基于校园网络的虚拟实验室的设计与研究

来源:用户上传      作者: 屈 泳

　　【摘要】随着虚拟现实技术和校园网络的发展,在基于校园网络的基础上,建立一个虚拟的实验教学环境,通过虚拟现实技术、计算机网络技术和数学建模技术等来实现实验教学环虚拟境。并通过校园网络实现实验教学等各项工作。
　　【关键词】虚拟实验室、B/S体系、WEB发布
　　【中图分类号】G420【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)05―0133―03
　　
　　一 概述
　　
　　实验教学作为高校教学工作的重要组成部分,对培养学生的动手能力、分析解决问题的能力、正确的思维方法及严谨的工作作风等起着不可替代的作用。然而,随着高校学生人数的不断增加,传统的实验教学手段由于受到教师资源、场地、仪器和设备的限制已经不能完全满足教学需要或者影响到了实验教学的质量。近年来国内外许多高等院校及科研机构纷纷提出了虚拟实验室的概念。虚拟实验就是利用鼠标的点击、拖动,将计算机上虚拟的各种仪器和设备,按照实验要求、过程组装成一个完整的实验系统,同时在这个系统上完成整个实验,包括实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。它突出了“软件即仪器”的新概念[1]。虚拟实验室就是虚拟实验运行的载体,使用虚拟实验的运行环境,将虚拟实验室推向网络应用,建立基于网络虚拟实验室可以大幅度降低实验室的建设和改造费用,并且可以提高教学质量和教学水平。目前随着虚拟仪器技术、计算机网络技术等信息技术的不断发展,以及校园网络化、信息化建设不断深入。建立基于校园网络的虚拟实验室是完全可行的,是测试技术教学实验的发展方向和国内外虚拟仪器领域研究的热点之一[2]。越来越多的人意识到虚拟实验室在教育领域的重要性,它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也有显著的作用。
　　
　　二 网络虚拟实验室的功能和特点
　　
　　基于校园网络虚拟实验室是指在软、硬件结合的前提下,用户通过校园网络访问虚拟系统,在各种虚拟实验环境下,运用各种虚拟实验仪器、仪表等设备,对建立起来的实验室模型进行实时仿真,构成十分逼真的虚拟教学环境[3]。基于校园网的虚拟实验室具有以下特点:(l)系统具有全交互特性,对用户的任何操作都能立即给出反馈。(2)系统具有资源共享特性,连接到Internet的每台机器,只要获得访问权限,都可以使用虚拟实验室提供的各种资源,进行实验操作,用户将不再受实际实验中的时空限制,可根据个人情况选择具体实验类型。(3)系统具有安全性,安全性是开放的、透明的、资源共享的虚拟实验环境所必需的保障条件。这个安全性不仅指保证访问虚拟实验室的用户机器、数据的安全,也指虚拟实验室能够禁止非法用户的访问。(4)用户自主性:用户可以制定自己使用的虚拟仪器的方式,允许用户采取必要的措施保护自己的数据、资料,用户具有充分的自主性。(5)扩展性:在当今的信息时代里,技术更新速度十分迅速,新型的、性能更优的仪器设备和技术更新周期越来越短。因此,虚拟实验室的硬件必须随时更新,软件也要随时升级,服务功能也要随时增加,基于校园网的虚拟实验室必须具备性能升级服务功能增加的特性。
　　
　　三 基于校园网的虚拟实验室的设计
　　
　　基于校园网的虚拟实验室系统的总体目标是设计实现一个在校园网上的虚拟实验室环境,利用校园网络和设备,将所提供的虚拟仪器、实验项目及内容放入建立的网站上。远程用户只需通过网络浏览器,而不需要其它的特殊软件,就可以登录到虚拟实验室的教学服务器上。事先在主页上列出所有可提供的实验项目,在相应的项目中显示该实验的有关内容,并同时提供具体的仪器列表和仪器设置功能。当用户选择了某个具体实验后,首先可利用所提供的实验内容进行实验预习并了解实验过程和此实验目的以及实验需要使用的仪器和仪器使用说明,然后开始实验的具体操作,用户可以根据具体实验的要求来设置仪器。从涉及的对象来看,基于校园网的虚拟实验室系统要解决虚拟仪器实验、实验报告以及网上实验室管理三大主要问题。学生是网络虚拟实验室的最终用户,每个用户在系统中都有唯一的ID号,作为其出入虚拟实验室的通行证,学生可以为自己的ID号设置密码,访问系统的登陆页面,输入各自的ID号和密码,即可成功登陆虚拟实验室系统,进行远程实验的相关操作。学生的每一步操作,都可以立即观察到其实验结果,当实验完成之后,学生可以保存其实验结果,并通过网络将实验报告提交给教师。教师作为虚拟实验室系统的特权用户,其主要任务是管理学生、发布实验内容、批改学生提交的实验报告、对实验报告进行打分和综合评价并指出其优点或不足之处,使学生从评语中对实验学习有更加深刻的认识。虚拟实验室的管理是网络实验教学得以实现的根本保证,网络教学与常规教学相比,具有分散性大、同步与非同步并存、交互与非交互都需要等特点。网络虚拟实验室系统中管理的信息,不仅包含常规教学系统中涉及到的教师、学生的各类管理信息,还包括各种实验教学资源和实验数据的管理,因此在网络虚拟实验室系统中,为了完成教学,需要研究和解决许多与管理相关的技术问题,例如:如何进行用户的身份验证;如何使学生通过浏览器访问到虚拟实验室并保证学生上网机器的安全性;如何接收学生提交的实验报告;并将其转换成静态网进行WEB发布。
　　基于WEB的浏览器/服务器(B/S)网络模式是实现网上虚拟实验系统的一种基本模式[5],虚拟实验室软件平台结构设计在B/S模式下,客户端用户只需要安装浏览器,其他的工作都在服务器端完成。采集系统仍是在主机上进行,用户可通过WEB浏览器与它相连,且能在本地看到与主机端一样的前面板,并获得完全的控制权。其他的使用者也能登录相同的网址监视整个实验室现场操作过程。为了减少冲突,保证客户能在操作时间内很好地进行实验,在一段时间内物理实验平台只能有一个用户获得控制权。B/S三层模式中,由客户端通过HTTP向WEB服务器发送WEB请求,WEB服务器能够自动地协调和处理来自多个客户端的请求,应用层的应用服务器负责处理业务逻辑和数据库访问,应用服务器定义并实现了和数据库的交互以及系统中的应用逻辑。
　　基于校园网的虚拟实验室需要软、硬件结合,最终达到整个真实实验所有功能的实现,而在硬件平台的基础上,软件平台是重要部分。而软件设计的难点和重点在于对虚拟实验室的数据库设计以及多媒体技术的使用。由于软件技术的进展,越来越多的软件功能变得越来越强大,从而减轻对技术人员的负担。虚拟实验室软件平台是整个虚拟实验室的基础,它是基于B/S网络结构的。基于校园网虚拟实验室有三种人员角色;实验室管理员、实验指导老师和学生。他们分别具有不同的权限。其中学生可以通过虚拟实验室进行实验学习、提交实验报告、提问及查看实验成绩等功能。实验指导老师可以通过虚拟实验室进行实验指导、批改实验报告、布置实验内容等功能。实验超级管理员作为实验室管理人员,具有最高权限。其主要功能为准备实验设备、安排实验时间和内容、发布实验内容和报告等等。
　　
　　
　　四 结论
　　
　　基于校园网的虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能,以前所未有的方式将学生和实验设备联系起来,为学生提供了一种崭新的实验方式。但是在此需要着重指出的是,虚拟实验只是实验教学的辅助手段,并不能完全取代实验的实际操作过程。开展虚拟实验教学一是起到管理者的作用,为灵活安排实验提供很好的支持;二是起到辅助教师的作用,通过校园网络和多种媒体形式的交互式虚拟实验手段达到形象、生动的实验教学目的。基于校园网的虚拟实验室的研究解决了很多实验条件限制的实验教学问题,为实验教学注入了新的活力,让实验教学延伸到了一个更广泛的空间,对远程开放实验教学的研究具有指导和借鉴意义。
　　
　　参考文献
　　[1] 吕克志. 基于校园网的虚拟实验室的研究与设计[J]. 应用安全,2008,(3): 89-90.
　　[2] 杨军. 基于校园网构建虚拟实验室[J].四川理工学院学报, 2008, 21 (10):49-52.
　　[3] 刘惠临.基于校园网的虚拟实验室的建立[J].安徽理工大学学报,2006, 26 (6):33-36.
　　[4] 刘莹.基于Web的虚拟实验室系统的研究与实现[D].成都:电子科技大学,2006.
　　[5] 王惠兰.基于B/S模式的网络虚拟实验室设计方法及实例研究[D].吉林:吉林大学,2005.
　　[6] 王群燕.基于网络的虚拟实验室的研究与构建[D].河南:河南科技大学,2007.
　　[7] 范永凯,林君.构筑基于网络的虚拟实验室[J].微型电脑应用,2001,(11):10- 12.

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