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一、虛擬實驗室的研究背景

網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)改變了人類的生活方式，大大提高了人們通信的效率和速度，使得不同地域的人們可進行實時對話。作為教育本身來說，為了給社會培養(yǎng)更多的高質(zhì)量技術(shù)人才，其教學(xué)模式必將隨著通信手段的提高進行相應(yīng)的改進，如何利用internet進行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為近年來各國教育界的重要研究課題。其實遠程教學(xué)很早就開始了，如函授大學(xué)、電視大學(xué)等，只是由于現(xiàn)代的WWW技術(shù)給遠程教學(xué)提供了前所未有的交互性和巨大的資源共享潛力，遠程教學(xué)最近才得到如此重視。盡管目前人們對基于WWW的遠程教學(xué)模式還不是完全清楚，但有一點是確定的：基于WWW的遠程教學(xué)在不久的將來會成為一種重要的教育模式。作為一種教育模式，現(xiàn)代遠程教學(xué)應(yīng)該是教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體四要素的綜合體現(xiàn)，是在WWW環(huán)境中展開的教學(xué)活動的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式。與現(xiàn)代教育一樣,現(xiàn)代遠程教育也應(yīng)強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的能力、素質(zhì)與創(chuàng)造性，要求學(xué)生能靈活地掌握知識，其教育理論和學(xué)習(xí)理論應(yīng)建立在建構(gòu)主義基礎(chǔ)上，強調(diào)以學(xué)為中心的教學(xué)模式。該教學(xué)活動應(yīng)重點考慮以下三方面：要在學(xué)習(xí)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，要能體現(xiàn)出學(xué)生的首創(chuàng)精神；要讓學(xué)生有多種機會在不同的情境下去應(yīng)用他們所學(xué)的知識(將知識“外化”)；要讓學(xué)生能根據(jù)自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認(rèn)識和解決實際問題的方案(實現(xiàn)自我反饋)。以上三點，即發(fā)揮首創(chuàng)精神、將知識外化和實現(xiàn)自我反饋可以說是體現(xiàn)以學(xué)生為中心的三個要素，是培養(yǎng)現(xiàn)代人才的必備條件。

然而，從目前的遠程課件來看，其網(wǎng)上素材基本分為兩類：靜態(tài)與動態(tài)。靜態(tài)素材一般是將書本、教案等以靜態(tài)的形式放于網(wǎng)上；動態(tài)素材一般是在靜態(tài)素材中出現(xiàn)的一些動畫表現(xiàn)。雖然后者以動畫的形式表現(xiàn)，但并不具備可變性，不能給學(xué)生提供真實的情景，很難達到以上的三點要求，即很難保證學(xué)生的質(zhì)量。對于計算機專業(yè)來說，學(xué)生的大部分能力都是通過實驗得到的，真實的情景是現(xiàn)代遠程教學(xué)質(zhì)量提高的關(guān)鍵?；诖?網(wǎng)上實驗已成為遠程教學(xué)研究的重要方面，而且已有很多成果出現(xiàn)。ICHIGAN大學(xué)為操作系統(tǒng)和高級語言課程建立了網(wǎng)上系統(tǒng)實驗室，其實驗都是基于軟件環(huán)境的，不涉及硬件模擬；PURDU大學(xué)建立了一種交互式的網(wǎng)上學(xué)習(xí)環(huán)境：學(xué)生可在網(wǎng)上做一些簡單的交互式硬件實驗，但由于其代碼是用JAVA語言編寫的，其實驗的復(fù)雜度受到一定的限制。然而，對于計算機專業(yè)來說，其中很多實驗計算量相當(dāng)復(fù)雜，例如處理器設(shè)計、復(fù)雜電路設(shè)計等，要完成真實的實驗過程，這些計算量在客戶端利用APPLET在執(zhí)行時間上是難以接受的。

針對目前網(wǎng)上實驗存在的問題，在實驗教學(xué)過程中，結(jié)合實際情況我們研究設(shè)計了《計算機組成原理》虛擬實驗室。從理論上講，《計算機組成原理》虛擬實驗室的研究是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的一種改革，為打破傳統(tǒng)模式的局限性，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，促使實驗教學(xué)由實物實驗教學(xué)向虛擬實驗教學(xué)、遠程虛擬實驗教學(xué)發(fā)展，提供了最佳解決方法。《計算機組成原理》虛擬實驗室將遠程教育的概念引入到實驗教學(xué)之中，結(jié)合強大的網(wǎng)絡(luò)功能，使得以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室資源以及虛擬實驗室儀器設(shè)備等資源的共享成為可能，它允許人們通過網(wǎng)絡(luò)訪問和使用自己沒有的設(shè)備資源，使得處于不同地理位置的學(xué)習(xí)者可以同時對一個實驗項目進行實驗操作，實現(xiàn)用戶信息的協(xié)同共享，同時可以及時的接觸到最新的儀器。

在實踐意義上，《計算機組成原理》虛擬實驗室通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)和實驗教育應(yīng)用功能的開發(fā)、通過運用現(xiàn)代先進的計算機技術(shù)來改善實驗教學(xué)環(huán)境，建立與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)系統(tǒng)，及時更新教學(xué)內(nèi)容，高效率傳播先進的科學(xué)技術(shù)，普遍提高學(xué)生實驗操作能力，從實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。項目的研究和實施將極大緩解實驗設(shè)備經(jīng)費、實驗教學(xué)人員不足，實驗教學(xué)內(nèi)容更新緩慢等問題。極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實驗操作能力，從實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并有助于校際之間、學(xué)校與科研院所之間、學(xué)校與企業(yè)之間及學(xué)校與社會之間實驗資源的交流和共享。

二、虛擬實驗室方案研究

1、功能架構(gòu)

《計算機組成原理》虛擬實驗室構(gòu)建了高等院校計算機組成原理的網(wǎng)絡(luò)實時虛擬實驗平臺，提供了運算器、控制器、靜態(tài)和動態(tài)存儲芯片、譯碼電路芯片、以及其它可編程芯片和常用的門電路邏輯芯片，可進行計算機組成原理的設(shè)計與虛擬實驗。并且在相關(guān)匯編編譯系統(tǒng)及監(jiān)控程序的配合下，同虛擬實驗電路一起，可實現(xiàn)更為高級的應(yīng)用。《計算機組成原理》虛擬實驗室提供了高校實驗室的相關(guān)管理功能，包括實驗資源及信息的網(wǎng)上，實驗演示，學(xué)生實驗報告的編寫、實驗報告的提交匯總、教師對實驗報告的批改和評分管理，以及教師在線實驗答疑等主要功能；虛擬實驗室還提供了網(wǎng)上理論知識測試功能，有助于提高學(xué)生或其他使用者的理論知識水平，使得學(xué)生及其他使用者在計算機組成原理的理論和實踐這兩個層面上都能夠得到較好的提高。整個虛擬實驗室通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)和實驗教育應(yīng)用功能開發(fā)，構(gòu)建一個集實驗教學(xué)、演示、操作、指導(dǎo)、結(jié)果提交管理為一體的數(shù)字化實驗教育環(huán)境，具體功能如圖1所示。

2、具體實現(xiàn)

（1）外部接口

《計算機組成原理》虛擬實驗室平臺采用易于擴展及平臺移植性好的Java語言實現(xiàn)，利用ASP實現(xiàn)實驗室的管理功能。虛擬實驗室平臺可運行于安裝Java虛擬機的各種平臺，管理系統(tǒng)則需要IIS的支持。

《計算機組成原理》虛擬實驗室主要用于高校計算機組成原理實驗，面向廣大學(xué)生和教師，其頂層圖如圖2所示：

（2）內(nèi)部接口

《計算機組成原理》虛擬實驗室基于硬件和軟件虛擬的特殊性質(zhì)，采用了多種結(jié)構(gòu)以支持電路的實驗設(shè)計和有效運行，從總體上主要劃分為三大模塊：虛擬時鐘、電路芯片、電路板連線。由虛擬電路板對三大模塊進行協(xié)調(diào)配合運行。虛擬時鐘和電路芯片采用線程結(jié)構(gòu)以提高運行的實時性，通過連線進行邏輯信號的實時傳送，以實現(xiàn)與真實電路相同的效果。

三、結(jié)論

在虛擬實驗室中通過鼠標(biāo)的點擊及拖曳操作，用戶可以方便地進行虛擬、仿真實驗。虛擬實驗室具有透明性、互動操作性、資源共享性、用戶自主性、可擴展性、安全性等特點，能真正突破地域和時間的限制，達到遠程實驗教學(xué)的目的，它在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是實驗教學(xué)改革的一個新發(fā)展方向，也是今后遠程教育發(fā)展的主流與趨勢。

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