遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)研究與實(shí)踐

劉 偉，楊 奕，賀曉蓉

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，全國高校都注重學(xué)生素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，教學(xué)模式與社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展接軌，實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)越來越受到高校的重視。然而，隨著高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)的增加與實(shí)驗(yàn)場地和儀器設(shè)備套數(shù)的局限之間產(chǎn)生了日益鮮明的矛盾，特別是電力動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投入巨大，難以擴(kuò)充和更新；其次，教師指導(dǎo)學(xué)生的單位時間量與教學(xué)質(zhì)量的矛盾也難以調(diào)和。所以，建立基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺, 以現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)室設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)的探索勢在必行[1]。

1 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺研究

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是以互聯(lián)網(wǎng)、校園網(wǎng)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備為基本條件，用網(wǎng)絡(luò)將電氣動態(tài)模擬系統(tǒng)、電氣電子仿真軟件、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室等整合為一體完成部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建開放式、分布式、網(wǎng)絡(luò)化自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐平臺，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐操作一體化、虛擬仿真和真實(shí)環(huán)境一體化、教學(xué)過程與教學(xué)管理一體化[2]。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺呈分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，打破空間、時間的限制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享、內(nèi)容開放、實(shí)驗(yàn)信息交互。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺由電氣動態(tài)模擬系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、虛擬元件庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。不僅讓學(xué)生隨時進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺獲取實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的資料，并自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬儀器進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，還可以對學(xué)生實(shí)驗(yàn)的水平和預(yù)習(xí)質(zhì)量作出實(shí)時評價，同時解決了實(shí)驗(yàn)場地與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的擁擠、教學(xué)經(jīng)費(fèi)缺乏等問題，營造了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和移動學(xué)習(xí)的氛圍。

1.1 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺目標(biāo)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的核心是互聯(lián)共享、開放自主，其目標(biāo)是通過對教學(xué)模式、管理模式、交互方式等進(jìn)行全新建構(gòu)，形成自主、互動、開放的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理工作環(huán)境，這樣能較好地解決目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革過程中的幾個難點(diǎn)：1)復(fù)雜、昂貴實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺/套數(shù)不足和實(shí)驗(yàn)場地?fù)頂D；2)支撐學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的建設(shè)不足；3)缺乏實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法的動態(tài)組織、調(diào)整和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膭?chuàng)新。

1.2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺特點(diǎn)

1) 平臺虛實(shí)一體，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)化高度共享，有效解決復(fù)雜、昂貴的電力實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺/套數(shù)不足和實(shí)驗(yàn)場地?fù)頂D的問題。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，憑借實(shí)驗(yàn)室的動態(tài)模擬設(shè)備、虛擬設(shè)備，可以快速建成一個超越真實(shí)環(huán)境約束的大型虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，大大節(jié)省人力和物力。

2) 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺屬于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)式虛擬系統(tǒng)，具有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性和想象性[3]。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可體會到現(xiàn)實(shí)中無法體驗(yàn)的情境，同時避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作所帶來的危險(這在高電壓、大電流電力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中表現(xiàn)得尤為突出)，解除了思想壓力。

3)學(xué)生可通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，在更加廣闊的環(huán)境中，不受時間、空間的限制進(jìn)行學(xué)習(xí)，極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、積極性和主動性，對學(xué)生個性發(fā)展、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、全面素質(zhì)的提高產(chǎn)生積極的效應(yīng)。

4)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺具有開放性，能有力推動學(xué)校各實(shí)驗(yàn)中心、實(shí)驗(yàn)室之間，以及各學(xué)校之間的相互交流與協(xié)作，發(fā)揮各中心和院校的優(yōu)勢和特色，促進(jìn)新內(nèi)容、新方法和新技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，共同發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.3 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計是在Web技術(shù)、虛擬仿真和動態(tài)模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建出一個虛實(shí)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)環(huán)境，由電力動態(tài)模擬系統(tǒng)、電工電子虛擬仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)組成，采用B/S結(jié)構(gòu)，涵蓋電力系統(tǒng)自動化和電工電子類實(shí)驗(yàn)。在Web客戶端，學(xué)生可下載需要的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)資料、軟件資料或選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項目的教學(xué)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)；實(shí)驗(yàn)環(huán)境還提供實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能模塊，在Web客戶端界面中每個可視化的元件代表一種實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生通過鼠標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)操作，可以組態(tài)、修改、編譯和運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境還提供實(shí)驗(yàn)管理功能模塊，對學(xué)生預(yù)習(xí)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)水平做出實(shí)時評價。整個平臺的設(shè)計采用ASP.NET+SQL Server架構(gòu)，利用客戶端Javascript腳本控制實(shí)驗(yàn)過程，運(yùn)用服務(wù)器安全策略及客戶端Javascript驗(yàn)證技術(shù)，有效保證實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性。

2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)

1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料與實(shí)驗(yàn)軟件下載(如圖1所示)。以電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)為列，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺實(shí)驗(yàn)管理界面下載，內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。

圖1 學(xué)習(xí)資料下載網(wǎng)

①常用電子元器件的基礎(chǔ)知識和識別方法包括電阻、電容、電位器、電感、二極管、三極管、穩(wěn)壓管、可控硅、繼電器、蜂鳴器、各種開關(guān)等；

②常用儀器的使用包括萬用表、信號發(fā)生器、電源、示波器等；

③仿真軟件學(xué)習(xí)包括Pspice、EWB、MAXPLUS II等軟件；

④常用電子線路設(shè)計軟件包括protel99se到Altium designer 09各種版本軟件；

⑤所有實(shí)驗(yàn)項目的資料均采用圖文并茂的課件方式供學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

2)多媒體課件及相關(guān)工程應(yīng)用資料遠(yuǎn)程瀏覽(如圖2所示)。通過自主開發(fā)的“電工學(xué)歷史與發(fā)展互動演示平臺”提供大量電工發(fā)展歷程的視頻、音頻資料，同時提供實(shí)驗(yàn)多媒體課件及相關(guān)資料查詢。

3)網(wǎng)絡(luò)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開放建設(shè)(如圖3所示)。建立與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及工程運(yùn)用相關(guān)的各種資源庫，包括動畫、視頻、圖像、PPT、文本等，通過分級管理機(jī)制有效地調(diào)動老師、學(xué)生參與資源庫的建設(shè)，同時網(wǎng)絡(luò)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為廣大師生遠(yuǎn)程共享。

圖3 網(wǎng)絡(luò)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

4)電路遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)(如圖4所示)。實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)置通常分為老師預(yù)設(shè)和學(xué)生自行設(shè)計兩種。學(xué)生根據(jù)題目要求設(shè)計電路圖并連接，所選取的各個元器件的值在瀏覽器中可從當(dāng)前電路讀取并進(jìn)行比較，只有與電路中元器件當(dāng)前值一致才能被接受，且每個關(guān)鍵點(diǎn)的電路連接情況都傳送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，所以老師能根據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)點(diǎn)還原出學(xué)生連接的電路圖，以便查看。這樣既可以使學(xué)生擁有一個不受時間、地點(diǎn)限制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程可以被自動監(jiān)控。

圖4 模擬電路虛擬實(shí)驗(yàn)示例

5)電力系統(tǒng)實(shí)物動模實(shí)驗(yàn)(如圖5所示)。電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是以動態(tài)模擬實(shí)物系統(tǒng)為基礎(chǔ)，布置在學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心，發(fā)、輸、配部分為全實(shí)物，變電站為虛擬仿真系統(tǒng)，電力SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)全過程的監(jiān)控，并通過Web服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)布，學(xué)生在Web客戶端可以選擇實(shí)驗(yàn)、控制動模系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程。

圖5 電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面

6)網(wǎng)上預(yù)習(xí)與測試。屬于實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)子模塊，學(xué)生點(diǎn)擊進(jìn)入，選擇仿真實(shí)驗(yàn)或?qū)嵶鲗?shí)驗(yàn)并勾選實(shí)驗(yàn)名稱，根據(jù)平臺提示閱讀相關(guān)課件和資料，然后回答預(yù)習(xí)提問，達(dá)到額定分值后進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生按要求畫電路、設(shè)置元件參數(shù)、仿真，把相關(guān)數(shù)據(jù)分析、波形分析、誤差分析、實(shí)驗(yàn)體會等提交給老師，老師在線評閱，兩個工作日后給出分?jǐn)?shù)或者駁回要求學(xué)生重做，通過的學(xué)生才可以在網(wǎng)上預(yù)定該項實(shí)驗(yàn)的實(shí)作[4]。

3 應(yīng)用情況及實(shí)踐成效

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)有儀器說明、數(shù)據(jù)手冊、設(shè)計參考、教學(xué)課件、視頻資料、圖片資料、教學(xué)大綱、仿真軟件、精品軟件、實(shí)驗(yàn)教材，各類資源數(shù)量為1 700余個，總?cè)萘繛?00 GB；涵蓋大多數(shù)電氣電子實(shí)驗(yàn)課程以及部分實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容。為了開放、共享原有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、設(shè)備和軟件，我們以校園網(wǎng)絡(luò)為硬件基礎(chǔ)，開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備通信軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備互聯(lián)互通和動態(tài)重構(gòu)，真正消除實(shí)驗(yàn)設(shè)備孤島。從2004學(xué)年開始初步建設(shè)、運(yùn)行至今，實(shí)提供了平臺為30余門實(shí)驗(yàn)課程、100多萬人時的教學(xué)服務(wù)，取得了很好的效果。