基于Web技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

孫澄宇 于軍 魯志海

1.吉林化工學(xué)院;2.山東京博控股集團(tuán)有限公司

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)因其具有交互性,直觀性、趣味性等優(yōu)點(diǎn)在教育領(lǐng)域不斷被應(yīng)用。本文利用Web技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了基于B/S基本框架的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)采用模塊化功能設(shè)計(jì)方法,利用Lab VIEW軟件仿真實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫離了時(shí)間和空間的限制。設(shè)計(jì)完成后,利用平臺(tái)進(jìn)行了模擬電路實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證其方案的可行性,并通過測(cè)試對(duì)比分析了虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

0 引言

實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生獲取知識(shí)的重要場(chǎng)所,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是對(duì)理論知識(shí)再理解和再深化的過程,是提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)的一個(gè)有效手段。近年來,隨著高校規(guī)模增加以及人才培養(yǎng)模式改革,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中存在的問題也日益凸顯,已經(jīng)難以滿足教學(xué)需要。為突破當(dāng)前教學(xué)中存在困局、強(qiáng)化教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié),一些高校開始著力尋求和拓展新的教學(xué)途徑[1-3]。網(wǎng)絡(luò)及虛擬技術(shù)的發(fā)展,給學(xué)校優(yōu)化教學(xué)資源、緩解教師壓力帶來新的教學(xué)手段,也給虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供契機(jī)。

1 高校虛擬實(shí)驗(yàn)室概述

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵

虛擬實(shí)驗(yàn)室是以Web網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享技術(shù)為依托,利用虛擬儀器構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)可以真實(shí)模擬出實(shí)驗(yàn)設(shè)備及場(chǎng)景,學(xué)生可利用虛擬儀器替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器,在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行操作與控制,達(dá)到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的目的。虛擬實(shí)驗(yàn)室無需依賴硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備,是一種由用戶界面、模塊化儀器、計(jì)算機(jī)硬件資源組成的具有數(shù)據(jù)分析功能的操控系統(tǒng)。

1.2 建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性

1.2.1 拓展教學(xué)手段的需要

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)拘泥于課堂,往往采用教師演示,學(xué)生觀看的教學(xué)方法,動(dòng)手能力受到束縛,理解不深,創(chuàng)造性不強(qiáng),學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以使教師和學(xué)生擺脫時(shí)間和空間上的限制,隨時(shí)隨地通過Web網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn),可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)積極性,提升自身學(xué)習(xí)和創(chuàng)造能力。

1.2.2 優(yōu)化整合教學(xué)資源的需要

隨著當(dāng)前各高校的不斷擴(kuò)招,教師數(shù)量與學(xué)生數(shù)量相差越來越大,有限的教學(xué)資源漸漸無法滿足教學(xué)要求,有的學(xué)校甚至沒有實(shí)驗(yàn)條件,只能提供給學(xué)生基本的理論知識(shí),與培養(yǎng)具有實(shí)用型人才的理念相背離。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以利用虛擬儀器代替實(shí)際設(shè)備,不僅能用更為靈活的教學(xué)模式圓滿完成課程教學(xué)的內(nèi)容,還能緩解學(xué)樣在資源、場(chǎng)地等方面的困境。另外,虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)還能實(shí)現(xiàn)不同院校之間的資源共享,合理利用和優(yōu)化資源,避免資源重建造成的浪費(fèi),減少經(jīng)費(fèi)支出。

1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的特征和優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相比,虛擬實(shí)驗(yàn)具有很多優(yōu)勢(shì)[4],具體如表1所示。

表1 虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的區(qū)別Tab.1 The difference between virtual experiment and traditional experiment

由此可見,虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅能降低實(shí)驗(yàn)成本,還能突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的束縛,提高教學(xué)直觀性和有效性, 帶給學(xué)生全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)過程,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性,提升整體的教學(xué)質(zhì)量。但就目前虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用來看,部分學(xué)校重程度還比較低,利用率不高。另外,還存在不同學(xué)校重復(fù)建設(shè)的情況,共享和專業(yè)融合程度低,資源浪費(fèi)嚴(yán)重,不能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此除了教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變外,還要大力提高虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,使學(xué)生和教師認(rèn)清虛擬實(shí)驗(yàn)的重要性。

2 基于Web技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)本單位實(shí)際設(shè)計(jì)本于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),平臺(tái)為B/S三層結(jié)構(gòu),如圖1所示。在用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí),首先通過Web 服務(wù)器發(fā)送登陸申請(qǐng),驗(yàn)證通過后登陸虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。然后用戶通過人機(jī)交互界面選擇虛擬儀器,按照實(shí)驗(yàn)步驟開始具體操作,實(shí)驗(yàn)完成后平臺(tái)可將分析結(jié)果反饋到Web服務(wù)器,最后在用戶端進(jìn)行展示,讓學(xué)生查看實(shí)驗(yàn)效果。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的框架結(jié)構(gòu)Fig.1 The frame structure of the virtual laboratory

2.2 Lab VIEW軟件介紹

Lab VIEW是一種基于數(shù)據(jù)流和面向?qū)ο蟮膱D形化編程軟件,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀表顯示和程序控制等功能,所開發(fā)的模型稱為虛擬儀器,因此非常適合開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5-6]。Lab VIEW采用流程框圖代替代碼進(jìn)行編程,能高度模擬實(shí)際儀器的外形與操作方式,并可通過連接功能模塊使多個(gè)數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)同步操作。Lab VIEW程序由界面和程序框圖兩部分組成,界面指的是在程序的前面板,作用是放置控制按鈕和顯示控件,等同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的外部按鈕[7]。程序框圖相當(dāng)于程序的后臺(tái),是虛擬實(shí)驗(yàn)的核心,是用于控制前面板中的對(duì)象的程序的源代碼,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)部功能相同,不同之處在于程序框圖能依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)流程

(1)確定方案,設(shè)計(jì)界面。首先按照設(shè)定好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,選擇需要用到的實(shí)驗(yàn)器材,選擇連接通道與各輸入輸出控件。然后設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù),為各器材和插件賦值。

(2)設(shè)計(jì)程序框圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體需求,選用所需的程序函數(shù)和邏輯結(jié)構(gòu),將界面中的設(shè)備進(jìn)行連接,并對(duì)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行分析處理,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,形成一個(gè)完整的程序框圖編程。

(3)運(yùn)行和調(diào)試。運(yùn)行設(shè)計(jì)好的程序框圖,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,并對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行改正、優(yōu)化及調(diào)試,直到得出正確結(jié)論。

2.4 虛擬實(shí)驗(yàn)室功能設(shè)計(jì)

2.4.1 用戶登錄

登錄是用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面,用戶按照用戶名、密碼、身份信息進(jìn)行驗(yàn)證,當(dāng)輸入信息與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的個(gè)人信息完全匹配時(shí)顯示登錄成功。以學(xué)生用戶為例,當(dāng)通過身份驗(yàn)證后,進(jìn)入用戶界面。主要分為模擬電路、數(shù)字電路、電路基本理論以及實(shí)驗(yàn)成績查看等模塊,如圖2所示。

圖2 用戶界面Fig.2 User interface

2.4.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

以模擬電路模塊為例,其中包括單管放大電路、RC振蕩電路以及半波整流電路,其程序框圖如圖3所示[8]。

圖3 模擬電路程序框圖Fig.3 Block diagram of analog circuit

3 教學(xué)效果測(cè)試

為研究虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)效果,學(xué)校中選擇知識(shí)程度相似的A、B兩個(gè)學(xué)生班組進(jìn)行對(duì)照測(cè)試,每組20名學(xué)生。其中A組在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),B組則利用所開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)周期為10學(xué)時(shí)。學(xué)習(xí)完成后,采用相同考核辦法對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)。成績結(jié)果如表2所示。

表2 不同教學(xué)方式成績對(duì)比Tab.2 Comparison of achievements in different teaching methods

測(cè)試結(jié)果表明,采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生平均分?jǐn)?shù)為91分,比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式提高了11%左右;另外,采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生及格率為95%,比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式提高了12%左右,由此可見,虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績,具有更好的教學(xué)效果,本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)合理、有效。

4 結(jié)論

基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室是利用虛擬設(shè)備和虛擬操作環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),不僅可以為學(xué)校優(yōu)化教學(xué)資源、緩解資金和教師缺乏等問題壓力,還為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展了新的教學(xué)途徑。通過虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí),學(xué)生可以自由支配自己的學(xué)習(xí)時(shí)間,提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。通過實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相比,具有更好的教學(xué)效果。

引用

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