基于網(wǎng)絡平臺的虛擬實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

【摘要】基于網(wǎng)絡平臺的虛擬實驗系統(tǒng)就是從所建構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡平臺入手，對電類各門課程的實驗、實訓進行了系統(tǒng)的設計，達到遠程控制實驗、實訓及設計的目的；所采用的方法是學生在線登錄系統(tǒng)，按實驗、實訓項目從領料、連線、實驗操作及實驗結(jié)果記錄等全部過程由網(wǎng)絡平臺監(jiān)控完成，且還配以相應的測試系統(tǒng)；這樣的結(jié)果解決了遠程教學中由于實驗條件不平衡代來的教學難度瓶頸；網(wǎng)絡平臺在完善實驗、實訓的前提下，將進一步推廣到部分畢業(yè)設計中。

【關鍵詞】網(wǎng)絡平臺 虛擬實驗 三維界面 測試系統(tǒng)

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）41-0254-02

0引言

遠程教育在國內(nèi)外已經(jīng)開展了幾十年，從最初的電視、廣播教學到目前的網(wǎng)絡平臺教學，技術手段日趨成熟。目前，不僅遠程教育借助于網(wǎng)絡平臺教學，所有的教育系統(tǒng)都或多或少的使用網(wǎng)絡平臺進行教學，然而在遠程教育中最突出的矛盾就是實踐性環(huán)節(jié)，由于資源不足，且跟不上科技的發(fā)展速度，不僅實驗設備參差不齊，實驗效果和監(jiān)控手段也不夠完善。作者在90年代中期已開始嘗試用虛擬實驗軟件進行教學，但由于沒有網(wǎng)絡的支撐，只能在小范圍內(nèi)容進行教學。隨著網(wǎng)上教育的廣泛應用，基于網(wǎng)絡的虛擬實驗的研究逐漸被人們關注。虛擬實驗是現(xiàn)代創(chuàng)新教育的重要手段，是實現(xiàn)教學資源共享與優(yōu)化配置的重要方式。虛擬現(xiàn)實技術在教育領域有最廣泛的應用前景。隨著科技的不斷發(fā)展，基于網(wǎng)絡的虛擬實驗教學已在各類學校開展起來。2015年教育部首次批準了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。可見虛擬實驗在教學中的地位越來越重要。

網(wǎng)上遠程虛擬試驗系統(tǒng)的建設是現(xiàn)代創(chuàng)新教育的重要手段，是實現(xiàn)教學資源共享與優(yōu)化配置的重要方式。借助于飛速發(fā)展的網(wǎng)絡技術、現(xiàn)代通信技術和信息處理技術，網(wǎng)上虛擬實驗可以有效地利用各種教育資源優(yōu)勢，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)教育資源利用最大化。

本文所研究的是一個基于網(wǎng)絡平臺的虛擬教學系統(tǒng)，主要用于遠程教學系統(tǒng)中的實踐環(huán)節(jié)，不僅僅完成電類的各種實驗，而且還可進行課程設計和部分畢業(yè)設計的操作。本系統(tǒng)的主要特色有：

（1）易學易懂的教學過程。與單純的虛擬實驗系統(tǒng)不同，基于網(wǎng)絡平臺的虛擬教學系統(tǒng)是一種集教學、實踐、管理于一體的完整實踐教學系統(tǒng)，學生按賬號登錄后，可以先從選中的實驗項目開始進行理論復習，實驗過程由網(wǎng)絡教師以三維動畫的形式進行視頻教學，對操作過程及關鍵步驟進行詳細講解；（2）強大的管理系統(tǒng)。在基于網(wǎng)絡平臺的虛擬教學系統(tǒng)中，學生進行實驗操作時從數(shù)據(jù)庫中領料開始，從易到難搭建電路，并逐步進行測試，每一個步驟都由網(wǎng)絡教師進行監(jiān)控，并以文字進行提示，完成實驗后提交實驗結(jié)果，由網(wǎng)絡教師根據(jù)實驗進行批改；（3）靈活的更新手段，教師可在基于網(wǎng)絡平臺的虛擬教學系統(tǒng)中隨時更新授課內(nèi)容，并給學生布置階段性測驗，積極吸收與時俱進的新技術和新資源，在最短時間內(nèi)更新實驗項目和內(nèi)容。

1.系統(tǒng)平臺的總體設計

實踐性環(huán)節(jié)的教學主要是幫助學生理解課堂上的理論知識、培養(yǎng)動手能力的重要手段。傳統(tǒng)的實踐性環(huán)節(jié)的教學往往局限于實驗室內(nèi)，在時間和空間上對學生有所限制，同時也跟不上科技發(fā)展的步伐，現(xiàn)有的實驗設備不能及時更新，教師指導的時間和精力都有限等等。這些都限制了學生動手能力和自主學習能力的提高。

虛擬實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺的登錄界面如圖1所示，登錄身份分為4種，每一種身份注冊后由后臺管理員激活賬號，其中平臺用戶可為非在校師生的臨時用戶，所享有的權限有限。學生注冊一律按入學學號和姓名注冊，以便統(tǒng)一管理，如統(tǒng)一進行階段性測試和布置實驗任務等。

系統(tǒng)總體設計如圖2所示。圖中除第二個模塊內(nèi)容必須要按照箭頭指的方向走以外，其余2個模塊內(nèi)容都是可以獨立操作的。這為組織相應資源和創(chuàng)新帶了巨大的空間。

2.三大模塊的運行

2.1教學模塊功能

教學模塊功能是網(wǎng)絡虛擬實驗平臺的核心部分，該模塊的作用一是設計教師要組織實驗、實訓的具體內(nèi)容，從理論指導開始，該部分的理論指導不同于教材中從基本概念到公式建立和應用的過程，而是直接針對要做的實訓內(nèi)容將理論部分的精華在此進行總結(jié)，同時用三維視頻的方式演示實訓中的實驗過程，從對著原理圖開始領料，將元件插在接線板上，學生通過移動看到的是真實的印刷電路板，即使在視頻教學過程中，學生也可以隨時翻動畫面查看正面插件、反面接線的過程，如圖3所示。由圖可見教學模塊由三部分組成：最左邊是實訓項目列表，中間部分是原理圖和文字介紹，最右邊部分是三維視頻動畫，聲、圖、文并茂。這在很大程度上解決了遠程教育中師資力量缺乏，通過遠程實訓教學平臺，可以使成千上萬的學生非實時進行學習，還能詳細的看到實訓操作的全部過程，起到了費省效宏的作用。

該模塊的最大特色有：

（1）具有理論和實踐相結(jié)合的融通性；（2）界面操作靈活，學生可以任意滑動、暫停、結(jié)束播放過程，對難點內(nèi)容進行反復播放；（3）網(wǎng)絡平臺播放動畫往往由于文件大對網(wǎng)速和機型要求較高，因此在校園網(wǎng)外無法訪問三維動畫或視頻，而本系統(tǒng)采用特殊制作，三維動畫文件非常小，在網(wǎng)速較慢和機型配置較低的情況下播放流暢，翻轉(zhuǎn)自如。（4）每一位注冊教師均可根據(jù)當?shù)貙W生的實際情況獨立設置一套在線教學體系，靈活進行實時備課、授課、調(diào)整實訓內(nèi)容以及網(wǎng)上答疑等操作，而對整個系統(tǒng)的運行、操作及其他注冊教師的授課內(nèi)容不會有任何影響。

2.2實訓模塊功能

實訓模塊中主要是給學生提供實際操作的環(huán)境，學生根據(jù)任務列表或注冊教師提供的任務完成實訓操作的全過程。該模塊中仍然為不熟悉實訓原理和過程的學生提供了實訓的理論知識要點，實訓的原理圖隨時可以調(diào)用。設備和元件均為三維形式，與真實元件和設備非常相像，以便留給學員有一個真實環(huán)境的印象。在實際操作過程中，發(fā)現(xiàn)學生最不容易通過的是領料環(huán)節(jié)，對一個中等復雜的電路而言，元件和設備多達幾十種，每一種元件和設備必須嚴格按照電路圖上的標示、型號和參數(shù)對等才能領料成功，因此，對元件和設備不熟悉的學員將反復調(diào)用授課模塊中的三維動畫進行學習才能通過這一關。連線過程由于是在插件電路板的反面，看不見電路的布局，因此方向和節(jié)點錯誤也是最常見的。對中等以上復雜的電路連線完成接通電源后幾乎沒有一個是一次性通過的，均要進行反復修改，才能使電路正常工作。我們發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)上進行虛擬實驗操作所花費的時間比實際操作所花費的時間要長，那是因為學員不是在真實環(huán)境中操作，旁邊沒有教師隨時提醒錯誤環(huán)節(jié)，錯誤問題出現(xiàn)往往是接通電源后現(xiàn)象不正常才發(fā)現(xiàn)，需要自己從頭理清思路，檢查連線才能找到出錯的地方，但一旦找到問題所在，得到的收獲遠大于真實環(huán)境完成實訓的收獲。能力提高也更快。endprint

學員操作流程如圖4所示

2.3 管理模塊功能

本網(wǎng)絡平臺虛擬實驗系統(tǒng)與其他獨立環(huán)境下的虛擬實驗相比主要體現(xiàn)在其強大的功能上，遠程教育對網(wǎng)絡平臺的使用駕輕就熟，學員也習慣在網(wǎng)上進行學習、操作，現(xiàn)將虛擬實驗系統(tǒng)架構(gòu)在平臺上，學生只要按學號登錄，就直接可以進入到虛擬實驗的操作環(huán)境中。該系統(tǒng)實際是集理論教學、實踐教學、及強大的管理功能于一體的獨立完整體系，是理論與實踐相結(jié)合的最好的交互操作環(huán)境。

該系統(tǒng)的管理模塊分為3大類，教學管理、實訓管理和測試管理。教學管理中教師身份可以更新授課內(nèi)容，將最新的知識和最先進的技術補充到授課內(nèi)容中去，同時開發(fā)新的實驗內(nèi)容，建立新的實踐性環(huán)節(jié)的項目。

備課系統(tǒng)特色：選擇平臺理論目錄、選擇平臺實訓目錄、選擇平臺練習測試目錄、選擇我的PPT模板、選擇我的項目模板應用。教師的身份是實訓環(huán)節(jié)的核心和設計師，在組織一次實訓項目時，要考慮遠程教學中學生掌握知識的層次參差不齊，而要做到讓絕大多數(shù)學生通過實訓項目，就必須做好充分的學習支持服務所需要的資源，因此，就涉及到教師在備課的時候選擇什么方式來組織教學和進行實訓環(huán)節(jié)的順利開展。這是一個創(chuàng)新的過程，給教師的教學設計和教學方法代來巨大的空間，目前各個行業(yè)都在提倡創(chuàng)新和改革，教育理應走在前列。

實訓管理主要是管理學生實驗、實訓項目，監(jiān)控學生從領料、插件和連線以及測試結(jié)果的全過程，如果其中出現(xiàn)錯誤，網(wǎng)絡教師將及時提醒錯誤，提醒學生在制作過程中加以修改。

測試管理：一般系統(tǒng)中，服務器設置的考試時間通常題默認為5～10分鐘，超時就傳不上去，因此在服務器控制程序conn.asp中，將程序加入了如下的命令設置來控制考試時間和日期的有效性，以保證在長時間內(nèi)考題不失效：

Session.Timeout = 144000

Response.Cookies（"SessionID"）.Expires=date+36500

DbName ="./database/exam.mdb"

Set Conn=Server.CreateObject（"ADODB.CONNECTION"）

ConnStr="DBQ="+Server.Mappath（DbName）+"；DefaultDir

=；DRIVER={Microsoft Access Driver （*.mdb）}；"

Conn.Open ConnStr

試卷生成有兩種方案，一種是由教師自己命題發(fā)給學生進行測試；另一種是按章節(jié)或知識點建立題庫，在確定內(nèi)容和分數(shù)的前提下，由計算機隨機配題，每個考生所抽的題可完全不同，以避免考試雷同；另外系統(tǒng)還根據(jù)遠程教學的特殊性，解決了考生同時點擊某一答案時造成服務器死機的現(xiàn)象，解決了10萬人次同時點擊某答案時不死機的問題。

3.結(jié)語

四川廣播電視大學基于網(wǎng)絡系統(tǒng)平臺的虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)，為電類各專業(yè)實踐性環(huán)節(jié)提供了新型的教學手段。本文主要闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、平臺運行模式、實際操作過程的演示。分別從網(wǎng)絡教師授課、學生實訓操作和后臺管理等過程進行了介紹。不但解決了遠程教學中難以突破的實踐環(huán)節(jié)教學的瓶頸，充分實現(xiàn)了實踐教學在時間和空間的延伸，還為學生提供了一個強大的虛擬實驗實訓基地。本系統(tǒng)自運行以來，已經(jīng)過幾輪應用，受到廣大師生一致好評，系統(tǒng)也在不斷的完善中?；诰W(wǎng)絡系統(tǒng)平臺的虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)，使我校實訓項目不但應用于理工類部分專業(yè)，還新推出了文經(jīng)類的實訓項目，且正在逐步推進部分畢業(yè)設計在系統(tǒng)中完成。

參考文獻：

[1]吳羽，龍曉莉，陳新兵，張倩. 基于電工電子虛擬實驗教學平臺的實踐[J]. 中國教育技術裝備，2014（8）： 123-124

[2]牛芳琳，于玲，王瓊. 虛擬實驗平臺在電子線路教學的應用[J]. 遼寧工業(yè)大學學報（社會科學版），2014 16（6）：121-123

[3]謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].3版.武漢：華中科技大學出版社，2005

[4]張原，張昭，劉蕊. 基于MVC設計模式的虛擬實驗平臺模塊化設計[J]. 計算機工程與科學，2013.35（8）：125-129

[5]張歡，朱善安.基于MVC架構(gòu)的電工電子網(wǎng)絡實驗室的B/S[J].機電工程，2013，30（9）：1159-1163

作者簡介：

馮乃光（1962.07-），女，漢族，重慶市人，本科，四川廣播電視大學工程技術學院教授，主要研究方向為電子及計算機。endprint