導語：如何才能寫好一篇虛擬實驗室，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：虛擬實驗室；NS2；B/S

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)22-759-02

Research on Network Virtual Laboratory

LI Jun

(College of Computer Science and Technology, Wuhan University of Science & Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract: The paper presents a virtual laboratory under Web environment. The main structure and working process in the system are discussed. In the end, the practical scheme to realize is provided.

Key words: virtual laboratory; NS2; B/S

1 引言

近十年以來，Internet網絡已成為當今世界上覆蓋面最廣、規(guī)模最大、信息資源最豐富的信息網絡?；ヂ?lián)網技術在快速發(fā)展，各種新技術層出不窮，掌握這些新技術非常必要。對這些知識的學習，如果只停留在理論和書本上，將是非常抽象的，理解起來很困難。要很好地掌握計算機網絡的理論知識，并把這些知識應用到實際中，就必須進行大量的實驗。

對于計算機網絡實驗，涉及到交換機、路由器等設備，這些設備如果只通過圖片來展示，要求學生有良好的空間想象能力，即便如此，學生也不可能獲得切實的感受，也就更不用說理解網絡的結構了。此外，計算機網絡實驗使用的設備一般都比較昂貴，而且新的設備也不斷推出，要不斷更新這些設備將是很大的開銷。所以研究開發(fā)一個計算機網絡實驗系統(tǒng)來輔助教學就變得非常必要。

網絡虛擬實驗是指利用互聯(lián)網絡資源，使用仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術等手段，完成實驗的各個環(huán)節(jié)和過程。具體說來，用戶使用虛擬軟件，在Web中創(chuàng)建出一個可視化的三維環(huán)境（其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗對象），通過鼠標的點擊以及拖曳操作，完成實驗系統(tǒng)的設計和進行實驗仿真操作，取得實驗結果和填寫實驗報告等。通過網絡虛擬實驗不僅可以隨時為學生提供更多、更新、更好的儀器，還可以較好地為學習者營造一種“自主學習”的環(huán)境。

2 虛擬實驗系統(tǒng)設計原則

虛擬實驗系統(tǒng)的設計遵循以下原則：

1) 開放性原則：基于校園網，任何只要接入校園網的師生都能使用本系統(tǒng)。

2) 交互性原則：虛擬實驗可以給出可視化交互信息，對學生的操作做出實時反饋。

3) 簡易方便原則：系統(tǒng)界面友好，學生操作易于上手。

4) 易于擴展原則：系統(tǒng)的軟件設計必須采用跨平臺方案，便于實驗項目的及時更新。并且能為系統(tǒng)的擴展打下基礎。

3 虛擬實驗系統(tǒng)結構及工作機制

3.1 結構

系統(tǒng)采用B/S結構。用戶可以通過瀏覽器向網絡上的服務器發(fā)出請求。

系統(tǒng)根據功能分析可以劃分為用戶管理系統(tǒng)、教學管理系統(tǒng)、網上實驗系統(tǒng)、交流互動系統(tǒng)等四個子系統(tǒng)。虛擬實驗系統(tǒng)必須具有安全措施，系統(tǒng)能夠做到拒絕非法用戶，也可將合法用戶的不當操作及時中止。例如：教師可以將自己創(chuàng)建的虛擬實驗上傳到數(shù)據庫，以充實實驗內容。而學生用戶則無此權限。

下面的工作流程展示了用戶如何進行網上實驗。

3.2 基本工作流程

從圖1的工作流程圖可以看出，用戶首先提出申請，獲準后即可通過兩種方式進行虛擬實驗。第一種是用戶輸入實驗參數(shù)，由服務器運行仿真軟件，并將實驗結果返回用戶，在該過程中，教師還可以利用發(fā)送電子郵件、在線答疑等方式解答學生提出的問題。網絡虛擬實驗系統(tǒng)采用NS2模擬器來實現(xiàn)對用戶提交的網絡場景的模擬。系統(tǒng)以JavaApplet的形式實現(xiàn)用戶操作界面；用JavaBean來實現(xiàn)虛擬試驗設備和實驗組件庫；通過生成OTCL模擬腳本來描述用戶在實驗室操作界面上所定義的網絡拓撲，統(tǒng)計數(shù)據的收集、鏈路故障的模擬、路由變化等網絡場景信息?？蛻舳撕头掌鞫酥g的遠程通信由RMI遠程調用機制來實現(xiàn)。圖2為一個含四個節(jié)點的網絡拓撲圖，其對應的Otcl腳本語言為：

proc create_testnet { }

{

global s1 s2 r1 k1

set s1 [ns node]

set s2 [ns node]

set r1 [ns node]

set k1 [ns node]

ns_duplex $s1 $r1 8Mb 5ms drop-tail

ns_duplex $s2 $r1 8Mb 5ms drop-tail

set L [ns_duplex $r1 $k1 800Kb 100ms drop-tail]

[lindex $L 0] set queue-limit 6

[lindex $L 1] set queue-limit 6

}

第二種是用戶下載仿真軟件，直接在自己的PC機上運行仿真軟件。仿真軟件可以包括Boson NetSim等（如圖3），也可以包括自行開發(fā)的網絡嗅探器Sniffer、協(xié)議分析儀等小工具（如圖4）。用戶可以根據自己的需要進行各種模擬實驗，不足之處在于交互不夠。

■

圖3 NetSim網絡模擬器

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圖4 自行開發(fā)的網絡小工具

4 結束語

隨著網絡仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術、多媒體技術等的發(fā)展, 虛擬實驗室能很大程度地輔助教學，虛擬實驗室的研究會越來越受到人們的重視和關注。

參考文獻：

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關鍵詞：虛擬實驗室 效果

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）01-0200-01

生理學是醫(yī)學院校一門重要的基礎課程，為之后臨床課程的學習打下很好的基礎和橋梁。生理學是一門實驗性的科學，它的很多理論的獲得都是來源于實驗，因而實驗項目的選擇和實驗教學的效果是很多生理教師研究的方向，為了更好的提高實驗教學效果，我校引入了虛擬實驗室，現(xiàn)就虛擬實驗教學的效果進行分析。

一、虛擬實驗室

1.概念

虛擬實驗室是一種利用計算機仿真技術和網絡技術模擬真實實驗環(huán)境的一種實驗教學手段[1]。其成本低、效率高、自由度大、功能全，很大程度上彌補了真實實驗室受時間、空間、實驗動物、試劑及器械限制的不足[2]。在生理實驗教學中引入虛擬實驗室，不僅可提高實驗教學的效果，拓展教學內容，還可激發(fā)學生學習的興趣。

2.作用

2.1提高教學效果

在傳統(tǒng)教學中，一些經典的動物實驗（如刺激強度與反應的關系、刺激頻率與反應的關系、蛙心搏動觀察、呼吸運動的調節(jié)等）耗時較長，加上教師的示教時間，讓同學們感覺時間很緊，經常會出現(xiàn)兩節(jié)課結束很多同學做不完的現(xiàn)象。再加上學生對實驗步驟不熟悉，實驗動物的差異性，導致很多實驗動物實驗過程中死亡的現(xiàn)象，進而導致實驗失敗，這些都會影響實驗結果的觀察。虛擬實驗室的引入可以很好的解決這些問題，在上動物實驗之前，讓學生先在虛擬實驗系統(tǒng)上觀看錄像，并模擬實驗的步驟，了解實驗的關鍵點。然后再讓學生動手操作，可以明顯提到實驗的成功率。對于實驗失敗的學生，可以在虛擬實驗系統(tǒng)上觀察實驗結果，查找失敗的原因。這樣不僅激發(fā)學生學習興趣，還提高了教學效果。

對于人體實驗來講，以往的傳統(tǒng)教學，主要是老師講授后讓學生進行自己練習，一些動手能力強、悟性高的學生可以很好的掌握，但還有很多學生并不能很好的掌握。以心音聽取為例，一些同學不能聽到心音，或者不能很好的辨別第一心音和第二心音，對心音聽取的意義也不理解。這時教師通過虛擬實驗系統(tǒng)播放正常的心音，讓學生聽取和辨別，再通過放一些雜音讓學生去辨別，從而讓學生理解心音聽取的臨床意義，提高教學效果。

2.2 增加實驗項目

本校生理課學時有限，尤其是對于涉外班的學生，只有64學時，這樣很多經典的實驗項目就不能開展，而這些經典的實驗項目對生理課的學習又很有幫助，虛擬實驗室的應用可以很好的填補這個空缺，一方面可以通過播放錄像讓學生學習這些經典實驗，掌握這些實驗的目的、方法、步驟、意x；另一方面還可以讓學生學習其他更多的實驗，擴大了實驗范圍。因為虛擬實驗相對時間短，這樣可以不必增加實驗學時就可以讓學生學到足夠多的實驗項目。

通過近兩年的觀察，發(fā)現(xiàn)虛擬實驗室的建立不僅可以激發(fā)學生學習積極性，提高教學效果，還可以解決資源匱乏、學時較少的問題，應該得到大力推廣。但同時在應用的過程中要注意和傳統(tǒng)實驗相結合，這樣才能優(yōu)勢互補，更好的為教學服務。

參考文獻

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遠程教育是為克服傳統(tǒng)的面對面教育模式的某些不足(招生人數(shù)有限、教育方法不靈活、教育資金浪費等)而產生的一種新型教育模式.最初的遠程教育是函授教育;此后出現(xiàn)了由廣播電臺傳播信息的廣播大學;當電視普及以后,電視大學應運而生.在上述三種遠程教育方法中,以電視大學的教學方式最優(yōu).不僅能聽到聲音,而且可以看到圖像.我國從1978年開通了電視大學至今,已有數(shù)以百萬計的人接受了這種教育.但是,電視大學作為一種教學方法,也有其不足.首先,這種方式不靈活、不方便,授課須定點定時.其次,教學內容有局限性,文科專業(yè)(外語、財會、管理等)和部分理科專業(yè)(數(shù)學等)適于電視大學.以實驗為不可或缺的某些專業(yè)(多數(shù)工科專業(yè)、部分理科專業(yè))在電視大學中不能充分實現(xiàn)或根本無法實現(xiàn).近些年來,隨著計算機技術與通信技術的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了教育多媒體系統(tǒng),它能夠交互地同時處理、傳輸、管理文本、圖形、圖像、語言、視頻、動畫等多種形式的信息.多媒體遠程教育系統(tǒng)在一定程度上彌補了電視大學的某些不足,但仍不能實現(xiàn)實驗操作.網上虛擬實驗室的出現(xiàn),使遠程教育更趨完善,為教育發(fā)展史寫下了光輝的一頁.在不足20年時間里,因特網在全球得到了迅速發(fā)展,已成為當今世界上覆蓋面最大、信息資源最豐富的計算機信息網絡.作為遠程教育的關鍵———教學信息的傳遞,因特網無疑具有明顯的優(yōu)勢.虛擬實驗室正是建立在以因特網為信息載體的基礎上,它的產生向人們展示了信息時代一種全新的教育方式和科學研究方式[1].

二、虛擬實驗室是今后高層次遠程教育的發(fā)展主流

函授、廣播、電視等遠程教育模式的所有功能,在因特網上均能輕易實現(xiàn).只要建立一個教育網站,用戶就不再受時空的限制,訪問教育網站就能夠接受到遠程教育.但僅限于此還不能充分體現(xiàn)出因特網強大的信息傳遞功能.基于因特網的虛擬實驗室的出現(xiàn),將遠程教育提升到更高的層次上.虛擬實驗室(VirtualLaboratory)概念,是由美國弗吉尼亞大學(UniversityofVirginia)的威廉•沃爾夫(WilliamWolf)教授于1989年首先提出的,它描述了一個計算機網絡化的虛擬實驗室環(huán)境,致力于構筑一個綜合不同工具和技術的信息化、網絡化的集成環(huán)境.在這個環(huán)境里,用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數(shù)據、信息、儀器設備及人力等資源[2].

虛擬實驗室提出的初衷是為了方便科學研究工作,科研人員在遠程即可從事研究工作:使用儀器設備、共享數(shù)據資源、交流信息等.虛擬實驗室實質上是一個分布式計算機系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,配置有遙控、遙測能力的網絡化研究設備和數(shù)據采集平臺,有支持協(xié)作活動的各種工具,建有可以支持數(shù)據共享的數(shù)字式圖書館.加入到因特網的虛擬實驗室可視為建立了一個可以演示、操縱、控制實驗的特殊網站.用戶可以在任何時候,從任何地點訪問虛擬實驗室網站.它的建立大大提高了實驗教學的伸縮性和適應性.不同的學科專業(yè)的虛擬實驗室有各自的特點.但無論是哪個學科專業(yè)的虛擬實驗室都是由各自的虛擬儀器(VirtualInstrumentation)組成的.虛擬儀器是指通過應用程序將計算機與功能化硬件結合起來,用戶通過友好的圖形界面來操作計算機,從而完成了對被測對象的數(shù)據采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據存儲等.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比,有其相同的一面,又有不同的一面.相同點是:虛擬儀器同樣具有三大功能,即數(shù)據采集、數(shù)據分析處理、結果顯示.虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測控能力結合起來,實現(xiàn)儀器的功能運作.

與傳統(tǒng)儀器不同的是:在給定計算機運算能力和必要的儀器硬件以后,構造和使用虛擬儀器的關鍵技術在于軟件,“軟件即儀器”.應用軟件程序將可選硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ等)和可重復使用源碼庫函數(shù)等軟件結合起來實現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā),源碼庫函數(shù)為用戶構造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊[3].當用戶的學習目的或測試要求改變時,可以方便地由用戶自行增減硬軟件模塊或重新配置系統(tǒng)以滿足測試要求.綜上所述,虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計算機平臺、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)功能的必需附件組成的.虛擬儀器的這個特點是功能固定、彼此分離的傳統(tǒng)儀器所不具備的.在虛擬實驗室中所使用的儀器設備一般都具有可編程接口(例如GPIB接口等),終端的PC機通過GPIB接口和總線發(fā)送命令字符串控制儀器,也可通過GPIB接口和總線從儀器端獲得結果信息.為了實現(xiàn)通過計算機對可編程儀器的控制,美國國家儀器公司(NationalIn-struments,簡稱NI)開發(fā)了虛擬儀器軟件開發(fā)平臺———LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWork-bench).作為目前世界上惟一的編譯型圖形化編程語言,LabVIEW提供了虛擬儀器的圖形編程環(huán)境,把復雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能或圖形,只需連接各個功能或圖形即可構成程序.LabVIEW除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外,還集成了大量生成圖形界面的模板、豐富實用的數(shù)值分析、數(shù)字信號處理功能,以及多種硬件設備驅動功能,包括RS-232、GPIB、VXI、VISA、數(shù)據采集卡DAQ等.虛擬儀器的出現(xiàn)不僅是實驗室的一場革命,同時也為遠程教育注入了活力.基于因特網的虛擬實驗室必將成為今后遠程教育發(fā)展的推動力.

三、虛擬實驗室在國內外發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬實驗室概念的提出至今僅為十余年的時間,但因其誘人的應用前景,各國均在大力開發(fā),已經取得了一些進展.目前,虛擬實驗室在發(fā)達國家已十分普及.美國作為當今的科技強國,為繼續(xù)保持其在科學技術領域的領先地位,尤其重視信息技術的研究,并已將虛擬實驗室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃.在1991年底,美國科學基金會、美國國家科學研究顧問委員會所屬的計算機與遠程通信部組成了一個“全國(科學)合作實驗室委員會”,其任務是調查科學家對信息技術的需求,協(xié)調科研合作關系,組織并實施具體的信息技術開發(fā).此后,美國聯(lián)邦政府投入資金在海洋學、天體物理學和分子生物學三大領域建造了各自的虛擬實驗室作為示范工程,開展了一系列探索性研究并取得了實質性進展.

美國一些政府部門,如能源部,正在制定計劃將其所屬的科研機構過渡到虛擬實驗室環(huán)境中.目前,越來越多的科學家正投身于構筑一個覆蓋全美國的虛擬實驗室的工作中來.作為首先提出虛擬實驗室概念,并具有雄厚的科研實力和強大財力的美國,從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā),在該領域的研究已處于領先地位.虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言已成為各大學理工科學生的一門必修課,其普及程度是相當廣泛的.國外的一些大學已組建了遠程虛擬實驗室.德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化實驗室;西班牙大學電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺;意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室;新加坡國立大學開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗[4-7].

在國內,虛擬實驗室的建設也得到了應有的重視.目前,已有部分高校初步建立了虛擬實驗室.例如:清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng);華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網上公開展示,供遠程教育使用;四川聯(lián)合大學基于虛擬儀器的設計思路,研制了“航空電臺二線綜合測試儀”,將8臺儀器集成于一體,組成虛擬儀器系統(tǒng);復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校,也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研[8-11].

四、虛擬實驗室的功能特點及應用前景

虛擬實驗室具有傳統(tǒng)實驗室無法比擬的功能特點,決定了它在科研、教育(特別是遠程教育)中的良好應用前景.1.功能特點虛擬實驗室具有以下特點:(1)透明性虛擬實驗室的所有數(shù)據庫、硬件,甚至人員集成于一個系統(tǒng),使用標準的統(tǒng)一命令來實現(xiàn)功能服務,這種透明的結構決定了虛擬實驗室的透明特征.(2)資源共享性建立虛擬實驗室的宗旨之一就是為了做到資源共享.為達到此目的,需要建立統(tǒng)一查詢標準的電子圖書館、數(shù)據庫、智能化檢索系統(tǒng)、應用軟件庫等,用戶可以共享數(shù)據、軟件、硬件等相關資源.這個特性能夠減少重復投資,大大節(jié)約投資成本.(3)互動操作性虛擬實驗室一旦開放,即具有互動性,遠程用戶同樣可以操作本地實驗室,同時用戶之間可以交流信息.

開放遠程用戶程序需要有一系列軟硬件的支持,它們都是虛擬實驗室的組成部分.(4)用戶自主性用戶可以制定自己使用的虛擬儀器的方式,允許用戶采取必要的措施保護自己的數(shù)據、資料,用戶具有充分的自主性.(5)擴展性在當今的信息時代里,知識更新速度十分迅速,新型的、性能更優(yōu)的儀器設備更新周期越來越短.因此,虛擬實驗室的硬件必須隨時更新,軟件也要隨時升級,服務功能也要隨時增加,虛擬實驗室必須具備性能升級、服務功能增加的特性.(6)安全性安全性是開放的、透明的、資源共享的合作環(huán)境所必需的保障條件.虛擬實驗室采取必要的措施和技術手段維護系統(tǒng)軟件、硬件以及用戶知識產權的安全.通常采用用戶鑒別注冊、權限驗證技術,郵件、文獻加密技術等手段保證系統(tǒng)的安全性.具有安全措施的虛擬實驗室系統(tǒng)能夠做到拒絕非法訪問者進入虛擬實驗室,也可以將合法訪問者的不當操作及時中止[12].2.應用前景因特網上的虛擬實驗室在遠程教育中具有良好的應用前景.⑴計算機網絡的迅速普及為遠程教育提供了有利條件目前我國上網計算機已超過2000萬臺,而且還將以每年增加20%的速度增長.這個龐大的網絡為虛擬實驗室的普及和發(fā)展提供了便利條件.⑵

虛擬實驗室的性能優(yōu)勢與傳統(tǒng)實驗室相比,虛擬實驗室性能更為優(yōu)秀,組建虛擬實驗室必須考慮到選用當今世界上性能優(yōu)秀、儀器齊全的一流設備,這些設備并不是所有院校都能擁有的,而虛擬實驗室卻能夠提供給用戶使用一流的設備.甚至像電子顯微鏡、天文望遠鏡、邏輯分析儀、大型核裝置等這些昂貴、難以接觸到的儀器設備,用戶也能夠通過訪問虛擬實驗室來進行學習和使用.開發(fā)用于遠程教育的虛擬實驗室的重點放在電子、電工、機械、土木、環(huán)境等學科更為現(xiàn)實.而像天體物理、核物理、海洋、分子生物學等學科的虛擬實驗室用于遠程科研較為適宜.⑶虛擬實驗室的低成本特點有利于其發(fā)展遠程教育通過計算機網絡實現(xiàn)教育資源共享,某一學科的先進教學方法和卓越的實驗條件可以為校內外的各學科廣泛使用,從而可以節(jié)省許多基礎設施的低水平重復建設和儀器設備重復引進的資金投入,有利于從整體上改善辦學條件和提高教學水平.虛擬實驗室在信息高速公路的運行,必然帶來人們觀念的更新和實驗室革命.⑷教學方式靈活、方便基于因特網的虛擬實驗室遠程教育模式不同于傳統(tǒng)的面對面的統(tǒng)一、死板的教學模式,它能夠靈活地提供給用戶(學生)不同的實驗教學內容,用戶(學生)可以根據實際情況確定學習內容和安排學習進程,從而可以最大限度地滿足用戶(學生)的不同需要.這樣,既可以普及知識,又能夠提高、更新知識.此外,遠程教育不受時間、地域的限制,用戶(學生)只要通過計算機網絡便可以及時獲得知識.⑸我國國情適合于發(fā)展網上遠程教育我國人口眾多,國民平均知識水平相對較低.在知識經濟時代和科教興國方針的指引下,國民中蘊藏著接受高層次教育和知識更新的迫切需求.由于客觀條件的限制,能夠進入高等院校接受教育的人畢竟有限.網上的遠程教育可以滿足人們渴望獲得知識的要求,為因特網上虛擬實驗室遠程教育的發(fā)展提供了廣闊前景.

五、虛擬實驗室建設過程中的幾點建議

我國雖然與發(fā)達國家在虛擬實驗室研究方面有一定差距,至今尚未建成大規(guī)模的可覆蓋全國的實用的虛擬實驗室,但是已有許多高校重視并致力于虛擬實驗室的研究、開發(fā)工作,并取得了一定的進展.為了使我國虛擬實驗室的建設趕上發(fā)達國家,使其發(fā)揮應有的作用,根據我國的現(xiàn)狀,提出如下建議:

⑴虛擬實驗室的建立必須有組織、有規(guī)劃地進行虛擬實驗室從其誕生起,就因其具有資源共享、多方合作、提供多種服務、信息交流等功能,而顯示出它的公益性和社會化屬性.因此,虛擬實驗室是屬于全社會的.借鑒國外的經驗,它應由政府支持并由有關部門出面組織、統(tǒng)籌、規(guī)劃和協(xié)調.

⑵認真做好虛擬實驗室的需求調查工作理工科的大多數(shù)學科專業(yè)是可以建立虛擬實驗室的,但是社會對它們需求程度卻是差異甚大.根據我國的國情和資金支持能力,不可能全部學科專業(yè)都建立虛擬實驗室,只能是在“有所為,有所不為”的原則下,選擇社會需求迫切的學科專業(yè)優(yōu)先建立.這就需要調查虛擬實驗室的需求,根據需求程度,分出輕重緩急,進行統(tǒng)籌安排.

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關鍵詞　虛擬實驗室　遠程教育　現(xiàn)代教育技術

迅速崛起的現(xiàn)代教育技術把虛擬實驗引入到了實驗教學中。虛擬實驗的應用改變了傳統(tǒng)的教育模式，使得教與學方式發(fā)生了革命性的變化。目前，用于實驗教學的計算機虛擬實驗軟件非常豐富，加上高校計算機及網絡資源，為虛擬實驗的開設提供了必要的基礎條件。通過網絡虛擬實驗室，能夠通過計算機在網絡中模擬一些實驗現(xiàn)象，它不僅僅能夠提高實驗教學效果，更加重要的是對一些缺乏實驗條件的學生，通過網絡同樣能夠身臨其境地觀察實驗現(xiàn)象，甚至和異地的學生合作進行實驗。

1　網絡虛擬實驗室的發(fā)展及其特點

網絡虛擬實驗就是在WEB中創(chuàng)建出一個可視化的環(huán)境，其中每一個可視化的物體代表一種實驗對象。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬的實驗。網絡虛擬實驗實現(xiàn)的基礎是多媒體計算機技術與網絡技術的結合。無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗。為實驗類課程的教學改革及遠程教育提供了條件和技術支持。許多國內外從事實驗室工作的研究者們在實踐中還提出這樣一些概念：Digital Lab、MBL（Micro-computer Based Lab），盡管這些名詞不統(tǒng)一，但他們的實踐從不同的層面實現(xiàn)了虛擬實驗室。

1．1　印地安那州立大學的MBL化學實驗室

該實驗室在給新生開化學實驗課時用計算機來輔助做這樣一些事，用計算機采集與分析實驗數(shù)據，用計算機展示實驗，在網上相關的實驗指導材料。

1.2　芝加哥伊利諾伊大學數(shù)字化有機化學實驗室

該實驗室充分利用網絡資源，在網上提供了一系列的實驗教學指導：在線實驗教材；實驗教學時間表；實驗測評方法、形式、時間；虛擬實驗；相關教學資源的鏈接等。他們還用計算機進行實驗教學的教務管理。

1.3　卡羅萊納州立大學的LAAP（Learn Anytime Anywhere Physics）

他們利用Java技術建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室，主要有以下幾個模塊：基于Java Applet的虛擬實驗設備和實驗設施；相關的實驗課程模塊；實驗學習結果評價模塊；協(xié)作學習模塊。

虛擬實驗室最大的優(yōu)點是成本低，效率高。因為“軟件即為儀器”，這樣就可解決因實驗經費不足或高檔次、高價位設備缺乏所不能開出的實物實驗，同時也不會造成因使用不當，管理不善等因素造成的儀器損壞、元器件丟失等現(xiàn)象。同時虛擬實驗還可以模擬實驗室中沒有的設備，而且還可以不受時空的限制方便地進行實驗 。另外，虛擬實驗室還應具備一些基本特征：與現(xiàn)實的一致性（或現(xiàn)實的延伸）、高度交互性、實時的信息反饋。

2　網絡虛擬實驗室體系結構

網絡虛擬實驗室應是一個集虛擬實驗教學管理系統(tǒng)、實驗課教學指導系統(tǒng)，網絡實驗仿真等為一體的功能強大的網上運行系統(tǒng)。各部分之間相互聯(lián)系相互補充，僅具有相對獨立性。開發(fā)虛擬環(huán)境，實現(xiàn)實驗仿真應是虛擬實驗室建設的核心部分。圖1是虛擬實驗室體系結構圖。

3　構建網絡虛擬實驗室的關鍵技術

目前國內的虛擬實驗室研究還處于萌芽階段，國外已經有很多大學進行了這方面的研究?？偨Y他們所使用的技術，可以看出大多可以劃分下面幾類：

3.1　Java技術

Java是一個廣泛使用的網絡編程語言，它是一種新的計算概念。首先，作為一種程序設計語言，它簡單、不依賴于機器的結構、具有可移植性、安全性、并且提供了并發(fā)的機制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了網絡，Java的小應用程序（applet）可在網絡上運行而不受CPU和環(huán)境的限制。另外，Java還提供了豐富的類庫，使程序設計者可以很方便地建立自己的系統(tǒng)，這一點對于構建網上虛擬實驗室系統(tǒng)來說也是非常關鍵的。

3.2　ActiveX控件

ActiveX技術允許不同軟件開發(fā)的組件在網絡上可以互相進行操作。Ac?鄄tiveX使用了微軟的組件對象技術使得本地的組件可以和網絡上的組件進行通信，使用ActiveX開發(fā)的另一個好處在于它的代碼復用性，也就是說在虛擬實驗室的開發(fā)過程中，一個實驗儀器可以在多個實驗環(huán)境中重復使用，這一點對于持續(xù)開發(fā)過程尤為重要。這種技術使得一個大的工程項目可以劃分成小塊的組件，也就相當于把復雜工程簡單為一個個組成部分，完成了每個組成部分之后集成起來就可以得到最終的項目?？梢蚤_發(fā)ActiveX組件的環(huán)境有很多，其中開發(fā)效率最高和最易上手的是Visual Ba?鄄sic。

3.3　VRML技術

VRML是虛擬實境描述模型語言 (Virtual Reality Modeling Language) 的簡稱。它是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標準，也是在網上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的關鍵性技術。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關、三維、多媒體集成、逼真自然等，被成為“第二代WEB”，已經被越來越多的人們所重視。國際標準化組織1998年1月正式將其批準為國際標準。VRML是一種建模語言，其基本目標是建立Internet上的交互式三維多媒體，也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構建虛擬境界。用VRML實現(xiàn)與Internet虛擬現(xiàn)實交互有下面幾個好處：豐富了媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善了協(xié)同環(huán)境的用戶界面、增強了協(xié)同環(huán)境的交互性?？梢?，將VRML融合到網上虛擬實驗室的開發(fā)過程中，既可以增強表現(xiàn)力和用戶的接受力，又可以實現(xiàn)較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。

3.4　ASP技術

ASP（Active Server Pages，動態(tài)服務器端網頁），內含在Internet Information Server 3.0及其以上版本中，提供一個服務器端的腳本環(huán)境，用于產生和執(zhí)行動態(tài)、高效率的網絡服務器應用程序。ASP不只是動態(tài)的網頁，它更是當今眾多的Web應用程序實作方式之一，它負責整個Web應用程序的控制部分。ASP提供五個內建的對象供使用者調用，即Re?鄄quest對象（取得用戶信息）、Response對象（傳送信息給用戶）、Server對象（提供訪問服務器的方法、屬性）、Application對象（用于多個使用者在多個網頁間共享信息）和Session對象（用于單個使用者在多個網頁間共享信息）。

4　網絡虛擬實驗室開發(fā)過程當中應注意的幾個問題

計算機軟件技術發(fā)展到今天，為虛擬實驗室開發(fā)提供了極大的方便。目前開發(fā)所需的系統(tǒng)軟件或工具均支持面向對象的程序設計。它們都有事件驅動的支持，消息循環(huán)的程序設計方法及多媒體操作技術。在開發(fā)過程當中要注意以下幾個問題：

事件觸發(fā)時機的選擇，實際操作當中某個按鈕按下后并不立即反映，需要延時回應，外部接口的輸入信號或其它信息往往是定時觸發(fā)或隨機觸發(fā)的事件，若為隨機觸發(fā)的事件則可用一定時限內的隨機數(shù)來取代固定時間。

事件聯(lián)鎖關系或動態(tài)順序關系可以存放在一張數(shù)據庫表中描述，修改方便。給定相應的條件、控制范圍，自動形成數(shù)據表，使數(shù)據和程序獨立。

模擬聲音，要使實驗達到逼真，除了模擬控制臺實物景象，還要模擬它們實驗環(huán)境中的各種聲音，如汽笛聲、按鈕按動聲、內部機械動作聲等。這樣，才能使學生在實驗室有身臨其境的感覺，全身心地投入學習。

模擬臺面各種動作的結果，臺面上每個控件的動作都會觸發(fā)一定的事件。這些事件在實物設備中是靠機械、電子電路等去完成，而現(xiàn)在將這些機械及電子邏輯關系使用計算機軟件實現(xiàn)。

故障發(fā)生器，在實際工作中除了設備正常情況下的操作，還有各種意外情況，如某些設備故障的情況。此時，要求在虛擬系統(tǒng)中也能模擬手柄失靈、儀表信號不顯示及自然災害發(fā)生的情況等，即給實驗增加一些難度，強化學生實際操作能力。

5　結束語

虛擬實驗技術在實驗教學中具有廣闊的應用、發(fā)展前景，隨著虛擬實驗的普及，其優(yōu)越性會被越來越多的人認識。但要使虛擬實驗技術真正得到推廣應用，關鍵還是觀念的改變，首先是教師觀念的改變，除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應有一個科學的投資理念，在實驗室建設和發(fā)展中，充分考慮投資效益，建設現(xiàn)代化的實驗室。其次要培養(yǎng)一支高素質的實驗隊伍，不斷地進行知識更新，加強學習，重視信息的收集、加工、應用，了解掌握最新技術，促進實驗教學發(fā)展。虛擬實驗的應用和發(fā)展，加快了實驗室發(fā)展和實驗教學改革，促進了教育觀念的改變。是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新的實驗手段。

虛擬實驗在21世紀實驗教學中必將占有重要地位，無疑會起到很大的作用。

參考文獻

篇5

關鍵詞：虛擬實驗室；實體造型；虛擬設計；網頁

機械設計課程實驗是連接基礎課與專業(yè)課的重要環(huán)節(jié)，能夠使學生通過自己的思考分析獨立進行實驗設計、實驗操作和實驗分析，提高學生的學習自主性和主動性，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。為學生掌握機械設計實驗方法提供學習機會和實踐體驗，促進知識、能力與素質的協(xié)同發(fā)展。

虛擬實驗室是近年來信息技術迅速發(fā)展的產物，是虛擬現(xiàn)實技術重點應用之一，也是促進教育方式、方法和科學實驗進步的重要手段。它具有低成本、擴展性強、高效率、協(xié)作性強、安全性高、時間空間限制小等優(yōu)點。

1方案設計

1.1功能設計。在機械設計虛擬實驗室在功能上能夠實現(xiàn)機械零件認知實驗、帶傳動實驗、螺栓聯(lián)接實驗、零件裝配實驗。認知實驗的認知類零件主要包括螺栓、鍵、圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪、蝸桿、帶、帶輪、軸、軸系固定元件和滾動軸承等內容。帶傳動實驗包括傳動帶的彈性滑動和打滑實驗。螺栓聯(lián)接實驗能夠表達出螺栓聯(lián)接在擰緊過程中各部分的受力和變形情況。驗證受軸向工作載荷時預緊螺栓聯(lián)接的變形規(guī)律，及對螺栓總拉力的影響。零件裝配實驗能夠對零部件模型進行拆裝仿真，包括螺栓聯(lián)接、鍵聯(lián)接，軸系結構、聯(lián)軸器、減速器等裝配。

1.2 系統(tǒng)設計。機械設計虛擬實驗室采用Web瀏覽器和網絡服務器相結合的架構。實驗人員只需通過訪問機械設計虛擬實驗室的網址就可以進行機械設計實驗的虛擬操作。

虛擬實驗室能夠通過鼠標和鍵盤進行人機交互，能夠對所有零件進行放縮、旋轉、平移、名稱顯示。實驗過程中具有實驗操作演示、操作步驟提示、錯誤提醒、數(shù)據分析、相關理論注釋等。

2 模型設計

2.1 實體建模。利用SolidWorks對機械虛擬實驗室中的所有機械零件進行實體模型構建。為了保證實體模型的數(shù)據準確性，創(chuàng)建前要進行機械零件的測繪，并且所有零件都按統(tǒng)一的單位進行記錄數(shù)據。這樣能夠避免模型導入到虛擬開發(fā)平臺后進行相關操作時出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。如模型導入到虛擬開發(fā)平臺后場景中各物體模型的各個部分出現(xiàn)尺寸和比例不一致。

2.2場景設計。為了提高虛擬實驗室的真實感，需要在3D MAX中設計實驗室場景，如實驗室的房間，實驗操作臺、實驗工具等。同時還要對所有導入到3D MAX中的機械零件模型進行材質貼圖、燈光、渲染烘焙。

3 虛擬設計

3.1認知實驗。認知實驗模塊采用Cult3D作為開發(fā)工具。Cult3D是Cycore公司開發(fā)的應用軟件，Cult3D的最大特點是展示功能制作簡單，與Java技術結合緊密。

通過Cult3D虛擬開發(fā)平臺可以實現(xiàn)模型的平移、放縮、旋轉等人機交互功能。首先通過Cult3D Exporter從3ds Max中導入機械零件的實體模型；然后在Cult3D Designer中進行交互設計；最后通過Cult3D Viewer，將制作的認知實驗模塊成網頁能夠接收的格式。

3.2零件裝配實驗

1）基本運動實現(xiàn)。在虛擬裝配實驗中，裝配和拆裝是兩個關鍵的步驟。實驗時操作者可以按照提示來學習裝配實驗中各零部件的裝配和拆裝，然后進行反復練習，提高熟練程度。

2）攝像機控制。在Virtools軟件中，攝像機能夠實現(xiàn)虛擬漫游功能，可分為全景攝像機和跟隨攝像機兩種，這兩者之間可以通過設計腳本進行轉換。全景攝像通過透視圖來顯示機械零件虛擬裝配中的整個場景，還能夠利用鼠標控件攝像機旋轉，達到不同視角觀察整個場景的效果；跟隨攝像機通過追蹤機械零部件的方式進行跟隨攝像，攝像機與機械零部件之間始終保持設置的距離值。

3）碰撞檢測。在現(xiàn)實的機械設計實驗過程中，所有的機械零部件都是具有物理屬性的實體，相互之間不能夠穿越，并且所有的實驗操作都是在操作平臺進行。而虛擬實現(xiàn)所有的機械零部件均是虛擬的模型，為了避免產生穿越現(xiàn)象，Virtools內嵌了碰撞檢測功能。在虛擬實現(xiàn)設計時，對操作平臺添加Floor 屬性，對機械零部件添加Fixed Obstacle 屬性，同時將Prevent collision 行為模塊添加到對應的腳本設計中，這樣就能夠實現(xiàn)碰撞檢測功能，達到真實的效果。

4 網頁整合。通過Dreamweaver軟件將Cult3D、Virtool和Flash生成的虛擬實驗整合到統(tǒng)一的網頁中。Cult3D生成的虛擬實驗整合到Dreamweaver制作的網頁中需要在Dreamweaver軟件添加Cult3D三維模型的插件Cult3D.mxp，然后執(zhí)行Dreamweaver文件菜單"插入"下的"Cult3D"，在出現(xiàn)的"choose Cult3D file…"對話框中選擇需要插入的Cult3D三維模型文件（擴展名.co），然后把文件保存到一個HTML文件中。

Virtools生成的虛擬實驗整合到Dreamweaver制作的網頁中需要在Virtools的File中選擇Create Web Page, 在彈出的設置面板Choose Destination選項中選擇所要保存文件的路徑，在Setting選項中設置Window Size的數(shù)值為800、600。點擊OK鍵，創(chuàng)建網頁形式執(zhí)行文件。

3總結

機械設計虛擬實驗室交互性強、訪問流暢、界面友好、操作簡單，為實驗教學模式提供了新的探索。機械設計虛擬實驗室還存在很多問題需要繼續(xù)研究和探索，主要包括以下幾個方面：1）對于較復雜的實驗配上場景和音效后會使生成的執(zhí)行文件較大，在現(xiàn)有硬件的基礎上，通過網頁形式如何保證訪問速度和網絡流量仍然值得研究。2）對于大型實體模型數(shù)據庫進行存儲和管理是非常值得研究的課題。3)進一步完善機械設計虛擬實現(xiàn)室，實現(xiàn)學、考、評于一體的網絡教學課堂。

參考文獻

篇6

關鍵詞：虛擬實驗室；模式；平臺；架構

      這些年來，隨著高校的不斷擴招，給高校的實驗室造成了很大的壓力，高校中的實驗是學生學習和實踐的重要一環(huán)，各高校想盡一切辦法，開源節(jié)流，但由于一些實驗成本太高和各種條件的限制，高校實驗室對教學實驗來說仍然捉襟見肘，嚴重的影響了學校的教學和學生對知識的掌握。但隨著計算機和網絡不斷發(fā)展，在高校建立虛擬的實驗室，用計算機仿真軟件來替代部分實物實驗成為可能。在虛擬實驗室里，學生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可自主設計實驗，方便快捷的從事各種實驗，有利于培養(yǎng)他們的操作能力、分析診斷能力、設計能力和創(chuàng)新意識。在虛擬實驗室中，學生更易獲得相關的知識、科學的指導和敏捷的反饋。虛擬實驗室是未來實驗室建設的發(fā)展方向，具有很高的實用價值和現(xiàn)實意義。

1.高校虛擬實驗室的網絡模式

在現(xiàn)在的網絡中存在兩種模式： B/S模式和 C/S模式。在高校中推薦采用B/S模式。因為B/S模式有以下特點：

1.1B/S模式建立在廣域網之上，不必需要專門的網絡硬件環(huán)境，可以寬帶上網，租用設備．信息自己管理．有比C/S更強的適應范圍，一般只要有操作系統(tǒng)和瀏覽器就行?，F(xiàn)在的學生宿舍基本上都可以使用網絡，且B/S模式下基本上不用裝其他的客戶端軟件，使用起來比較方便，設計人員也無需開發(fā)過多的客戶端程序，減輕了開發(fā)人員的負擔。

1.2C/S模式一般面向相對固定的用戶群，對信息安全的控制能力很強．一般高度機密的信息系統(tǒng)采用C/S模式結構適宜。 B/S模式建立在廣域網之上，對安全的控制能力相對弱，面向不可知的用戶群．而學生實驗的保密性一般要求不高，且學生群體比較大，流動也比較強，所以比較適合B/S模式的網絡。

1.3C/S模式程序應用邏輯在客戶端實現(xiàn)，對于虛擬實驗系統(tǒng)來說，客戶端需要配置支持虛擬實驗的虛擬機軟件，安裝支持虛擬機軟件對初學的學生來說是一件麻煩的事情，而B/S模式除了瀏覽器和一些瀏覽特殊資料格式的插件以外一般不需要其它的客戶端軟件支持，分布在學校各個角落的的學生用戶只要輸入訪問特定的網址便可以進入這個虛擬環(huán)境中進行相關實驗課程學習。

2.虛擬實驗室架構和網絡平臺的實現(xiàn)

     2.1網絡虛擬實驗室應是一個集虛擬實驗教學管理系統(tǒng)、實驗課教學指導系統(tǒng)，網絡實驗仿真等為一體的功能強大的網上運行系統(tǒng)。各部分之間既相互獨立又相互聯(lián)系。學生通過鼠標點擊、拖曳和鍵盤輸入等操作就能進行實驗。微軟的.NET平臺為架構,使用ASP.NET語言開發(fā)實現(xiàn),后臺數(shù)據庫使用SQL Server 2008,采用三層架構的形式，可以用來設計虛擬實驗室的實驗平臺。一個完整的虛擬實驗室系統(tǒng)功能模塊結構如圖1

      

2.2 網絡虛擬實驗室系統(tǒng)化主要由三大部分組成：第一部分是遠程客戶端程用戶通過瀏覽器發(fā)出請求，二部分是中間傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)信號經過校內局域網，并通過防火墻；第三部分是WEB服務器，它需啟動儀器控制服務器，通過程序分析和處理從客戶端采集來的數(shù)據得出結果返回給客戶端。

 這個虛擬實驗室系統(tǒng)的關鍵技術是實現(xiàn)遠程控制，學生在客戶端的瀏覽器發(fā)出實驗請求，服務器能驅動電

機啟動相關的實驗設備，按照學生設置的參數(shù)，運行實驗得出相應的結果。并將實驗結果以視頻，文字、

圖表的形式返回給學生，最終形成實驗報告。

3.虛擬實驗室不僅在節(jié)省實驗教學資金、提高教學資源利用率，節(jié)約學生實驗時間、提高實驗效率上起到很好的作用，而且對于現(xiàn)實的常規(guī)實驗教學仍具有重要的意義體現(xiàn)在：

（1）彌補教學條件的不足。有些常規(guī)實驗的一些實驗效果因為實驗設備、實驗場地、實驗環(huán)境的原因不能很好的觀察到，一些實驗微小的變化在實際實驗中往往很難觀察到，而在虛擬實驗能夠很好的反應出來，從而豐富感性認識，加深對知識的理解。

（2）避免了危險性實驗真實操作所帶來的各種危險。有些常規(guī)實驗帶有危險性例如：化學反應所產生的燃燒、爆炸所帶來的危險，生物實驗的細菌病毒帶來的危險等，在虛擬實驗室中學生可以放心大膽的去做實驗。

（3）虛擬實驗室重復性好。存虛擬實驗中，可以像玩電子游戲一樣，用鼠標鍵盤去控制實驗，一邊改變實驗條件，一邊觀察實驗結果。虛擬軟件可以按我們的要求，任意放慢實驗的過程，讓學生看到在傳統(tǒng)實驗中看不到的變化過程，也可以在很短的時間內完成幾百次或幾千次的實驗，讓學生看到只有經過成百上千次的實驗才能看到的結果，從而使學生在操作的過程中，在變化的過程中學習知識、驗證知識、探索知識。

4.教學型虛擬實驗室的建設的幾點建議：

 （1）選擇合理的開發(fā)技術，開發(fā)出封裝性強、界面友好、響應速度快的虛擬系統(tǒng)。

建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是成功進行虛擬現(xiàn)實應用的關鍵，而要建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，首先要做的工作是選擇實可行的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)解決方案。虛擬實驗平臺的界面要友好、豐富、直觀，以提高學生的實驗興趣。

 （2）更新實驗教學觀念,重新認識虛擬實驗室

     受傳統(tǒng)的實驗觀念的影響，很多學校和學生比較注重看的見摸得著的實體實驗，并且認為虛擬實驗室是網絡技術、虛擬儀器技術、虛擬現(xiàn)實技術等新技術共同的產物,因此容易被理解為技術要求高、建設投入大的教學資源，從而讓人望而生畏,不敢問津。

 （3）真實性

     仿真系統(tǒng)要能夠最大限度真實的反應實驗的情況，這一點是虛擬實驗室系統(tǒng)的基礎。

 （4） 交互性強

     在仿真實驗在運行的過程中提供和學生交互的友好界面，完全按照學生的意圖和學生設置的實驗參數(shù)進行實驗，增強學生對實驗的控制力度和操作力度，同時記錄實驗的結果和數(shù)據，最終形成實驗報告。這樣可以大大的方便學生做實驗。

5.結束語

隨著網絡和通訊技術的不斷發(fā)展，高校網絡虛擬實驗室必將有廣闊的發(fā)展前景，高校網絡虛擬實驗具有眾多的優(yōu)點，為加強高校網絡虛擬實驗室的建設，為了提高高校的教學質量，我們應不斷探索網絡虛擬技術的應用方法，以使高校網絡虛擬實驗室建設實現(xiàn)更優(yōu)化更現(xiàn)代化。

參考文獻：

[1]賈銀軍、李新華，網上虛擬實驗室的構建，《硅谷》，2011年17期.

[2]曾創(chuàng)奇，關于高校教學型虛擬實驗室構建，《電化教育研究》，2005年第09期.

篇7

關鍵詞：虛擬實驗室技術；開發(fā)；設計

中圖分類號：TP391.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599?。?012）　18-0000-02

1 虛擬實驗室的概念

1989年，美國的William　Wolf教授提出了虛擬實驗室（Virtual　Laboratory）概念，用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環(huán)境[1]。所謂虛擬實驗室，即是在虛擬現(xiàn)實技術下產生的可以進行虛擬實驗操作的一類實驗系統(tǒng)，它包含實驗儀器設備、實驗對象、實驗室環(huán)境及相關實驗信息資源等元素。它不僅可以是現(xiàn)實實驗室的體現(xiàn)，也可以通過虛擬構想來形成。

2 虛擬實驗室的基本特征

虛擬實驗室應具備一些基本特征[2]：（l）與現(xiàn)實的一致性（或現(xiàn)實的延伸）；（2）高度交互性；（3）實施的信息反饋；（4）多人合作使用的功能；（5）具備一定的智能特性。近幾年來，個人計算機的性能已迅速增強，在很大程度上滿足了虛擬實驗室的要求。對于一些在現(xiàn)實世界難以進行，或耗時、耗力、耗資金的實驗，可以通過計算機建立能夠客觀反映其現(xiàn)實世界規(guī)律的虛擬儀器，進行虛擬實驗來代替。建立虛擬實驗室可以使實驗人員在計算機上進行虛擬實驗和虛擬預測分析，親自操作實驗儀器，觀察動態(tài)過程，還可以改變實驗條件和數(shù)據，總結變化規(guī)律。虛擬實驗室三維立體的空間創(chuàng)造使實驗者如同身臨其境。

3 WebGL的相關技術及知識

WebGL是一種3D繪圖標準，這種繪圖技術標準允許把JavaScript和OpenGL　ES　2.0結合在一起，通過增加OpenGL　ES　2.0的一個JavaScript綁定，WebGL可以為HTML5　Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣Web開發(fā)人員就可以借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型了，還能創(chuàng)建復雜的導航和數(shù)據視覺化。WebGL技術標準免去了開發(fā)網頁專用渲染插件的麻煩，可被用于創(chuàng)建具有復雜3D結構的網站頁面，甚至可以用來設計3D網頁游戲等等。WebGL完美地解決了現(xiàn)有的Web交互式三維動畫的兩個問題：第一，它通過HTML腳本本身實現(xiàn)Web交互式三維動畫的制作，無需任何瀏覽器插件支持；第二，它利用底層的圖形硬件加速功能進行的圖形渲染，是通過統(tǒng)一的、標準的、跨平臺的OpenGL接口實現(xiàn)的[3]。

4 虛擬實驗室平臺的設計

本虛擬實驗室是一種基于WebGL標準的虛擬實驗教學平臺的，這在國內還是一個新的嘗試。以往Web3D開發(fā)的應用程序，在運行時要安裝插件，安裝專有客戶端軟件，而本虛擬實驗系統(tǒng)可直接訪問WebGL支持的瀏覽器，并具有更高的三維效果，具有較強沉浸體驗，的實驗場景，進行相關實驗操作的體驗和學習[4]。

4.1 實驗系統(tǒng)平臺架構圖

該虛擬實訓室是基于WebGL技術開發(fā)的平臺，學生操作的過程中需要使用JS的庫，它可以直接調用JS的庫，完成圖形圖像處理。分別為：

GLGE庫：GLGE是一個封裝了　WebGL　的JavaScript庫，可以降低WebGL使用的難度。他提供了一個本地的browser　JavaScript　API，可以直接訪問，允許在沒有下載任何插件的情況下使用2D/3D硬件加速應用。

WebGLU庫：WebGLU是WebGL與GLU的結合，提供封裝，在場景中放置Camera或者提供簡單的幾何圖形元素。

這兩個庫的調用可以完成多個功能，分別是攝像機控制、模型建模、場景搭建、射線碰撞、線段繪制、光影投射、場景邊界檢測、UI結構與實現(xiàn)等。

Ajax引擎：Ajax　不是編程語言，它的作用是創(chuàng)建更好更快以及交互性更強的　Web　應用程序的技術。通過　Ajax引擎，本虛擬實驗室的JavaScript　可使用 XMLHttpRequest　對象來直接與服務器進行通信。這樣　JavaScript　就可在不重載頁面的情況與　Web　服務器交換數(shù)據，使網頁從服務器請求少量的信息，而不是整個頁面。并可使因特網應用程序更小、更快，更友好[5]。

4.2 虛擬實驗過程設計

以往的虛擬實驗的操作方式過程和步驟是，首先步驟是操作者點擊鼠標或點擊鍵盤“進入”虛擬實驗室，接著步驟是“來到”規(guī)定的操作平臺，根據實驗內容用鼠標或鍵盤點擊、拖動、添加虛擬元件等操作方式來完成實驗，最終步驟是獲得實驗結果，歸納總結實驗。而本試驗系統(tǒng)在完成剛才的步驟后，還有不“虛擬”的部分，既根據剛才歸納的要點，去實訓場地在實訓設備上操作驗證。虛擬實驗室和實訓室連在一起，類似一體化工作室的模式[6]。

4.3 虛擬實驗室所需的場景及器件的建立

建立XML文件，取名level.xml，該文件的作用就是建立虛擬實驗室所需的場景及資源。

4.3.1 定義mesh

（1）建立1*1*1像素的立方體，36個定點矩陣。

-1.000000，1.000000，0.000000，

1.000000，1.000000，0.000000，

1.000000，1.000000，1.000000，

.

.

（2）建立法線。

（3）建立UV。

4.3.2 定義material

（1）材質貼圖建立

（2）UV模型建立

4.3.3 定義camera

建立camera，需要調整位置，及旋轉，達到三維的視圖效果。

4.3.4 定義scene

（1）建立主場景名。

（2）建立主攝像機

（3）建立環(huán)境顏色

4.3.5 定義object

（1）定義場景中的實體對象模型。

（2）定義場景中的實體對象材質。

（3）定義場景中的實體對象位置。

（4）定義場景中的實體對象縮放。

（5）定義場景中的實體對象旋轉。

5 總結

近年來，人工智能、網絡技術、模糊控制等技術發(fā)展迅速，也為解決此類問題開辟了許多新途徑。三維虛擬實驗室為學生提供了嶄新的實驗方法，將學生和實驗儀器聯(lián)系起來，起到了增強擴展實驗教學功能的作用[7]，這對改革傳統(tǒng)教學方法、提高教學質量、教育資源共享等方面都具有前所未有的重要意義。

參考文獻：

[1]李仁發(fā)，周祖德，李方敏等.虛擬實驗室網絡體系結構研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2002.

[2]劉志廣，呂保和，吳海霞，岳鋅.《智能化虛擬實驗室實現(xiàn)方法的研究》.

[3]程新麗.基于WebGL的虛擬實驗教學研究[J].科技經濟場，2011，09：12-13.

[4]梁勇，Java語言程序設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

篇8

    虛擬實驗室由于其廣泛的應用前景,許多研究機構都在大力開發(fā),并且取得了很大進展?；谔摂M實驗室的特點,它在實際中還常被用于輔助教學的開展。許多學校根據自身實際教學需求已經建立了虛擬實驗室,比較典型的有:(1)山西師范大學的物理虛擬仿真實驗室,[4]其目的是為了解決物理實驗教學中存在的一些問題。實驗室包括實驗儀器、實驗步驟、數(shù)據處理等子模塊,選用Cult3d和Flash作為其主要的開發(fā)工具,并且通過JavaScript在這兩種技術之間建立通信,為學生提供了一個操作方便的虛擬實驗系統(tǒng);(2)浙江大學的虛擬化學實驗室,是基于Web的虛擬實驗室,以VRML為基礎構筑虛擬實驗環(huán)境,并利用Java技術來實現(xiàn)虛擬實驗場景的人機交互。[5](3)文獻[6]所介紹的中學物理實驗室,則是基于Web的B/S體系結構,使用VRML和Java相結合進行開發(fā),由客戶端、Web服務器、應用服務器和數(shù)據庫服務器四大部分組成,集實驗教學、實驗操作與實驗報告于一體。盡管虛擬實驗室呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展景象,但是目前用于輔助教學的系統(tǒng)大多是為高校和中職院校的實驗教學而量身定做的。而在中學物理教學中,開發(fā)者往往只是制作單個虛擬實驗課件使用者利用這些實驗可以實現(xiàn)基本的模擬功能,但這些單個的虛擬實驗卻不能滿足使用者交流互動的需要,也無法實現(xiàn)教師對實驗教學的管理。針對這些不足,我們設計了中學物理虛擬實驗室,里面不僅包含基本的物理實驗,還為師生提供了下載中心、交流中心等輔助功能,讓系統(tǒng)更加人性化,更能滿足師生的實際需求。

    二、虛擬實驗室的總體設計

    通過學生的問卷調查以及與一線教師的實際訪談,根據師生的實際需要。該結構實現(xiàn)的主要功能為:(1)模擬實驗。中學物理虛擬實驗室的核心部分是虛擬實驗室。在儀器庫中,有各種實體儀器的模型,用戶在使用時只需將需要的儀器從庫中拖到實驗界面上,就可以對其進行操作。在本系統(tǒng)中,我們利用交互技術來模擬實驗動態(tài),使學生和實驗環(huán)境之間進行充分的交互。(2)實驗報告。本系統(tǒng)為每個實驗都提供一個實驗報告模板。學生在實驗過程中記錄產生的數(shù)據及圖形,并且根據實驗原理進行必要的數(shù)據處理。實驗完成后,用戶可以到下載中心下載對應實驗的報告模板,按要求編寫后,在登錄情況下提交。提交后,系統(tǒng)會將實驗報告發(fā)送至相應的任課老師那里進行批改。(3)交流互動。本系統(tǒng)在模擬實驗之外,還為用戶提供了一個交流互動的平臺。在這個平臺上,已登錄的用戶之間可以進行在線提問和在線答疑,同時還可以進行留言,提出自己的意見等。用戶在這個版塊上,還可以查看問答匯總,利用其他同學的經驗來提高自己的實驗能力。(4)資源共享。本系統(tǒng)還為用戶,提供了一些習題和實驗資料,用戶可以在線瀏覽,也可以下載。如果想共享資源,可以選擇上傳。上傳的資料在經過管理員審核后,即可顯示在資源共享欄中。(5)用戶模塊。該功能具體包括注冊新用戶、修改用戶密碼、找回用戶密碼、已注冊用戶登錄和退出系統(tǒng)。和大部分系統(tǒng)一樣,物理虛擬實驗室為每個注冊用戶分配一個賬號,并記錄用戶的相應信息,并保存至數(shù)據庫中,方便用戶查看個人之前的實驗記錄。其中應用程序中的用戶注冊和登錄模塊啟用了Forms身份驗證機制,并充分運用了成員資格和角色管理功能。(6)實驗管理。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中秉持可擴展性原則,為教師用戶提供了增加和刪減實驗的功能。教師可以通過設計新實驗來擴充實驗庫。同時教師還可以對儀器庫進行管理,根據實驗的實際需要,往儀器庫里增加或減少實驗儀器。(7)實驗指導。在做實驗之前,必須先了解該實驗使用儀器的參數(shù)設置、實驗原理及注意事項等。本系統(tǒng)為每個實驗都建立了一個文本形式的Web頁面,頁面包含了這些項目的詳細內容。學生在實驗過程中可以隨時瀏覽來指導實驗的順利進行。

    三、中學物理虛擬實驗室的實現(xiàn)技術

    1.Flash交互技術MacromediaFlash是一種交互式矢量圖編輯和多媒體創(chuàng)作軟件,具有存儲空間較小、效果和交互性能強大、跨媒體性強、成本低廉等特點。[7]ActionScript是Flash的腳本語言,利用它來控制Flash動畫中的對象,通過制作通用元件,將其編寫的代碼封裝起來。[8]這樣可以方便其他人使用。2.ASP.NET開發(fā)模型本系統(tǒng)最終是以網站的形式呈獻給用戶,在開發(fā)的過程中,我們使用了ASP.NET開發(fā)模式。3.數(shù)據庫技術SQLServer2005的安全性好,它提供了強大的數(shù)據庫備份和恢復功能,當故障發(fā)生時,能根據備份和日志迅速恢復到某一正確時刻;還提供了更好的并發(fā)控制功能以及大量的監(jiān)控和管理數(shù)據庫系統(tǒng)的工具。[9]在本系統(tǒng)中,使用SQLServer2005進行開發(fā),數(shù)據表由學生表、教師表、儀器表、報告表、資源表等組成。4.開發(fā)語言物理虛擬實驗室采用C#進行開發(fā)。C#是衍生于C/C++的一種面向對象的語言,有速度快、類型安全、靈活度高等特點。5.系統(tǒng)體系結構C/S(Client/Server,即客戶端/服務器)中,服務器是核心,客戶端則是基礎。用戶界面、業(yè)務處理都在客戶端實現(xiàn),而服務器則負責數(shù)據處理和維護的功能。進行實驗的操作、仿真各種物理現(xiàn)象都需要本地機參與工作,以提高工作效率。[10]

    四、虛擬實驗室的開發(fā)流程

    (1)制作虛擬儀器庫。Flash素材庫可以導入外部的素材與創(chuàng)建的元件。這些元件可以是從其他地方找來的素材圖片,也可以是用Flash制作出來的影片剪輯或圖形。在制作動畫時,只需從儀器庫中將元件拖放到實驗場景中,并通過添加腳本來控制儀器的運行。元件只需創(chuàng)建一次就可以反復使用。(2)設計與制作實驗場景。Flash動畫中,所有的實驗儀器都需要實驗場景來呈現(xiàn),從而為用戶提供一個接近真實的實驗環(huán)境。每個場景都有獨立的時間軸和圖層,用來放置不同的實驗對象,主要包括空間背景、實驗儀器、實驗臺等。(3)添加交互。在這個過程中,我們使用ActionScript來給動畫添加交互性,實現(xiàn)人機交互。(4)集成優(yōu)化和。完成Flash動畫的制作后,還要對動畫進行優(yōu)化。比如壓縮,使動畫能夠更快地下載和播放。用戶可以Flash為SWF、HTML、QuickTime、Gif、Macintosh以及可執(zhí)行文件的格式,這樣可以使Flash動畫以不同的格式播放,以滿足不同平臺的需要。

    五、虛擬實驗室的系統(tǒng)界面

    使用者在不登錄的情況下,可以瀏覽本系統(tǒng)的任何信息,也可以進入不同的實驗模塊,了解相關知識。要進入虛擬中心,使用者必須登錄,登錄后可以選擇點擊導航欄上的“虛擬中心”進入,也可以通過選擇所要做的實驗歸屬的類別直接進入相應的模塊。圖3為虛擬中心中電學模塊《電路連接》的實驗準備界面:實驗開始前,使用者可以在“實驗原理”中心查看信息,里面包含實驗電路圖以及不同的實驗電路連接方式,電流表和電壓表的參考示數(shù)。使用者在連接電路后,單擊“開始”按鈕進行實驗,實驗過程中用戶可以通過電流表和電壓表觀察示數(shù),還可以通過“停止”和“復位”按鈕對電路進行重新連接。

    六、虛擬實驗室的使用效果調查及評價

    為了測試本系統(tǒng)的使用效果,我們抽取了某校高中二年級的8班和10班為調查對象。這兩個班級人數(shù)相等,知識水平以及結構組成接近,其中8班為實驗班,10班為對照班。實驗內容為實物電路的連接,即根據給出的實驗電路圖,將所示各器材的實物圖正確連接。這部分實驗的難點在于滑動變阻器的接法。在實際教學中發(fā)現(xiàn),有些學生畫電路圖時頭頭是道,可在實物連接時卻束手無策,動手能力差。所以,針對這部分問題,本系統(tǒng)提供了實驗提醒功能,即在實驗器件相同的情況下,為每一組實驗電路圖提供了供參考的電壓表和電流表的示數(shù)。學生在實驗過程中,如果實驗數(shù)據與參考數(shù)據不一樣,系統(tǒng)則提醒學生出錯,建議學生自行檢查電路并改正,直至結果正確。這樣的過程原則上可以提高學生實物連接的能力。針對此次調查,事先設計了兩份問卷。問卷1側重知識與能力的檢測,測試內容為根據實驗電路進行實物連接,這份問卷同時投放給8班和10班;而問卷2的設計則從三維目標中的情感態(tài)度與價值觀的角度出發(fā),其中包含10道題,這份問卷僅投放給8班。

篇9

關鍵詞：虛擬實驗室計算機模擬多媒體技術

在高等教育實現(xiàn)大眾化的今天，由于眾多主客觀因素制約，國內許多高校教學質量有所下降，特別是在實踐教學中，出現(xiàn)重視課堂理論教學，忽視成本高、難度和質量彈性都較大的實踐教學。在全球競爭高度激烈的時代，市場經濟對人才所具備的創(chuàng)新精神、實踐能力的要求越來越高，如果高校所培養(yǎng)的學生理論基礎與實踐能力脫節(jié)，學生將無法立足于當前的市場經濟，因此，加強高校實踐教學工作是我們必須要解決的重要任務。

目前，國家已將培養(yǎng)適應新世紀現(xiàn)代化建設所需要的具有創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神高素質人才列為高等教育戰(zhàn)略工程，這種人才只有通過系列的實踐教學環(huán)節(jié)才能得到有效的培養(yǎng)。而我校許多學科專業(yè)都屬于實踐性較強的應用型專業(yè)，如何將學生的創(chuàng)新精神和實踐能力有機結合起來是我們面臨的難題，下面就如何培養(yǎng)提高學生的實踐能力談幾點自己的認識：

我校實驗教學計劃主要設置有無機化學、分析化學、有機化學、儀器分析以及物理化學等實驗課程，實驗教學分散在各門理論課程中，教學主要按照理論課講授的內容順序自成體系，各門實驗教學課程尚未進行整合形成一個科學系統(tǒng)的實驗教學體系，內容存在重復、脫節(jié)現(xiàn)象，不利于培養(yǎng)學生的綜合能力；實驗教學內容簡單分散，多為一些驗證性的實驗，實驗內容的深度和廣度也不夠，知識也不能及時得到更新，學生很難將化學知識和操作技能應用到工作中去解決實際問題；實驗的教學手段基本上采用傳統(tǒng)的一塊黑板、一套舊式儀器設備、一本實驗教材，缺乏計算機多媒體和先進儀器等現(xiàn)代化教學手段，教學方法主要是學生課前預習，教師重點講解和指導，學生按實驗指導書“照方抓藥”，進行機械式操作，最后填寫實驗報告，學生缺乏獨立思考和自己設計實驗的能力；實驗教學課時安排偏少，培養(yǎng)學生動手能力的實踐時間不能得到充分保證。

鑒于以上事實，我們認為虛擬實驗室的建設將在一定程度上解決目前存在的問題，有助于培養(yǎng)和鞏固學生掌握實驗基本理論、知識、方法、技能，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和綜合分析、解決問題能力以及培養(yǎng)學生初步的科學研究能力。其依據在于：化學虛擬實驗室充分利用計算機多媒體的技術，將化學實驗過程中的文、圖、聲像、動畫各種因素有機組合在一起，把一些抽象理論、復雜結構、虛幻情景、跨越時空等因素，通過三維動畫、視頻圖像、虛擬現(xiàn)實等手段形象生動地展現(xiàn)出來，使學生通過多種感官刺激全方位地獲取豐富的信息，學生對實驗過程和實驗現(xiàn)象觀察得很清楚，讓學生在計算機上操作也能達到身臨其境的效果，這樣就可以激發(fā)學生的學習興趣，起到良好的教學效果。

一、虛擬實驗室的建立有利于彌補實驗課時較少的問題

化學虛擬實驗室的建設，可以彌補實踐教學課時不足的問題，擴大學生的信息量。實驗教學是一種手腦并用的學習方式，既要動手操作又要動腦思考。但是由于實驗課時的限制，往往一個實驗環(huán)節(jié)需要在2～3個學時內完成，教師只能將儀器的使用和實驗方法進行簡要的示范和描述，一般很難有足夠的時間對整個實驗過程進行詳細的演示，學生也沒有充足的時間去思考，實驗經費不足，儀器數(shù)量少，不能滿足學生人人都能動手進行操作訓練，學生在實驗過程中難免出現(xiàn)各種各樣的錯誤，導致最后得不出正確的實驗結果，甚至在實驗課結束后，對所做實驗內容仍是一知半解。因此采用新的教學手段，引導學生的學習積極性，充分利用學校的校園網，在保證原來實驗課的基礎上，利用學生的課余活動時間，開通計算機網絡進行虛擬模擬實驗，其具體做法是：將實驗內容制作為教學軟件上傳校園網，使學生不受時間、地點、場所的限制，打開校園網就可以進行模擬實驗，這樣既可以節(jié)省經費，減少環(huán)境污染，又能為后續(xù)實驗奠定基礎，從而提高實驗教學質量，達到預期的實驗目的。其次虛擬實驗室的開發(fā)將知識性、趣味性融為一體，教學方法上采用啟發(fā)式教學，使學生從被動學習轉變成主動參與，從而有利于提高學生的綜合能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

二、虛擬實驗室的建立有利于學生加深對實驗安全規(guī)范的認識

化學實驗試劑大多數(shù)具有易燃、劇毒、腐蝕性，在實際操作過程中要求學生高度認真，以免失誤導致事故發(fā)生。虛擬實驗室的建設可以為學生提供一個虛擬的實踐空間，加深對實驗安全規(guī)范的認識，例如，通過虛擬實驗室計算機模擬出實驗中的錯誤操作，將水倒入濃硫酸中，液體沸騰并飛濺，并配上適當?shù)膱D像、聲音，從而使學生親自感受錯誤操作的危險性，提醒學生避免這些錯誤的發(fā)生，這樣就會給學生留下深刻的影響，對實驗中的安全規(guī)范操作引起高度重視，降低化學實驗室事故發(fā)生的概率，即使出現(xiàn)危急情況，學生在虛擬實驗室的訓練也有助于他們及時正確的處理。

三、計算機模擬有利于學生復習和鞏固

學生做完實驗后，由于受到主客觀條件的限制，一般難以再安排進行重復實驗，因而實驗知識往往得不到鞏固。如果將實驗內容設計成教學軟件，學生則可以自由地選擇時間和地點進行多次的模擬實驗，這無疑是對實驗課的一種有力補充。例如，在分析化學實驗模擬電光天平的使用，利用計算機模擬可達到以下效果：

1．演示

將拆散的天平部件逐一放在正確的位置，同時采用文字和語音提示該部件的名稱、用途以及使用時的注意事項等，當組裝完成后，再演示稱量操作的步驟。在該過程中，其動畫圖像清晰、逼真，語音提示可以加深學生對實驗步驟的重視和理解，相比之下常規(guī)演示實驗難以達到這種效果。

2．練習

給出拆散的各天平部件，讓學生自己去完成組裝和稱量練習，每一個操作步驟都給出正確與否的判斷，若錯誤則提示正確的操作方法。

3．鞏固

給出實驗器材，在沒有正確提示的前提下完成所有操作，正確時給出歡快的掌聲；錯誤時則指出其錯誤，同時給出提示并給予鼓勵至完全正確。

4．測試

在沒有任何提示的情況下完成所有操作，根據操作情況和所用時間計分，并在最后給出錯誤所在，因此這種計算機模擬實驗模式完全可以成為課堂教學的有力補充。

四、虛擬實驗室的建立有利于保護環(huán)境

常規(guī)的化學實驗中不可避免地要消耗大量的藥品和水資源，實驗過程中伴隨著有毒氣體、廢水以及有害物質，這既污染環(huán)境，又影響實驗效果，既不利于學生實驗能力的培養(yǎng)，也不利于環(huán)境保護。因此在保證實驗教學目的的前提下，對化學實驗內容進行大幅度改革和調整是非常必要的，例如，在學習硫的知識中可設計成模擬實驗：

（1）模擬硫與氧氣反應，指出生成的SO2是酸雨形成的主要成分之一，若直接排放到大氣中，就會產生環(huán)境污染；

（2）模擬實驗室中溫度計摔碎后對汞的處理，在汞的表面覆蓋一層硫粉，以防發(fā)生汞中毒等等，由于多媒體模擬化學實驗，畫面生動、逼真，特別是將反應過程慢放和重播，學生能清楚的觀察實驗過程和實驗現(xiàn)象，這就大大的激發(fā)了學生的學習興趣，學生在掌握知識的同時又可以加強環(huán)保意識，從而起到良好的教學效果。

虛擬實驗室的建立突破傳統(tǒng)實踐教學模式單一的局限，學生課前進入虛擬實驗室，利用多媒體虛擬操作進行前期實驗準備工作，后期在實驗過程中具體操作將有助于提高學生實踐能力，其具體操作程序為：

1．建立虛擬實驗室運行網絡平臺

通過建立網站教學平臺，為學生營造一個完全自主的學習環(huán)境，學生可以在該環(huán)境中通過自學、模擬、回答問題等多種學習方式，在實踐中得到提高。

2．化學實驗演示以及模擬課件的研制

研究、開發(fā)、制作化學虛擬實驗室支撐軟件，管理和開發(fā)有關實驗教學資源庫，通過對實驗教學資源的整理、存貯、加工、修改、整合以及維護等，使資源庫不斷完善和發(fā)展。

3．化學實驗內容的整合和優(yōu)化

為了使學生系統(tǒng)掌握化學基礎學科的實驗技能，培養(yǎng)科學素質、提高綜合分析問題和開展科學研究的基本思路，看準國內外實驗教學改革的趨勢，加強對學生實驗技能培養(yǎng)的系統(tǒng)性和連貫性，遵循教學規(guī)律和認識規(guī)律，并結合林業(yè)院校教學特點，對化學實驗教學內容進行整合優(yōu)化。實驗教學內容結構規(guī)范為：基礎實驗、綜合性應用實驗和研究（設計）型實驗等三個層次，使學生在掌握和鞏固化學實驗基本理論知識的基礎上，提高學生的綜合實踐能力以及初步的科研能力。

突破高等教育實踐教學沿用的傳統(tǒng)模式，建立化學虛擬實驗室，將現(xiàn)代多媒體技術應用在實踐教學中，并根據林業(yè)院校教學要求的特點，對化學實驗內容進行整合優(yōu)化，創(chuàng)建綜合實驗教學的新體系，從而培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力，提高學生實踐能力以及培養(yǎng)學生初步的科研能力。但是虛擬實驗室模擬技術不能完全代替學生動手做實驗，更不能使學生獲得化學實驗基本技能，它只是提供一種手段，起到輔助教學的作用，只有將其與傳統(tǒng)的教學手段有機地結合起來，找到一個合適的切入點，才能最大程度地發(fā)揮作用，從而達到提高實驗教學效率的目的。

篇10

隨著科技的不斷發(fā)展，單片機在機電工程與自動化等領域得到了越來越廣泛的應用。然而，由于單片機技術的實踐或教學環(huán)節(jié)較為復雜，因此對于經費的要求較高；并且，如果設計方案不合理，更會造成開發(fā)經費的進一步浪費。所以基于相關軟件建立單片機虛擬實驗室非常必要。本文就是單片機技術的實踐教學為背景，闡述了基于proteus軟件建立單片機虛擬實驗室的基本方法。

【關鍵詞】單片機 虛擬實驗室 proteus 仿真

單片機作為機電工程或自動化專業(yè)的一門重要課程，具有很強的實踐操作性。因此，在對其具體的學習過程中應充分實踐相關技能。然而，完整的實踐需要大量經費及合適的場地的支持，這些都使得單片機實驗室的建設受到了很大程度的限制。為解決單片機的實踐教學中存在的經費、場地及時間等問題，本文提出了一種利用proteus軟件建立虛擬模擬實驗室的方法。

1 簡介proteus軟件

本文建立單片機虛擬實驗室所使用的核心軟件就是proteus。它不僅能夠對單片機的CPU的運行情況進行仿真，而且對于單片機的外電路甚至于不包含單片機的電路，proteus軟件也能對其在一定程度上進行仿真。所以，我們在執(zhí)行相關程序時，重點考察的對象并不是存儲器的改變，而是直接觀察結果，看程序運行后電路的工作情況。只有這樣，單片機的實驗操作才能和相應的工程做到有機的統(tǒng)一。

2 簡述proteus軟件仿真的工作過程

基于proteus軟件的ISIS程序，系統(tǒng)即可進入仿真環(huán)境。具體應用proteus軟件的仿真過程可以簡述為以下幾步：首先，選中view菜單，根據具體情況設置捕捉對其項目的相關內容，并同時對system項中的界面大小、顏色等項進行相關設置。然后，運行元件命令后，打開pick devices，從中選擇并放置仿真電路所需的各種元器件，根據實際電路設計將其連接，并按要求設定元器件的工作參數(shù)，并在軟件環(huán)境下編程處理。其次，執(zhí)行Define code generation tools命令，確定編譯的路徑、工具等。最后，在執(zhí)行命令項Add/remove source files的環(huán)境下，輸入相應的電路程序，通過debug選項進行仿真檢測電路工作情況。

3 簡述單片機實驗的組織

單片機的實踐教學中，一般包括以下幾點：系統(tǒng)資源、軟件技術、硬件的接口電路、軟硬件結合的應用系統(tǒng)。下面以51單片機為例，簡述單片機實驗的組織情況。

3.1 關于軟件技術的實驗

關于軟件技術實驗，主要包括以下幾個方面：對具體語句的執(zhí)行、對具體算法的實現(xiàn)、對錯誤語法的檢查、對錯誤邏輯的驗證。當然具體實驗的操作還需根據具體情況而定。

3.2 關于硬件接口電路的實驗

單片機硬件的接口電路理論不僅涉及到電子電路的相關知識，還需要考慮到實際的應用需要。一般地，硬件的接口電路的相關理論主要包括如何選擇或連接元器件、如何設置電路更好的工作方式、如何保障電路的穩(wěn)定性以及其空間需求等知識內容。由于仿真情況下的電路工作環(huán)境與實際情況還是存在一定差距的，所以若進行單片機的實際教學，還需要求學生自己設計電路和電路的工作環(huán)境。通常情況下，可以讓學生根據相關的條件，使學生對接口電路及相應的程序自行設計；或者也可以讓學生根據程序設計對應的接口電路。

3.3 關于軟硬件結合的應用系統(tǒng)的實驗

實現(xiàn)軟硬件結合，單片機就有一個應用系統(tǒng)了。此時的重點將不再是硬件設施的相關問題，而是軟件系統(tǒng)如何設計、做相關的調試，并最終運行。

4 簡述虛擬實驗室的建立方法

要做好單片機的虛擬實驗室的建設工作，一般需要考慮以下幾個方面。第一，需要盡可能地保障虛擬環(huán)境與實際情況基本相符，虛擬環(huán)境下的硬件設備的供應盡可能完整。另外，在設計硬件電路時，一方面要考慮到對系統(tǒng)的擴展。也就是說，如果實際的應用系統(tǒng)需求的容量大于單片機的相關功能單元中的ROM，RAM，I/O口以及定時器、計數(shù)器等的設備容納量時，可以通過選擇適當?shù)男酒瑢纹瑱C進行片外擴展。另一方面，如果實際系統(tǒng)需要配置如鍵盤、顯示器、打印機、A/D 轉換器、D/A 轉換器等設備時，系統(tǒng)可以對接口電路進行合理設計以滿足設備調試。學生們通過對proteus軟件的科學應用，以上要求都可以實現(xiàn)。第二，通過使用WAVE軟件工具實施對應用軟件的編制和調試，學生可以借此學到單片機軟件的開發(fā)方法及相應的技巧。第三，在軟件的調試界面選用WAVE軟件，硬件的調試界面選用proteus軟件的基礎上，通過WAVE軟件與Proteus軟件的整合，即可以對虛擬的硬件和軟件進行總調。第四，將WAVE軟件和proteus軟件所提供的軟件和硬件調試進行有機整合。一般地，我們利用proteus軟件繪制出所要仿真的硬件的電路圖，利用WAVE軟件寫入相應的程序，進行編譯后，系統(tǒng)即會生成一個*.HEX文件；并且利用proteus軟件打開已繪制完成的硬件的電路圖，雙擊芯片89C51，并打開Program File選項，在加載完成生成的*.HEX文件后即可對編譯的程序進行仿真了。

5 結語

隨著單片機技術在社會、工程中的應用越來越廣泛，人們對其信息化、智能化的要求也會越來越高。因此，熟練掌握proteus等軟件進行相關的模擬仿真成為了單片機技術發(fā)展的必然。學習proteus軟件，不僅可以在機電、自動化等相關專業(yè)的教學中進行模擬仿真，還可以建立個人實驗室做仿真試驗，在減弱經費、時間、場地等客觀條件對單片機實驗的限制的同時，也在一定程度上提高了學生以及相關工程人員的實踐操作能力，并且對進一步推動單片機技術的發(fā)展起到了重要的作用。

參考文獻

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