網絡虛擬實驗室結構研究

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摘要隨著計算機、網絡技術的不斷發展，網絡虛擬實驗室得到越來越多的應用。介紹了虛擬實驗室的基本特點及其體系結構，實現虛擬實驗室的四種關鍵技術：Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探討了虛擬實驗室開發過程當中應注意的幾個問題。

關鍵詞虛擬實驗室遠程教育現代教育技術

迅速崛起的現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的教育模式，使得教與學方式發生了革命性的變化。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展及其特點

網絡虛擬實驗就是在WEB中創建出一個可視化的環境，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：DigitalLab、MBL（Micro-computerBasedLab），盡管這些名詞不統一，但他們的實踐從不同的層面實現了虛擬實驗室。

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（LearnAnytimeAnywherePhysics）

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JavaApplet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；協作學習模塊。

虛擬實驗室最大的優點是成本低，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：與現實的一致性（或現實的延伸）、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、實驗課教學指導系統，網絡實驗仿真等為一體的功能強大的網上運行系統。各部分之間相互聯系相互補充，僅具有相對獨立性。開發虛擬環境，實現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：

3.1Java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，這一點對于構建網上虛擬實驗室系統來說也是非常關鍵的。3.2ActiveX控件

ActiveX技術允許不同軟件開發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過程中，一個實驗儀器可以在多個實驗環境中重復使用，這一點對于持續開發過程尤為重要。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ActiveX組件的環境有很多，其中開發效率最高和最易上手的是VisualBa?鄄sic。

3.3VRML技術

VRML是虛擬實境描述模型語言(VirtualRealityModelingLanguage)的簡稱。它是描述虛擬環境中場景的一種標準，也是在網上實現虛擬現實的關鍵性技術。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實現與Internet虛擬現實交互有下面幾個好處：豐富了媒體表現形式、協同工作角色的可視化管理、改善了協同環境的用戶界面、增強了協同環境的交互性?？梢?，將VRML融合到網上虛擬實驗室的開發過程中，既可以增強表現力和用戶的接受力，又可以實現較好的協同工作虛擬化環境。

3.4ASP技術

ASP（ActiveServerPages，動態服務器端網頁），內含在InternetInformationServer3.0及其以上版本中，提供一個服務器端的腳本環境，用于產生和執行動態、高效率的網絡服務器應用程序。ASP不只是動態的網頁，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過程當中應注意的幾個問題

計算機軟件技術發展到今天，為虛擬實驗室開發提供了極大的方便。目前開發所需的系統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，消息循環的程序設計方法及多媒體操作技術。在開發過程當中要注意以下幾個問題：

事件觸發時機的選擇，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或隨機觸發的事件，若為隨機觸發的事件則可用一定時限內的隨機數來取代固定時間。

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

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，而現在將這些機械及電子邏輯關系使用計算機軟件實現。

故障發生器，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，要求在虛擬系統中也能模擬手柄失靈、儀表信號不顯示及自然災害發生的情況等，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、發展前景，隨著虛擬實驗的普及，其優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，在實驗室建設和發展中，充分考慮投資效益，建設現代化的實驗室。其次要培養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，促進實驗教學發展。虛擬實驗的應用和發展，加快了實驗室發展和實驗教學改革，促進了教育觀念的改變。是培養創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

1崔光佐．基于多媒體和Internet的輔助教學模式［J］．中國CAI快訊，1999

2王河，顧君忠．Internet上協同環境的虛擬現實交互技術［J］．計算機應用