基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建及應(yīng)用

孫慧影

【摘要】隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和校園網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)高校學(xué)生的實(shí)踐能力越來越重視，使建立虛擬實(shí)驗(yàn)室成為可能。針對(duì)傳統(tǒng)過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，學(xué)院引入了虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念。本文著重介紹了基于校園網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)王虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路，概述了虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)框架，對(duì)學(xué)院過程控制虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)進(jìn)行了初步探討，在此基礎(chǔ)上對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的前景有了明確的認(rèn)識(shí)，它是一種有效的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。

【關(guān)鍵詞】虛擬教學(xué) 校園網(wǎng) 組態(tài)王

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）02-0048-02

一、傳統(tǒng)過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，使教育改革的步伐也越來越緊迫，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革也是教育改革中非常重要的一部分。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)動(dòng)手能力，有必要將新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合理的運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)思維、實(shí)驗(yàn)方法、儀器用具、數(shù)據(jù)處理與誤差分析等方面進(jìn)行合理的改革，從而培養(yǎng)具有一定探索精神和自己解決問題的學(xué)生。這也是虛擬實(shí)驗(yàn)概念應(yīng)運(yùn)而生的另一個(gè)背景。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)及構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)技術(shù)原則

虛擬實(shí)驗(yàn)室描述了一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，致力于構(gòu)筑一個(gè)綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境。

虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)質(zhì)上是一個(gè)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在虛擬儀器中計(jì)算機(jī)處于核心地位，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)緊密地結(jié)合在一起，形成一種既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。本研究結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀以及存在的問題提出基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思路，并成功的應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中。

三、用組態(tài)王設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的思路及特點(diǎn)

組態(tài)軟件實(shí)際上是一個(gè)專為工控開發(fā)的工具軟件。組態(tài)軟件開發(fā)的系統(tǒng)具有與Windows一致的圖形化操作界面，非常便于生產(chǎn)的組織和管理。

組態(tài)王是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對(duì)象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它充分利用了Windows圖形功能設(shè)備，界面一致性好，易學(xué)易用。它所使用的PC機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)工程比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，同時(shí)還具有功能完備的人機(jī)接口界面和面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)環(huán)境，便于高效、快捷地把整個(gè)工藝過程構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動(dòng)畫的形式顯示各個(gè)控制設(shè)備的狀態(tài)。

基于校園網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)王虛擬實(shí)驗(yàn)室是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，是指在軟、硬件結(jié)合的前提下，用戶通過校園網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬系統(tǒng)，在各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、儀表等設(shè)備。它可以最大限度的利用學(xué)院有限的硬件資源。學(xué)院實(shí)訓(xùn)室以組態(tài)王控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，配以小型局域網(wǎng)，通過交換機(jī)，采用虛擬儀器和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)了教學(xué)設(shè)備的擴(kuò)展。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本特點(diǎn)有：

1.仿真性

實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)器件都是通過實(shí)驗(yàn)軟件在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行仿真，具有高度真實(shí)感。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作就如同置身于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)器件進(jìn)行操作，并且得到與真實(shí)設(shè)備相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.開放性

由于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備是基于對(duì)真實(shí)設(shè)備在計(jì)算機(jī)內(nèi)的仿真。所以實(shí)驗(yàn)過程不在受實(shí)驗(yàn)場地和時(shí)間限制。特別是能將實(shí)驗(yàn)環(huán)境建立在基于局域網(wǎng)的平臺(tái)上，任何學(xué)生只要在接入校園局域網(wǎng)的任一終端上便能使用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)生可方便地在網(wǎng)上進(jìn)行任一專業(yè)、 任一課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，并及時(shí)獲取與實(shí)驗(yàn)教學(xué)及管理有關(guān)的各種信息。有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和設(shè)施利用。

3.靈活性

在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)生比較容易根據(jù)自己的想法從事創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。仿真實(shí)驗(yàn)的引入，讓學(xué)生不僅可以充分利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析、處理傳輸及控制的強(qiáng)大功能，對(duì)方案進(jìn)行論證、 選定和電路的設(shè)計(jì)，而且可以隨時(shí)改變參數(shù)等來調(diào)整控制回路，使之更好地逼近設(shè)計(jì)要求得出較為理想的設(shè)計(jì)。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的搭建

基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)在校園網(wǎng)上的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，利用校園網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，將所提供的虛擬儀器、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上。用戶只需通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，而不需要其它的特殊軟件，就可以登錄到虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)服務(wù)器上。教師事先在主頁上列出所有可提供的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在相應(yīng)的項(xiàng)目中顯示該實(shí)驗(yàn)的有關(guān)內(nèi)容，并同時(shí)提供具體的儀器列表和儀器設(shè)置功能。當(dāng)學(xué)生選擇了某個(gè)具體實(shí)驗(yàn)后，首先可利用所提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?，然后開始實(shí)驗(yàn)的具體操作，用戶可以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)的要求來設(shè)置儀器。

學(xué)生是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的最終用戶，每個(gè)用戶在系統(tǒng)中都有唯一的ID號(hào)，作為其出入虛擬實(shí)驗(yàn)室的通行證，學(xué)生可以為自己的ID號(hào)設(shè)置密碼，訪問系統(tǒng)的登陸頁面，輸入各自的ID號(hào)和密碼，即可成功登陸虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的相關(guān)操作。當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成之后，學(xué)生可以保存其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交給教師。教師作為虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的特權(quán)用戶，其主要任務(wù)是管理學(xué)生、發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、批改學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行打分和綜合評(píng)價(jià)并指出其優(yōu)點(diǎn)或不足之處，使學(xué)生從評(píng)語中對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)有更加深刻的認(rèn)識(shí)。

（一）系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建

虛擬組態(tài)王控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)室硬件平臺(tái)框圖如圖1所示。

虛擬組態(tài)王控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)室主要有計(jì)算機(jī)直接數(shù)字實(shí)訓(xùn)裝置和仿真實(shí)訓(xùn)室組成。

1.直接數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置

直接數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置由現(xiàn)場對(duì)象單元、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、控制計(jì)算機(jī)組成（如圖1）?？刂朴?jì)算機(jī)完成控制器的作用，在計(jì)算機(jī)上安裝一個(gè)網(wǎng)卡，可實(shí)現(xiàn)與仿真實(shí)訓(xùn)室的連接。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)的控制過程：現(xiàn)場的變送器將被測參數(shù)按量程范圍轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)送到模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊將4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字信號(hào)送到直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算后送出數(shù)字控制信號(hào)，數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠接收的4～20mA的模擬信號(hào)送出，從而達(dá)到控制被測參數(shù)的目的。

2.仿真實(shí)訓(xùn)室

仿真實(shí)訓(xùn)室實(shí)際是一個(gè)小型的局域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)至少應(yīng)包含50臺(tái)以上的計(jì)算機(jī)，以保證至少一個(gè)班級(jí)使用。在各種控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上配備一個(gè)網(wǎng)卡，通過仿真實(shí)訓(xùn)室網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)訓(xùn)室與控制系統(tǒng)的連接。

（二）系統(tǒng)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能及搭建

基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室需要軟、硬件結(jié)合，最終達(dá)到整個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)所有功能的實(shí)現(xiàn)，而軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)在于對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)以及多媒體技術(shù)的使用。虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)，它是基于B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的?；谛@網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)室有三種人員角色：實(shí)驗(yàn)室管理員、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師和學(xué)生。他們分別具有不同的權(quán)限。其中學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、提問及查看實(shí)驗(yàn)成績等功能。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等功能。實(shí)驗(yàn)超級(jí)管理員作為實(shí)驗(yàn)室管理人員，具有最高權(quán)限。其主要功能為準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備、安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間和內(nèi)容、發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和報(bào)告等。

（三）虛擬組態(tài)王控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)室的基本功能

在組態(tài)王控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)室中，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體教學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)以下功能。

1.實(shí)現(xiàn)對(duì)各種控制系統(tǒng)的組態(tài)和計(jì)算機(jī)虛擬。當(dāng)對(duì)組態(tài)王控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)時(shí)，教師可以利用局域網(wǎng)中的教師機(jī)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行視頻教學(xué)，講解組態(tài)王系統(tǒng)的組態(tài)方法和步驟。

2.通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)結(jié)果的分析。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中控制器參數(shù)對(duì)控制過程的影響以及控制器的參數(shù)整定等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容只能在有限的特定的裝置上完成，實(shí)訓(xùn)效果差。采用網(wǎng)絡(luò)和虛擬儀器技術(shù)后，在主控計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)廣播教學(xué)軟件，學(xué)生可在自己的計(jì)算機(jī)上觀察分析實(shí)訓(xùn)過程曲線，并最后得出結(jié)論。

學(xué)院新建的基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室增強(qiáng)并擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，為學(xué)生提供了一種嶄新的實(shí)驗(yàn)方式。但需在此指出，虛擬實(shí)驗(yàn)只是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段，并不能完全取代實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過程。開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以起到輔助教師的作用，通過校園網(wǎng)絡(luò)和多種媒體形式的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)手段達(dá)到形象、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的?；谛@網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究解決了很多實(shí)驗(yàn)條件限制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)延伸到了一個(gè)更廣泛的空間。

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