虚拟实验室的探讨与研究

摘要：随着网络技术、虚拟现实技术的发展及实验教学模式的变革，开展基于网络的虚拟实验教学解决了传统实验教学中的许多问题，被认为是极有发展和应用前景的教学策略之一。该文探讨了一个虚拟实验室构建的全过程，研究了虚拟实验室在实验教学中的可行性和必要性。

关键词：主机；虚拟实验；网关

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)08-1940-02

Discussion and Research of Virtual Laboratory

QI Ju-hui

(College of Textile Engineering and Art, Taiyuan University of Technology, Jinzhong 030600, China)

Abstract：With the development of web technology，virtual reality technology and changes in experiment teaching mode, web-based virtual experiment cooperative learning can solve a lot of problems in traditional experiment teaching, It is considered as one of the web-based teaching strategies with promising prospects of development and application. This paper discussion the whole process of the design on a virtual laboratory, research the feasibility and necessity of the view that virtual experimental is applied in the experimental education.

Key words：host computer; virtual experimental ; gateway

计算机虚拟技术是利用电脑的模拟技术，实现和实际的硬件设备功能相同的软件，生成的软件，比实际的设备功能更强，使用更方便，好像使用真的设备一样，对各种知识的学习和掌握能身临其境，继而达到事半功倍的效果[1]。虚拟实验室能在计算机上营造可辅助、部分替代传统实验室的相关操作环境。

1系统功能

虚拟实验室的主要任务是通过计算机来实现集成实验环境,达到生成分布式仪器和系统的目标。虚拟实验室应达到以下几点要求：一是能够提供高逼真的虚拟实验环境，并对所用的虚拟仪器、元器件可根据需要搭接和操作；二是可根据需要定制实验内容、虚拟元件和仪器库，能够对实验整个过程进行实时仿真，具有良好的开放性；三是具有完善的辅助功能，如教师演示、实时指导、学生自主学习、提交实验报告和教师评阅、考核和评价功能等。

2系统的设计

应当明确的是，建立虚拟网络必须以最先进的技术和最经济的方式为学校和学生提供一种科学、实用、经济、可靠的全新实验教学手段，以满足未来竞争对教育日益增长的需要，因此系统开发需要遵循一定的设计原则，由此也决定了系统所应具备的技术特点。

2.1虚拟实验室的设计原则

概括地说，虚拟实验室设计应遵循以下原则：

2.1.1实用性原则

虚拟实验室必须具有与实际实验室相同的性能，能够完成实际要求的各种实验，并且安装、使用、维护都比实际实验室简便。

2.1.2经济性原则

虚拟实验室必须以最少的投入来建立，不但要降低虚拟实验室本身的构建成本，而且要降低综合成本(包括使用成本、维护成本等)。

2.2虚拟实验室的结构

目前虚拟实验室大多采用基于Internet的C/S（客户机／服务器）结构，由客户端、应用服务器、数据服务器三部分组成。有少部 分使用基于Web的B/S（浏览器/服务器）结构，只需要有Web服务器，客户端使用浏览器进行操作，减少了系统服务器的负担，升级和维护变的简单。

C/S结构将主要的功能在客户端运行实现，大多采用VB、Delphi等可视化开发工具开发客户端应用程序。而基于Web的B/S（浏览器/服务器）结构主要的功能在服务器上给予实现。

C/S结构按其功能可分为三类：软件共享虚拟实验室，仪器共享虚拟实验室,远程控制虚拟实验室。软件共享虚拟实验室不能连接真实的硬件设备，只能使用软件模拟实验的过程。仪器共享虚拟实验室，服务器接受客户机的实验请求和实验参数，使用与之连接的实验仪器设备，并将实验结果返回到客户机，实现实验仪器的共享。远程控制虚拟实验室除了能实现实验仪器的共享，还能实现客户机对实验仪器设备的远程控制。

基于Web的B/S结构按层次可分为三层：第一层为表现层，通俗讲就是用户界面程序，它通过使用中间层的服务来实现其功能，客户端的配置很简单，不需要安装任何软件，利用客户端电脑的IE浏览器完成操作。第二层为业务逻辑层，由许多提供各种服务的独立的中间层部件组成。第三层是数据访问层，直接对数据库进行增、删、改、查等操作。在B/S的三层架构中，系统的维护和升级只在服务器上进行，比C/S结构更简单高效。

3系统的设计与实现

虚拟实验室的设计有多种方式，无论用哪种方法实现，虚拟实验室都应具备以下基本功能：注重多感知性；注重沉浸感；注重交互性；注重真实性。虚拟实验室的设计和实现的过程，最终在于将设计要求和设计思想转变为软件的编制。部分大型、功能复杂仪器的虚拟设计往往使初学者无从下手，在设计过程中可采取分解组合的方法，可以将虚拟实验室按功能分解成各种不同的虚拟仪器，而虚拟仪器又可以分解成具有特定功能的元件，分别设计各元件，最后组成虚拟实验室。

3.1虚拟仪器的构造方法

所谓虚拟仪器，就是在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能，用户操作这台计算机，就像是在使用一台专门设计的电子仪器。虚拟仪器利用现有的计算机,配上相应的硬件和专用软件,达到既有普通仪器的基本功能,还具有一般仪器所没有的特殊功能，它的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。这样我们可以在计算机的基础上添加少量的硬件设备或者直接在计算机上开发虚拟仪器。[3]。

建造组成虚拟实验室的各种虚拟仪器，将虚拟仪器分解成具有特种功能的各个元件，确定每个元件之间的相互关系将成为关键。分解和组合的过程，可以利用VB或其它语言来实现，VB的特性满足了建立虚拟仪器和设计虚拟元件的各种需要。可以利用VB的各种控件，建立虚拟仪器的元件。通过设置VB控件的属性来设计元件的外形尺寸和位置，再对每个控件事件的编程，可实现此元件与其它元件之间的关系以及此元件的功能。

3.2界面设计

界面交互性能的优劣将直接影响学习者的学习兴趣和学习效果，由于实验操作本身的强参与性和可操作性要求其具备极强的交互性能，而界面交互性是基础和保障。因此系统界面的设计也是十分重要的问题，界面的好坏将直接影响用户使用的效果。通过实验设备、菜单、按钮等可控部件来支持学习者与系统之间的交互操作，借助平面图像处理技术、三维立体处理技术，把各个虚拟仪器和元件做出其三维模型，使得学生如同到了一个真实的实验环境，增强学生学习兴趣，提高学习效率。

4结束语

该文对虚拟实验室构建进行了研究，探讨了虚拟实验室在计算机实验教学中的可行性和必要性，我们已经建立的虚拟实验室系统，克服了传统实验室对硬件环境的依赖，可在虚拟环境中开设各类创新性实验，有效降低了实验成本，极大提高了实验设备的安全性和利用率，它的推广和普及必将对我国高等院校实验教学产生积极的影响。应该指出的是，因为虚拟实验室毕竟虚拟的，在真实实验室中通过对故障的产生、分析和排除等培养学生能力的情景，在虚拟实验中是不可能完全做到的，虚拟实验室不应该将真实实验室取而代之。虚拟实验训练与测试只是实验教学的一种手段，是真实实验教学的必要补充[4]。

参考文献：

[1]刘永清.计算机虚拟技术在教学中的应用[J].电脑学习,2002(2):20-21.

[2]胡惟文.基于LABVIEW的虚拟实验室研究[J].中国科技信息,2005(23):18-23

[3]周敬森.基于LabVIEW的“信号与系统”实验软平台构建[J].现代电子技术,2011(23):38-42

[4]冯乃光.网络课件中虚拟实验的操作及管理研究[J].现代远程教育研究,2003(2):44-46.