網(wǎng)絡(luò)化計算機專業(yè)虛擬實驗室的構(gòu)建與實現(xiàn)

　　摘要：針對當前很多高校實驗教學(xué)中存在問題和弊端，采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬建模技術(shù)構(gòu)建新型的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，不但解決了實驗教學(xué)中存在的問題，而且推動了高校實驗教學(xué)的改革發(fā)展和提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新實踐能力。
　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；計算機專業(yè)；虛擬實驗室
　　中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）28-6687-03
　　高等學(xué)校的實驗教學(xué)是高校教學(xué)中的一個重要組成部分，它是驗證書本所學(xué)知識重要方式，也是發(fā)展和提高學(xué)生的實踐動手能力和實踐創(chuàng)新能力的途徑。隨著高校招生規(guī)模的擴大和實驗內(nèi)容的發(fā)展，目前現(xiàn)有的實驗室越來越難滿足實驗教學(xué)的要求了。面臨這種問題存在，就必須讓我們對現(xiàn)有的實驗室的教學(xué)方式進行改革。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和虛擬技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室正好能夠解決我們實驗教學(xué)面臨的問題。
　　1 傳統(tǒng)實驗室面臨的問題和虛擬實驗室的特點
　　傳統(tǒng)實驗教學(xué)主要就是學(xué)生按照老師的指定到專門的實驗室進行實驗，在此過程中會面臨一些問題如下：
　　1）因為學(xué)生規(guī)模較大，實驗場所不能夠全部滿足每個學(xué)生，導(dǎo)致多人學(xué)生使用一套設(shè)備，或者因為時間上的沖突，導(dǎo)致實驗失敗。
　　2）因為教學(xué)經(jīng)費投入不足，實驗所需的設(shè)備成舊或者損壞，使得實驗教學(xué)無法進行。
　　3）目前實驗室設(shè)備過度使用或者維護不及時，或者有些實驗具有一點的損害性比如《計算機組裝與維修》實驗，使得實驗不能正常進行。
　　4）某些特殊的實驗，需要多臺計算協(xié)同工作并且需要特定的操作系統(tǒng)和軟件，按照傳統(tǒng)的實驗室的現(xiàn)狀是難以完成。
　　以上幾點都是傳統(tǒng)實驗教學(xué)上存在的問題，尤其出現(xiàn)在計算機專業(yè)實驗室中，這些問題嚴重的影響了實驗教學(xué)的效果和學(xué)生實踐動手能力的訓(xùn)練。計算機實驗室大致分為兩塊，一塊是計算機基礎(chǔ)實驗室，負責(zé)計算機信息基礎(chǔ)的教學(xué)和基本程序設(shè)計教學(xué)；另一塊計算機專業(yè)實驗室，負責(zé)特定的專業(yè)實驗，比如網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、單片機、接口、多媒體，計算機硬件等實驗。
　　網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是目前發(fā)展的實驗教學(xué)新模式，其定義是隨著多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展，把現(xiàn)實中的實際物品虛擬化嵌入到計算機網(wǎng)絡(luò)中，以網(wǎng)絡(luò)為平臺的而興起的新型實驗教學(xué)平臺。其具備了以下的幾大特點：
　　1）大大降低了實驗室建設(shè)資金的投入和實驗管理員的工作量，還能夠通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大型設(shè)備和特殊設(shè)備的共享，提高設(shè)備的使用效率。
　　2）解決了實驗場所不足，時間沖突的問題，而且避免設(shè)備的不足，損壞的現(xiàn)象，大大的降低了設(shè)備維護資金的投入。
　　3）虛擬實驗室在計算機專業(yè)實驗中能夠發(fā)揮特殊的作用，在一些不可逆實驗中能夠重復(fù)實驗，在網(wǎng)絡(luò)實驗中能夠讓學(xué)生清楚的看到數(shù)據(jù)包的走向和來源，還有在不知道實驗條件的情況下，不停的嘗試實驗，不用考慮實驗設(shè)備的損壞和實驗的危險性，大大的降低了實驗成本，而且能夠發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性。
　　2 虛擬實驗室的設(shè)計思想
　　當前，虛擬實驗室主要能夠?qū)崿F(xiàn)采用虛擬技術(shù)把實際試驗所需要所有的設(shè)備以及試驗所需的實驗環(huán)境做成仿真的計算機模型和背景，然后通過這些模型在網(wǎng)絡(luò)上完成實驗項目，并且得到相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。所以，我們采用現(xiàn)在比較流行的B/S結(jié)構(gòu)，基于Internet開發(fā)，以TCP/IP技術(shù)實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間相互通信?；贐/S的虛擬實驗室從功能上可以分為三層結(jié)構(gòu)（如圖1），分別為：數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層。
　　在B/S模型中每一層都有不同的功能，數(shù)據(jù)存儲層主要指的是數(shù)據(jù)庫，當然包括了表、視圖、存儲過程、觸發(fā)器等數(shù)據(jù)對象；業(yè)務(wù)邏輯層主要是對用戶提交的指令及數(shù)據(jù)做校驗，再加工后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲層，或者將數(shù)據(jù)存儲層的數(shù)據(jù)提取后返回給表示層；表示層的主要職責(zé)就是為用戶提供信息以及翻譯用戶的指令。
　　我們采用以B/S模型結(jié)構(gòu)開發(fā)，主要的因為它具有分布廣的特點，業(yè)務(wù)擴展性強，后期便于維護和升級，對客戶機沒任何要求，只要具有瀏覽器即可。
　　3 虛擬實驗室實現(xiàn)的技術(shù)
　　虛擬實驗室設(shè)計所需硬件設(shè)備很簡單，只要幾臺高性能的服務(wù)器，關(guān)鍵難點和重點是軟件編程和實驗設(shè)備虛擬建模。
　　1）虛擬實驗室的總體平臺是以 visual studio 2010開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，采用C#.NET語言進行研發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL server 2008 為后臺數(shù)據(jù)庫。.Net是微軟推出的一門技術(shù)，它是一個技術(shù)平臺，基于這個平臺進行開發(fā)可以簡化很多工作。.Net的主要優(yōu)點有跨語言，跨平臺，安全，以及對開放互聯(lián)網(wǎng)標準和協(xié)議的支持。在.Net Framework底層框架的支持下，.Net和SQL server數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)無縫銜接，能夠更好的實現(xiàn)B/S結(jié)構(gòu)的軟件平臺。
　　2）實驗設(shè)備虛擬建模，我們采用利用VRML技術(shù)用來描述三維的實驗器材及其行為，VRML本身是一種建模語言，也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬世界， 可以集成文本、圖像、音響、MPEG影像等多種媒體類型，還可以內(nèi)嵌用Java、ECMAscript等語言編寫的程序代碼。VRML的基本目標是建立因特網(wǎng)上的交互式三維多媒體，基本特征包括分布式、三維、交互性、多媒體集成、境界逼真性等。同時配合3DMAX技術(shù)來建立一套完整虛擬環(huán)境。
　　3）我們另外還要配合 ActiveX控件技術(shù)來調(diào)用器件模型、FLASH技術(shù)和LabView技術(shù)。其中LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。
　　4 虛擬實驗室功能模塊
　　虛擬實驗室功能主要分為四塊：學(xué)生模塊、教師模塊、管理員模塊、實驗室資源模塊（如圖2）。其中大致功能如下：
　　1）學(xué)生模塊：學(xué)生注冊，在線實驗，提交實驗報告單；
　　2）教師模塊：教師注冊，實驗批次管理，實驗項目管理，實驗報告單管理，在線導(dǎo)入教學(xué)文件，在線學(xué)生考勤；
　　3）管理員模塊：用戶認證管理，院系管理，班級管理，學(xué)生管理，學(xué)期管理，虛擬實驗元器件管理，數(shù)據(jù)庫管理等；
　　4）實驗資源模塊：專業(yè)實驗室介紹，規(guī)章制度介紹，實驗文檔的下載，在線交流等；
　　具備這幾大模塊，學(xué)生就可以在線進行計算機專業(yè)實驗，教師能夠在線安排實驗項目和在線批閱實驗報告單。管理員可以隨時管理用戶的身份驗證，班級和專業(yè)管理，同時能夠根據(jù)實驗需要增加所需要的選器件模型，以便實驗使用。學(xué)生還能夠在線了解每個實驗室的背景和規(guī)則制定，還能夠在線下載所需實驗文檔。同時遇到問題我們可以實現(xiàn)在線交流，第一時間來解決實驗中遇到的問題。
　　5 結(jié)束語
　　雖然網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室相比也存在點缺點， 但是網(wǎng)絡(luò)化計算機專業(yè)虛擬實驗室的構(gòu)建，它突破了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)受資金、時間和空間上限制的問題，給學(xué)生提供了全新的實驗方式，能夠促進學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力，是高校實踐教學(xué)發(fā)展的新方向。
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