用于實時測控實驗[8]。構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)平臺一般是兩種模式相輔相成、綜合應(yīng)用，既克服實際實驗中設(shè)備、環(huán)境、時間等實驗條件的限制，又增強虛擬仿真實驗中學(xué)生實際操作儀器的真實感。

兩種工作模式各有特點，可根據(jù)具體情況單獨應(yīng)用或是結(jié)合使用。軟件共享模式僅僅需要共享軟件，不需要調(diào)用儀器設(shè)備等硬件資源，不存在硬件控制問題，它有服務(wù)器端運行和客戶端獨立運行兩種運行方式。前者的程序是在服務(wù)器端運行，用戶只需通過瀏覽器提出控制程序的請求后即可進(jìn)行實驗；后者通過網(wǎng)絡(luò)將程序下載到客戶端，使得實驗操作不會受網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器狀態(tài)的影響，但由于程序無法訪問服務(wù)器的硬件資源，所以只適用于軟件共享模式。軟件共享模式的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 服務(wù)器端運行的軟件共享模式

硬件共享模式需要連接實驗儀器，例如數(shù)據(jù)采集卡、控制器、信號源、示波器等，通過LabVIEW程序控制、管理這些儀器，采集并處理實驗數(shù)據(jù)，是硬件共享模式的核心。同時，為了增強實驗操作的真實感，該模式還增加了多媒體輔助模塊，用實時的視頻和音頻效果來呈現(xiàn)實際實驗操作的過程，讓學(xué)生仿佛在實驗室實際操作儀器設(shè)備進(jìn)行實驗，有效地克服了軟件實驗中普遍存在的抽象、缺乏真實感的缺點。由于硬件共享模式實現(xiàn)了實驗室設(shè)備儀器的共享，實驗室的開放性和利用率大為提高，實現(xiàn)了真正意義上的“軟件即儀器”的理念。另外，該模式需要連接實驗儀器，這就要求客戶端實現(xiàn)單一控制，即在同一時刻只允許一個客戶端連接到該儀器，得到儀器控制權(quán)，故硬件共享模式只能是服務(wù)器端運行方式。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 硬件共享模式

硬件共享的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有軟件共享模式無法比擬的優(yōu)勢，但其硬件要求較高，需要協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中心、實驗教學(xué)管理、多媒體管理等部門，構(gòu)建難度較大。綜合考慮肇慶學(xué)院的情況，該方案的實現(xiàn)條件尚不成熟。軟件共享模式中的客戶端獨立運行的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室簡化了服務(wù)器端的功能，服務(wù)器提供VI下載，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)點擊下載實驗所需的相關(guān)VI，在本機進(jìn)行實驗操作。這使得實驗規(guī)模、效果不再受制于網(wǎng)絡(luò)，但會出現(xiàn)對客戶端要求較高，VI源程序需妥善保護等問題。服務(wù)器運行模式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室中，服務(wù)器運行LabVIEW程序，客戶端無需安裝LabVIEW開發(fā)平臺，簡單易用。用戶通過Web訪問網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室網(wǎng)頁，點擊相應(yīng)的實驗?zāi)K調(diào)用服務(wù)器中的VI前面板完成實驗操作。對于三種構(gòu)建模式，結(jié)合實驗教學(xué)的特點，這里采用軟件共享的服務(wù)器運行模式搭建網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室。

3.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的構(gòu)建

網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室分為系統(tǒng)管理、模擬電路實驗和數(shù)字電路實驗三個模塊。其中，系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)用戶管理、實驗教學(xué)資源管理，用戶管理包括用戶信息管理和用戶登錄管理。網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的用戶分為學(xué)生、教師、管理員三類，分別賦予一定的權(quán)限。其中，學(xué)生可進(jìn)行系統(tǒng)登錄，預(yù)習(xí)、申請實驗，實驗操作，下載、提交實驗報告，實驗提問等；教師進(jìn)入實驗平臺可進(jìn)行實驗指導(dǎo)、問題解答、批改實驗報告等操作。實驗教學(xué)資源管理包括實驗項目、實驗報告等模塊[9-10]。模擬電路實驗?zāi)K、數(shù)字電路實驗?zāi)K是網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室提供給學(xué)生的實驗平臺，LabVIEW設(shè)計的各個實驗?zāi)KVI是該模塊最重要的組成部分，共包括14個基礎(chǔ)性和綜合性實驗。鑒于LabVIEW采用模塊化編程的思想，各個實驗?zāi)K是以子VI的形式嵌入實驗系統(tǒng)中。這樣，當(dāng)有新的實驗項目或是對已有項目進(jìn)行修改時，只需要將設(shè)計好的新的子VI加入到實驗系統(tǒng)，或修改相應(yīng)的實驗?zāi)K即可，大大增加了實驗系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，有利于系統(tǒng)的維護與資源共享。

以單管放大器的實驗來說明網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的功能流程圖。首先，將設(shè)計好的單管放大器實驗VI放在服務(wù)器相關(guān)文件夾中，包括前面板和程序框圖。其次，打開LabVIEW，利用自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，將VI發(fā)布為HTML嵌入到網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室的平臺中。這里需要配置服務(wù)端的LabVIEW為Web服務(wù)器，將嵌有VI的HTML網(wǎng)頁放在Web服務(wù)器中以供學(xué)生瀏覽。最后，學(xué)生通過瀏覽器連接網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室，點擊進(jìn)入單管放大器實驗?zāi)K。這里需要客戶端安裝有LabVIEW 運行庫，若客戶端沒有安裝，則提示下載并安裝，之后再進(jìn)入實驗?zāi)K，獲得VI的控制權(quán)，進(jìn)行相關(guān)的實驗操作。功能流程圖如圖5所示。

圖5 單管放大器實驗?zāi)K的功能流程圖

4 結(jié)束語

基于LabVIEW構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬電子實驗室打破了傳統(tǒng)實驗手段中時間、地點、儀器設(shè)備等條件的限制，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段，實現(xiàn)了學(xué)生實驗無限制、與實驗儀器零距離，任何時間、任何地點都能通過網(wǎng)絡(luò)完成實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告上交、實驗交流等，改善了學(xué)生實驗條件，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，進(jìn)一步鞏固了學(xué)生的理論知識，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自發(fā)性和能動性。同時，也為高校教學(xué)改革提供了新思路和新的發(fā)展機遇。

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Network Virtual Electronic Laboratory’s Influence on the Teaching Mode Reform and Construction

CHEN Yongjian, ZHOU Yan

(College of Electronic Information and Electrical Engineering, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China)

Network Virtual Electronic Laboratory is new type laboratory based on computer networking technology, multimedia technology and virtual technology. It effectively remits the shortage of universities experimental installation condition, and saves the input of laboratory. Meanwhile, Network Virtual Electronic Laboratory designed on LabVIEW realizes hardware sharing of laboratory equipment and software sharing enhances open and use ratio of laboratory and provides a new direction of universities teaching mode reform.

network virtual electronic laboratory; LabVIEW platform; teaching mode reform; share

2013-11-07；修改日期: 2014-03-28

陳永建(1980-)，男，碩士，講師，研究方向：計算機控制，智能網(wǎng)絡(luò)。

TP393；G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.069