虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建與應(yīng)用

楊陽(yáng)

摘 要：虛擬實(shí)驗(yàn)室是并立與實(shí)體實(shí)驗(yàn)室而存在的一種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，它摒棄了實(shí)體實(shí)驗(yàn)室投資大、受時(shí)空約束的缺陷。本文通過網(wǎng)絡(luò)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，討論了幾種虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建的關(guān)鍵技術(shù)及教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；優(yōu)勢(shì)；搭建

1 引言

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種借助計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是獨(dú)立于實(shí)體實(shí)驗(yàn)室之外的一種科學(xué)研究方法。在實(shí)際的應(yīng)用中，學(xué)者根據(jù)不同的角度和不同的應(yīng)用范疇給出了不同的定義。

從技術(shù)角度上來看，虛擬實(shí)驗(yàn)室是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

從功能角度來看，虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)的交互環(huán)境，它由實(shí)驗(yàn)所依賴的模擬程序、實(shí)驗(yàn)單元、工具和參考資料組成。

從教學(xué)應(yīng)用角度來看，虛擬實(shí)驗(yàn)室是教師和相關(guān)設(shè)計(jì)者借助日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)結(jié)合起來，使得學(xué)生可以通過操作計(jì)算機(jī)來操作自定義的儀器，對(duì)被測(cè)試量進(jìn)行采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，充分利用了最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)模塊重組配置，異地實(shí)時(shí)操作，擴(kuò)展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的功能，促進(jìn)教學(xué)平臺(tái)的適用性和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的先進(jìn)性。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)

2.1 學(xué)習(xí)不受時(shí)空約束

不受時(shí)間及空間的限制，可以利用網(wǎng)絡(luò)教育提高教學(xué)效率。對(duì)于實(shí)驗(yàn)任務(wù)重、實(shí)驗(yàn)基地有限的中職院校而言，虛擬實(shí)驗(yàn)室有非常大的實(shí)用性。學(xué)生們無需到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室便可以完成專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)作業(yè)，并能根據(jù)教師的布置，從網(wǎng)絡(luò)上適時(shí)地從事實(shí)驗(yàn)，并從實(shí)驗(yàn)室老師那里得到及時(shí)的幫助。

2.2 節(jié)省資金，沒有損耗

可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入。目前中職院校普遍存在著實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入嚴(yán)重不足的問題，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有科學(xué)儀器的作用，提高使用效率，尤其是通過互聯(lián)網(wǎng)后能實(shí)現(xiàn)大型科學(xué)儀器的資源共享，避免了大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置、購(gòu)買和浪費(fèi)，并且虛擬實(shí)驗(yàn)室不存在設(shè)備老化問題。

2.3 開放性，效率高

虛擬實(shí)驗(yàn)具有開放性，因而容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及其他部件間的連接和重新組建，且組建系統(tǒng)的效率高。由于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，用戶往往只需經(jīng)歷一次組建工作。軟件技術(shù)是虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，虛擬儀器由于在組建上具有高效性與靈活性，能夠適應(yīng)測(cè)試功能的多樣化，以及可用表格、圖形快速準(zhǔn)確顯示結(jié)果，達(dá)到一機(jī)多用，從而具備了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的搭建及教學(xué)應(yīng)用

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建

Microsoft.NET是Microsoft XML Webservices平臺(tái)，它允許應(yīng)用程序通過Internet進(jìn)行通信和共享數(shù)據(jù)。.NET技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了開發(fā)、獲取、發(fā)布網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，同時(shí)增強(qiáng)功能和服務(wù)互用性、集成性和擴(kuò)展性。我們可以將LabView開發(fā)工具與.NET平臺(tái)相集成，將虛擬儀器的開發(fā)優(yōu)勢(shì)與.NET平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提供更快捷、更靈活、更安全的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室。搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)有：

⑴數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信中，常使用TCP/IP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。LabView開發(fā)系統(tǒng)包含網(wǎng)絡(luò)通信方面的工具包或方法。

⑵組件技術(shù)。組件技術(shù)是將大而復(fù)雜的應(yīng)用軟件分成一系列的可現(xiàn)行實(shí)現(xiàn)、易于開發(fā)、理解和調(diào)整的軟件單元，即組件。虛擬實(shí)驗(yàn)室中常用的組件有COM和DCOM組件、ActiveX組件和.NET組件等。

⑶CGI技術(shù)。CGI是各種應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)與WWW接口的方法和標(biāo)準(zhǔn)。利用CGI進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過相應(yīng)的開發(fā)工具開發(fā)CGI程序。當(dāng)客戶端發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，CGI程序在很短的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生并發(fā)送虛擬儀器的圖像映射。這些圖像映射中通常包含按鈕和開關(guān)等熱點(diǎn)區(qū)。當(dāng)學(xué)生在瀏覽器端點(diǎn)擊這些熱點(diǎn)區(qū)時(shí)CGI程序根據(jù)點(diǎn)擊區(qū)判斷用戶的輸入，并處理相關(guān)命令，然后將結(jié)果發(fā)回瀏覽器。當(dāng)用戶請(qǐng)求較多時(shí)，服務(wù)器就會(huì)過載，因此，適合一些簡(jiǎn)單、學(xué)生交互量少的應(yīng)用。

⑷Java技術(shù)。虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于網(wǎng)絡(luò)的，而且為不同的客戶端服務(wù)，因此，對(duì)安全性和平臺(tái)通用性要求極高。Java是一種面向?qū)ο蟮亩嗝襟w編程語言，具有平臺(tái)無關(guān)性、可移植性、安全性、多線程和交互式語言等特點(diǎn)。開發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室主要涉及的Java技術(shù)包括JavaApplet、AWT和SWING、JSP與Servlet。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，還需要考慮其它技術(shù)，如網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)，需要一個(gè)專門的網(wǎng)站對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理，包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、虛擬儀器的發(fā)布、維護(hù)、升級(jí)和培訓(xùn)等服務(wù)。實(shí)驗(yàn)者可以選擇網(wǎng)站中已經(jīng)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)，也可以根據(jù)網(wǎng)站中提供的虛擬儀器自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。另外，數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)、協(xié)同實(shí)驗(yàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等都是構(gòu)建時(shí)必須考慮的因素。

3.2 教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的作用可分為三類：一是為進(jìn)行真正的實(shí)驗(yàn)（或操作）做準(zhǔn)備練習(xí)；二是替代傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)室；三是對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和現(xiàn)象進(jìn)行分析。因此，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的規(guī)劃中，應(yīng)大力開發(fā)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，突出以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，重視交互操作的過程，強(qiáng)調(diào)情景創(chuàng)設(shè)的效果。網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，還必須按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律，結(jié)合學(xué)校當(dāng)前實(shí)際情況，逐步建立起功能完善的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。

[參考文獻(xiàn)]

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