在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣偉杰

(陽光學(xué)院 信息工程學(xué)院， 福州 350015)

在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣偉杰

(陽光學(xué)院 信息工程學(xué)院， 福州 350015)

設(shè)計(jì)了一種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)，該架構(gòu)基于B/S結(jié)構(gòu)，能夠集中管理實(shí)驗(yàn)資源，支持靈活擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在平臺前端能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，通過在服務(wù)器端運(yùn)行實(shí)驗(yàn)邏輯后反饋回前端展示實(shí)驗(yàn)的仿真過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，支持記錄和評定實(shí)驗(yàn)操作，并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)組成原理模型機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)例。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)平臺；B/S結(jié)構(gòu);模型機(jī)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在計(jì)算機(jī)上利用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)手段構(gòu)建高度仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，使用者可以在這個環(huán)境中模擬真實(shí)的環(huán)境并開展實(shí)驗(yàn)，完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的信息流動、甚至可以將不可見的微觀結(jié)構(gòu)以視覺方式展示，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受時空限制，并且可以完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化的重要組成部分，高校開展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互為補(bǔ)充，有利于提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平，提升學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)的自主性，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源[2]。近年來，教育部陸續(xù)建立了數(shù)百個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，同時國內(nèi)多家高校和企業(yè)也致力于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，形成了一系列虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和資源[3]。然而，現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅局限于較小的地域范圍，其開放性和實(shí)用性都還不夠，特別是難以適應(yīng)當(dāng)前大規(guī)模在線教育的環(huán)境和需求，暫無法形成良好的相互促進(jìn)。針對以上不足，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于B/S結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺具有良好的可擴(kuò)展性、交互性以及虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理功能。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺功能概述

實(shí)驗(yàn)平臺的主要功能包括實(shí)驗(yàn)資源分配、學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)、教師批改實(shí)驗(yàn)，可分為3種用戶：管理員、教師和學(xué)生。管理員用戶負(fù)責(zé)管理虛擬實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目，審核教師和學(xué)生用戶，搭配好實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、教師、學(xué)生三者之間的對應(yīng)關(guān)系等；教師用戶能夠在自己負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目范圍內(nèi)查看相應(yīng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄，包括完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的關(guān)鍵過程、時間，最后給出該學(xué)生在這個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上的成績評定；學(xué)生用戶可以進(jìn)入系統(tǒng)選擇需要完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)驗(yàn)界面上的交互元素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，查看并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，逐步完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還可以查看以往的實(shí)驗(yàn)記錄和實(shí)驗(yàn)成績。

2 平臺架構(gòu)與模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 平臺架構(gòu)

本文所實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)如圖1所示，由客戶端模塊、服務(wù)器端模塊、通信模塊及庫模塊等4部分構(gòu)成。用戶通過客戶端即瀏覽器登錄與服務(wù)器端進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)平臺功能。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)

2.2 庫模塊

庫模塊包括實(shí)驗(yàn)界面庫、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邏輯庫以及數(shù)據(jù)庫，其中實(shí)驗(yàn)界面庫、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邏輯庫使用面向?qū)ο蟮姆绞匠橄罅烁鲗?shí)驗(yàn)項(xiàng)目中組件的靜態(tài)屬性、動態(tài)屬性和對應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中的操作，實(shí)驗(yàn)界面庫由Javascript前端語言實(shí)現(xiàn)，服務(wù)對象為客戶端程序。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邏輯庫由服務(wù)器端語言實(shí)現(xiàn)，采用Webservice方式接入為服務(wù)器端程序提供服務(wù)，從而靈活掛接不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。數(shù)據(jù)庫內(nèi)主要有用戶表、實(shí)驗(yàn)記錄表、實(shí)驗(yàn)分配表等內(nèi)容，分別存儲對應(yīng)用戶類型和權(quán)限，學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、完成時間、實(shí)驗(yàn)成績、批閱教師，以及項(xiàng)目、教師、學(xué)生的對應(yīng)關(guān)系。

2.3 客戶端模塊

客戶端模塊采用HTML5+Javascript來實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行邏輯和實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)可視化，可分為數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、過程展示及交互方式3類功能。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)是指通過HTML5中的Canvas來繪制所調(diào)用的實(shí)驗(yàn)界面庫中的對應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組件和相關(guān)的數(shù)據(jù)；過程展示用來表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的動態(tài)過程，通過將當(dāng)前實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和服務(wù)器回發(fā)的結(jié)果狀態(tài)進(jìn)行比較，檢查數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化的組件，調(diào)用實(shí)驗(yàn)界面庫中相對應(yīng)的動畫效果，如數(shù)據(jù)流動、位置移動、顏色漸變等；交互方式提供了學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)的方式，如按鈕、拖拽、旋轉(zhuǎn)、連接、文本輸入等模擬推動實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的方式。

2.4 服務(wù)器端模塊

服務(wù)器端模塊由權(quán)限審核、項(xiàng)目選擇、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)判定以及實(shí)驗(yàn)記錄4個部分組成。權(quán)限審核針對用戶，為不同類型的用戶提供不同的界面和操作；項(xiàng)目選擇針對學(xué)生用戶，判斷當(dāng)前學(xué)生所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇掛接不同的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邏輯庫為其服務(wù)；實(shí)驗(yàn)狀態(tài)判定判斷學(xué)生是否進(jìn)行了有效的實(shí)驗(yàn)操作，判斷當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程；實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)庫部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，存儲或提取用戶信息、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)等內(nèi)容。

2.5 通信模塊

通信模塊包含通信協(xié)議、數(shù)據(jù)封裝程序、數(shù)據(jù)解析程序3塊內(nèi)容。通信協(xié)議制定和實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)操作過程中客戶端與服務(wù)器端的通信數(shù)據(jù)內(nèi)容，規(guī)定通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容包含用戶信息、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目信息、實(shí)驗(yàn)操作信息以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目狀態(tài)信息等內(nèi)容；數(shù)據(jù)封裝程序?qū)崿F(xiàn)通信內(nèi)容按照協(xié)議格式打包和發(fā)送；數(shù)據(jù)解析程序接受通信內(nèi)容，按協(xié)議讀取相應(yīng)的信息和調(diào)用對應(yīng)的程序模塊。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目概述

以計(jì)算機(jī)組成原理課程的模型機(jī)實(shí)驗(yàn)為例。在該實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生只是按照實(shí)驗(yàn)步驟用導(dǎo)線將各單元信號連接起來，然后按要求撥動開關(guān)，觀察各信號指示燈來完成實(shí)驗(yàn)，不能為學(xué)生提供計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程的直接感受[4-7]。而在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在指令執(zhí)行的過程中能夠讓系統(tǒng)根據(jù)要求動態(tài)顯示指令執(zhí)行時數(shù)據(jù)的變化和流動過程，可進(jìn)一步加深對指令執(zhí)行過程的理解[4]，從而更容易達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。本實(shí)驗(yàn)中的模型機(jī)以文獻(xiàn)[8]所提供的模型機(jī)為原型，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該模型機(jī)中ALU為運(yùn)算器，DR1和DR2為運(yùn)算數(shù)據(jù)鎖存器；A為累加器，CY是進(jìn)位標(biāo)志，ZD是零標(biāo)志；Ri為寄存器組(共4個8位寄存器)；PC為程序計(jì)數(shù)器，IR1、IR2為指令寄存器；M為內(nèi)存；uPC、uIR、uM分別為微程序計(jì)數(shù)器、微指令寄存器及微內(nèi)存；其他為這些部件的控制和時序信號。

圖2 模型機(jī)結(jié)構(gòu)

3.2 客戶端界面實(shí)現(xiàn)

模型機(jī)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能夠根據(jù)模型機(jī)所提供的硬件邏輯自行設(shè)計(jì)其微指令、微程序以及指令，實(shí)驗(yàn)界面不僅要能顯示模型機(jī)的部件、各個部件的數(shù)據(jù)及其控制信號，還需要支持學(xué)生自行編輯微指令和指令。因此，本文在實(shí)驗(yàn)界面庫的模型機(jī)實(shí)驗(yàn)中提供了模型機(jī)各部件的繪制坐標(biāo)、部件數(shù)據(jù)的顯示位置，同時還支持上傳自行編輯的指令和微指令二進(jìn)制代碼。在實(shí)驗(yàn)界面上還設(shè)置了指令執(zhí)行的操作方式，具體實(shí)現(xiàn)界面如圖3所示。

圖3 模型機(jī)實(shí)驗(yàn)界面

3.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邏輯

模型機(jī)的仿真實(shí)際上是硬件邏輯的仿真，是通過檢測當(dāng)前微指令中的微信號，根據(jù)微信號的值來控制數(shù)據(jù)在各個部件的寄存器中進(jìn)行流動和變化，最終改變寄存器中的數(shù)據(jù)。若按照6個時序來進(jìn)行仿真，則各個時序所對應(yīng)的微操作如圖4所示。

圖4 各時序?qū)?yīng)微操作

當(dāng)命令中需要執(zhí)行一條微指令時，硬件邏輯程序自動按照時序1至?xí)r序6的順序檢測微指令中對應(yīng)的微信號并完成相應(yīng)的微操作。

3.4 實(shí)驗(yàn)平臺與客戶端間的通信實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的通信內(nèi)容包含3部分，分別是模型機(jī)的指令內(nèi)容、客戶端交互操作對應(yīng)的命令類型和通信內(nèi)容的結(jié)束符。其通信格式按照數(shù)據(jù)封裝和解析模塊所制定的格式，即將模型機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)用“,”號隔開；通信內(nèi)容的最后部分是操作命令號，分別是0 表示單微操作，1表示指令執(zhí)行，2表示連續(xù)執(zhí)行。

4 結(jié)束語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代教育信息化的重要內(nèi)容，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然趨勢。本文提出的實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)具有靈活的擴(kuò)展性、用戶友好的交互性以及良好的開放性和實(shí)用性，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。同時，實(shí)驗(yàn)平臺的維護(hù)成本低、利用率高，易于整合優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足多地區(qū)、多學(xué)校和多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。本實(shí)驗(yàn)平臺基于B/S架構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤和反饋實(shí)驗(yàn)的操作過程，彌補(bǔ)在線教育課程在實(shí)踐類型課程方面的不足和缺陷，對當(dāng)今大規(guī)模在線教育的發(fā)展方面具有重要的意義。

[1] 李林,陳宇峰,李鳳霞,等.虛擬實(shí)驗(yàn)在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革中的研究[J].中國教育信息化,2017,(8):61-63.

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DesignandImplementationofaOnlineVirtualSimulationExperimentPlatform

JIANG Weijie

(School of Information Engineering, Sunshine College, Fuzhou 350015, China)

A virtual simulation experiment platform architecture is designed. This architecture is based on the B/S structure, and it can centrally manage lab resources, and support flexible extension experiment project. Experimental operation can be carried out at the front end of the platform, by running after experimental logic on the server side, back to the front to show the experiment simulation process and the experimental phenomena, and it also supports recording and evaluation of experimental operations. Finally, the paper realizes the virtual experiment example of computer component principle model machine.

virtual simulation experiment; experiment platform; B/S structure; model machine

2017-09-22

福建省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目“在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)”(2015SJSY02)

蔣偉杰(1981—)，男，福建仙游人，碩士，講師，主要從事智能計(jì)算、仿生算法、計(jì)算機(jī)視覺及圖像處理等方面研究，E-mail:2464614552@qq.com。

蔣偉杰.在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(12):156-159.

formatJIANG Weijie.Design and Implementation of a Online Virtual Simulation Experiment Platform[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):156-159.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.027

TP216

A

1674-8425(2017)12-0156-04

(責(zé)任編輯楊黎麗)