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摘要：介绍了虚拟实验室的建设策略与关键技术，包括虚拟实验室的系统平台结构、组成部分设计和开发方式等，提出了虚拟实验室元器件库的建模方法、网络化平台方案、Web技术的运用方法和虚拟实验室管理平台设计方式，为开发工科类课程虚拟实验室提供了技术支持和理论基础。
关键词：虚拟实验室；建设策略；虚拟元器件库；实验教学
作者简介：王健（1976-），男，辽宁旅顺人，沈阳工程学院信息工程系，副教授；王庆利（1960-），男，辽宁沈阳人，沈阳工程学院信息工程系主任，教授。（辽宁?沈阳?110136）
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0115-02
一、虚拟实验室研究的意义与建设策略
虚拟实验方式能够综合利用计算机技术和虚拟现实技术，辅助实验教学或完成在传统教学中无法实现的实验条件和实验内容，提高实验教学质量。虚拟实验室结合Internet网络技术，突破传统实验室对“时间、空间”的限制，缓解高校实验经费、实验教学资源不足的现状。使用者可以通过虚拟实验系统完成实验内容的学习和操作实践，多层次、多角度地对实验设计和结果进行分析，然后再回到真实的实验室进行实践检验。这样既节省了实验时间，又提高了实验效率，促进了创造性思维的发展。网上虚拟实验室的开发与应用将会对实验教学改革产生变革性的影响。
1.虚拟实验室研究的意义
虚拟实验室的特点主要包括以下几方面：
（1）提高学生学习效果。学生可以在正式实验前，在虚拟实验室对实验原理、实验流程、实验数据分析方法进行预习，还可以在实验后，进入虚拟实验室复习实验，通过重复实验现象，增强对实验原理的理解。
（2）保护仪器设备。在虚拟实验室中，对虚拟设备设置了过限保护，如最大电压、最大电流等，即便学生误操作，只会“损坏”虚拟设备，同时给学生发出警告，这样保护了实际的仪器设备资源。
（3）提高設备资源的利用率和共享性。虚拟实验采用基于Web的网络技术，虚拟实验装置将提供24小时的全天候在线服务，从而提高设备的利用率。不仅可以为本校学生提供教学服务，同时也可以为不具备实验教学硬件资源的院校和企业提供远程教学环境，形成资源广泛共享。[1]
2.虚拟实验室的建设策略
虚拟实验室的建设策略包括教学模式和学生交互式学习模式的设计、虚拟实验室的系统总体结构和各组成部分的设计。在设计过程中重点研究将Web网络编程技术、多媒体技术和虚拟技术相结合，构建虚拟实验室网络平台系统。系统主要包括硬件、软件及管理三个方面。
（1）硬件方面，目前多数院校已经建立了覆盖教室和学生寝室的校园网络并接入了互联网，校园网络中心也能够提供运行虚拟实验室网络平台的服务器，这些基础设施基本可以满足需求，不需要太多的投入。
（2）软件方面，包括虚拟实验室网络平台软件系统的开发和实验内容建设两部分。实验内容建设是虚拟实验室建设的关键。在实验内容建设方面针对不同的实验项目可采用动画、视频、图片、文字、声音等几种媒体表现形式有机地结合，设计出生动活泼的实验教学界面。还可以制作出一些交互式、具有沉浸感的内容，让学生从各个角度观察和学习计算机硬件组装与维护方法，仿佛身临其境，以便更好地理解学习内容。
（3）管理方面，在虚拟实验室网络平台上还应对虚拟实验设备、实验项目、实验报告、测验题目、实验成绩、实验指导等进行有效管理，并对学生在虚拟实验室的学习情况进行统计。
二、虚拟元器件库设计
以计算机组装与维护虚拟实验室为例，虚拟元器件库中的各个元器件主要为计算机的各个部件，每个部件具有多种型号，例如名称、品牌、容量、接口类型、外形等。将各个元器件分别定义为实体C1，C2，……，Cn，再将每种实体所包含的不同型号元器件及其各种属性定义为二维关系，形成如下的虚拟元件库存储模式。
R1（a11，a12，a13，……a1n）
R2（a21，a22，a23，……a2n）
……
Rn（an1，an2，an3，……ann）
在虚拟实验室中进行计算机组装实验时，元器件的装配关系阐述了各个元器件之间是以怎样的相对位置关系组装起来的，它表现了各个元器件的接口类型、自由度及相互约束关系。
在计算机组装虚拟实验中，元器件的装配关系可抽象为：在前面的存储模式中寻找一条路径，保证相互连接的元器件具有相兼容的属性。在元器件库中同一种元器件有多种不同型号和属性，若能够生产一个满足条件为Ci.Rx.axn=Cj.Ry.ayn=Ck.Rz.azn的集合，就意味着集合中的元器件Rx，Ry，Rz可以正确的组装在一起，不断在集合中添加符合条件的元器件，直至集合中的元器件能够包含一台计算机的全部硬件为止。
三、虚拟实验数据结构的设计
在虚拟元器件库设计的基础上，对虚拟实验所需的各种设备和器材进行数据结构设计，明确各设备和器材的组合关系以及连接属性。例如：存储器类（Memory）中可包括存储器容量、接口类型、读写速率、外观、尺寸、位宽等属性。设计类的目的主要是用于封装虚拟器件，以提供标准的仪器仪表的功能，为每种常用的设备或器材定义相应的实例。另外通过类中的方法可以实现对类中属性的安全操作，并为器件与实验系统的通讯提供统一接口，具体器件功能由所封装的虚拟器件实现。通过对整个虚拟实验系统的分析，设计了以下几种基类：
1.虚拟元器件类
用于模拟基本电路板的结构和操作事件。
2.通用器件类
用于封装虚拟元器件类，以提供标准的器件接口，实现器件的信号和引脚定义及其他可连线的方法。
3.虚拟操作类
用于定义虚拟实验中的各种操作，统一虚拟器件间的相互作用，设置多种操作路径和顺序。
4.虚拟界面类
用于封装各种器件的外观和多媒体信息。 5.虚拟实验类
用于对各个虚拟实验项目、所使用的虚拟元器件、操作方法、界面风格等进行设置和管理。部分实现代码如下：
public class majorinfo
{
private int id； //定义各种属性
private String name；
private String type；
private String intro；
……
public void setid（int newId） //定义有关方法
{ this.id = newId；
}
public majorinfo getmajorinfo（int id）throws Exception
{majorinfo major=new majorinfo（）； //定义虚拟操作等
while（major.next（））
……
}
四、Web技术的运用
1.虚拟实验室的网络平台
虚拟实验室网络平台系统的开发，主要采用基于MVC架构的JSP技术，具体可采用Struts框架或其他框架，开发工具选择对JSP支持较好的Eclipse。[2]Web服务器软件采用稳定性和经济型比较好的Tomcat，数据库服务器可采用免费且功能全面的MySQL。
2.虚拟实验室的实验内容
虚拟实验室应有具体的实验来支撑，否则网络平台就是一个空架子，形同虚设。在设计实验内容时充分利用3DMAX、Flash、流媒体、Virtools、虚拟现实、动态交互式网页等技术。例如在实验演示部分采用3DMAX或Flash制作各个实验的操作演示视频，在学生亲自操作时采用具有交互功能的Flash、动态交互式网页以及Virtools制作的仿真操作环境。[3]
以虚拟计算机组装实验为例，为使学生更好的观察和了解计算机主要部件的连接方式，可采用3DMAX设计出计算机各部件的三维模型，通过动画演示方式将分散的各个部件按计算机组装的正确顺序连接装配成一台完整的计算机。动画中通过旋转视图使学生可以从不同的角度观察组装过程及效果。三维动画效果截图如图1所示。
在软件实验中可采用VMware或Microsoft Virtual PC等虚拟机软件，在其中可以完成硬盤分区及格式化、安装操作系统、克隆软件的使用等一些对计算机具有一定破坏性或危险性的实验。在虚拟机软件中完成上述实验与在真实计算机中几乎完全相同，而且不会对真实计算机造成任何不良影响，可明显提高实验效率和教学效果。
五、虚拟实验室管理平台设计
虚拟实验的管理平台应包括对实验者、教师、实验项目、实验内容、虚拟元器件库的管理，以及对实验情况的统计。
学生可以凭用户名和密码登录虚拟实验室网进行虚拟实验操作，完成实验报告并提交到虚拟实验室中，最后完成在线测验题目。
教师可在线批阅学生提交的实验报告，统计学生在线测验的成绩。另外通过对每个学生登录后系统自动创建的Session对象记载学生在虚拟实验室学习的情况（如登录次数、累计登录时长、虚拟实验操作次数等），供教师查看和统计分析，教师可综合以上信息给出学生的实验成绩。
管理者可以添加或修改实验内容，在虚拟元器件库中添加新型号的元器件，可将元器件的技术参数、图片、视频资料等更新到虚拟实验室网络平台系统中，这样不必购买新元器件就可以让学生在虚拟实验中体验到新元器件的特点和操作方法。
在虚拟实验室中还可以设置实验答疑模块和学习论坛模块。由教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答，帮助学生顺利完成实验。同时了解学生对实验的掌握程度，并及时反馈、调整教学。学生可以将实验中的收获、经验、体会及问题发布到论坛上，教师可以将一些典型的问题提出来，供大家探讨。
六、结论
通过虚拟实验室进行实验，既可以缩短实验的时间，又可以获得直观、真实的效果，还能对那些不可见的结构原理和不可重组的精密设备进行仿真实训，避免真实实验操作带来的各种危险。虚拟实验室具有先进性和共享性，实验教学项目和虚拟实验元器件易于修改和扩充，减少了设备投入经费，使教学内容在虚拟的环境中不断更新，及时跟上技术的发展。
参考文献：
[1]肖随贵,曾惠芳.浅论计算机虚拟实验室的建设[J].教学与管理,2006,(10):143-144.
[2]刘浩.电力电子学网络虚拟实验室的设计与实现[J].实验技术与管理,2012,(4):92-94.
[3]刘丹,杨尚真.基于VRML的网络交互式虚拟实验室的开发[J].中国教育信息化,2008,(5):32-33.
（责任编辑：孙晴）
关键词：虚拟实验室；建设策略；虚拟元器件库；实验教学
作者简介：王健（1976-），男，辽宁旅顺人，沈阳工程学院信息工程系，副教授；王庆利（1960-），男，辽宁沈阳人，沈阳工程学院信息工程系主任，教授。（辽宁?沈阳?110136）
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0115-02
一、虚拟实验室研究的意义与建设策略
虚拟实验方式能够综合利用计算机技术和虚拟现实技术，辅助实验教学或完成在传统教学中无法实现的实验条件和实验内容，提高实验教学质量。虚拟实验室结合Internet网络技术，突破传统实验室对“时间、空间”的限制，缓解高校实验经费、实验教学资源不足的现状。使用者可以通过虚拟实验系统完成实验内容的学习和操作实践，多层次、多角度地对实验设计和结果进行分析，然后再回到真实的实验室进行实践检验。这样既节省了实验时间，又提高了实验效率，促进了创造性思维的发展。网上虚拟实验室的开发与应用将会对实验教学改革产生变革性的影响。
1.虚拟实验室研究的意义
虚拟实验室的特点主要包括以下几方面：
（1）提高学生学习效果。学生可以在正式实验前，在虚拟实验室对实验原理、实验流程、实验数据分析方法进行预习，还可以在实验后，进入虚拟实验室复习实验，通过重复实验现象，增强对实验原理的理解。
（2）保护仪器设备。在虚拟实验室中，对虚拟设备设置了过限保护，如最大电压、最大电流等，即便学生误操作，只会“损坏”虚拟设备，同时给学生发出警告，这样保护了实际的仪器设备资源。
（3）提高設备资源的利用率和共享性。虚拟实验采用基于Web的网络技术，虚拟实验装置将提供24小时的全天候在线服务，从而提高设备的利用率。不仅可以为本校学生提供教学服务，同时也可以为不具备实验教学硬件资源的院校和企业提供远程教学环境，形成资源广泛共享。[1]
2.虚拟实验室的建设策略
虚拟实验室的建设策略包括教学模式和学生交互式学习模式的设计、虚拟实验室的系统总体结构和各组成部分的设计。在设计过程中重点研究将Web网络编程技术、多媒体技术和虚拟技术相结合，构建虚拟实验室网络平台系统。系统主要包括硬件、软件及管理三个方面。
（1）硬件方面，目前多数院校已经建立了覆盖教室和学生寝室的校园网络并接入了互联网，校园网络中心也能够提供运行虚拟实验室网络平台的服务器，这些基础设施基本可以满足需求，不需要太多的投入。
（2）软件方面，包括虚拟实验室网络平台软件系统的开发和实验内容建设两部分。实验内容建设是虚拟实验室建设的关键。在实验内容建设方面针对不同的实验项目可采用动画、视频、图片、文字、声音等几种媒体表现形式有机地结合，设计出生动活泼的实验教学界面。还可以制作出一些交互式、具有沉浸感的内容，让学生从各个角度观察和学习计算机硬件组装与维护方法，仿佛身临其境，以便更好地理解学习内容。
（3）管理方面，在虚拟实验室网络平台上还应对虚拟实验设备、实验项目、实验报告、测验题目、实验成绩、实验指导等进行有效管理，并对学生在虚拟实验室的学习情况进行统计。
二、虚拟元器件库设计
以计算机组装与维护虚拟实验室为例，虚拟元器件库中的各个元器件主要为计算机的各个部件，每个部件具有多种型号，例如名称、品牌、容量、接口类型、外形等。将各个元器件分别定义为实体C1，C2，……，Cn，再将每种实体所包含的不同型号元器件及其各种属性定义为二维关系，形成如下的虚拟元件库存储模式。
R1（a11，a12，a13，……a1n）
R2（a21，a22，a23，……a2n）
……
Rn（an1，an2，an3，……ann）
在虚拟实验室中进行计算机组装实验时，元器件的装配关系阐述了各个元器件之间是以怎样的相对位置关系组装起来的，它表现了各个元器件的接口类型、自由度及相互约束关系。
在计算机组装虚拟实验中，元器件的装配关系可抽象为：在前面的存储模式中寻找一条路径，保证相互连接的元器件具有相兼容的属性。在元器件库中同一种元器件有多种不同型号和属性，若能够生产一个满足条件为Ci.Rx.axn=Cj.Ry.ayn=Ck.Rz.azn的集合，就意味着集合中的元器件Rx，Ry，Rz可以正确的组装在一起，不断在集合中添加符合条件的元器件，直至集合中的元器件能够包含一台计算机的全部硬件为止。
三、虚拟实验数据结构的设计
在虚拟元器件库设计的基础上，对虚拟实验所需的各种设备和器材进行数据结构设计，明确各设备和器材的组合关系以及连接属性。例如：存储器类（Memory）中可包括存储器容量、接口类型、读写速率、外观、尺寸、位宽等属性。设计类的目的主要是用于封装虚拟器件，以提供标准的仪器仪表的功能，为每种常用的设备或器材定义相应的实例。另外通过类中的方法可以实现对类中属性的安全操作，并为器件与实验系统的通讯提供统一接口，具体器件功能由所封装的虚拟器件实现。通过对整个虚拟实验系统的分析，设计了以下几种基类：
1.虚拟元器件类
用于模拟基本电路板的结构和操作事件。
2.通用器件类
用于封装虚拟元器件类，以提供标准的器件接口，实现器件的信号和引脚定义及其他可连线的方法。
3.虚拟操作类
用于定义虚拟实验中的各种操作，统一虚拟器件间的相互作用，设置多种操作路径和顺序。
4.虚拟界面类
用于封装各种器件的外观和多媒体信息。 5.虚拟实验类
用于对各个虚拟实验项目、所使用的虚拟元器件、操作方法、界面风格等进行设置和管理。部分实现代码如下：
public class majorinfo
{
private int id； //定义各种属性
private String name；
private String type；
private String intro；
……
public void setid（int newId） //定义有关方法
{ this.id = newId；
}
public majorinfo getmajorinfo（int id）throws Exception
{majorinfo major=new majorinfo（）； //定义虚拟操作等
while（major.next（））
……
}
四、Web技术的运用
1.虚拟实验室的网络平台
虚拟实验室网络平台系统的开发，主要采用基于MVC架构的JSP技术，具体可采用Struts框架或其他框架，开发工具选择对JSP支持较好的Eclipse。[2]Web服务器软件采用稳定性和经济型比较好的Tomcat，数据库服务器可采用免费且功能全面的MySQL。
2.虚拟实验室的实验内容
虚拟实验室应有具体的实验来支撑，否则网络平台就是一个空架子，形同虚设。在设计实验内容时充分利用3DMAX、Flash、流媒体、Virtools、虚拟现实、动态交互式网页等技术。例如在实验演示部分采用3DMAX或Flash制作各个实验的操作演示视频，在学生亲自操作时采用具有交互功能的Flash、动态交互式网页以及Virtools制作的仿真操作环境。[3]
以虚拟计算机组装实验为例，为使学生更好的观察和了解计算机主要部件的连接方式，可采用3DMAX设计出计算机各部件的三维模型，通过动画演示方式将分散的各个部件按计算机组装的正确顺序连接装配成一台完整的计算机。动画中通过旋转视图使学生可以从不同的角度观察组装过程及效果。三维动画效果截图如图1所示。
在软件实验中可采用VMware或Microsoft Virtual PC等虚拟机软件，在其中可以完成硬盤分区及格式化、安装操作系统、克隆软件的使用等一些对计算机具有一定破坏性或危险性的实验。在虚拟机软件中完成上述实验与在真实计算机中几乎完全相同，而且不会对真实计算机造成任何不良影响，可明显提高实验效率和教学效果。
五、虚拟实验室管理平台设计
虚拟实验的管理平台应包括对实验者、教师、实验项目、实验内容、虚拟元器件库的管理，以及对实验情况的统计。
学生可以凭用户名和密码登录虚拟实验室网进行虚拟实验操作，完成实验报告并提交到虚拟实验室中，最后完成在线测验题目。
教师可在线批阅学生提交的实验报告，统计学生在线测验的成绩。另外通过对每个学生登录后系统自动创建的Session对象记载学生在虚拟实验室学习的情况（如登录次数、累计登录时长、虚拟实验操作次数等），供教师查看和统计分析，教师可综合以上信息给出学生的实验成绩。
管理者可以添加或修改实验内容，在虚拟元器件库中添加新型号的元器件，可将元器件的技术参数、图片、视频资料等更新到虚拟实验室网络平台系统中，这样不必购买新元器件就可以让学生在虚拟实验中体验到新元器件的特点和操作方法。
在虚拟实验室中还可以设置实验答疑模块和学习论坛模块。由教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答，帮助学生顺利完成实验。同时了解学生对实验的掌握程度，并及时反馈、调整教学。学生可以将实验中的收获、经验、体会及问题发布到论坛上，教师可以将一些典型的问题提出来，供大家探讨。
六、结论
通过虚拟实验室进行实验，既可以缩短实验的时间，又可以获得直观、真实的效果，还能对那些不可见的结构原理和不可重组的精密设备进行仿真实训，避免真实实验操作带来的各种危险。虚拟实验室具有先进性和共享性，实验教学项目和虚拟实验元器件易于修改和扩充，减少了设备投入经费，使教学内容在虚拟的环境中不断更新，及时跟上技术的发展。
参考文献：
[1]肖随贵,曾惠芳.浅论计算机虚拟实验室的建设[J].教学与管理,2006,(10):143-144.
[2]刘浩.电力电子学网络虚拟实验室的设计与实现[J].实验技术与管理,2012,(4):92-94.
[3]刘丹,杨尚真.基于VRML的网络交互式虚拟实验室的开发[J].中国教育信息化,2008,(5):32-33.
（责任编辑：孙晴）