數(shù)字化校園環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思考

劉東生 王利森

（巢湖學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中心，安徽 巢湖 238000）

數(shù)字化校園環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思考

劉東生 王利森

（巢湖學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中心，安徽 巢湖 238000）

本文基于教育技術(shù)、虛擬儀器設(shè)備、數(shù)字化校園在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研中應(yīng)用的思考，針對(duì)我院的現(xiàn)實(shí)和發(fā)展目標(biāo)，介紹了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵、優(yōu)勢，給出了應(yīng)用實(shí)例，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的思路和方案進(jìn)行了探討。

虛擬實(shí)驗(yàn)；數(shù)字化校園

數(shù)字化校園就是利用先進(jìn)成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過科學(xué)合理的管理規(guī)范與完備通用的技術(shù)規(guī)范，基于統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)整合、集成各種信息資源，構(gòu)建安全、可靠、可擴(kuò)展、易維護(hù)的綜合平臺(tái)，建設(shè)的目的主要體現(xiàn)在為學(xué)?！敖虒W(xué)”和“管理”兩大功能提供的服務(wù)上。2012年我校將投資1600萬元人民幣的數(shù)字化校園建設(shè)項(xiàng)目，如何把握這一契機(jī)，充分利用校園資源，建設(shè)我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬平臺(tái)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，將是我們不可回避一個(gè)思考內(nèi)容。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的概述

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種基于Web技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建起來的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)室為開設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)類似，可供學(xué)生在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，利用虛擬器材庫中的器材，自由搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，完成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案，并可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行方案討論，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識(shí)，科學(xué)的指導(dǎo)和敏捷的反饋。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢

長期以來困擾我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展原因，從表面上看，主要問題在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入的嚴(yán)重不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備緊缺和老化，實(shí)驗(yàn)教學(xué)用房面積缺口較大，實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍不穩(wěn)定，不能滿足當(dāng)下各系的學(xué)科專業(yè)發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。但從深層次上看，真正制約的瓶頸是，我們的教育思想和教育觀念不夠解放，現(xiàn)代化的教學(xué)資源不能充分利用。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不乏為當(dāng)下我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高提供了一個(gè)有效的問題解決方案。

2.1 節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入?；跀?shù)字化校園的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中人力、物力和財(cái)力的投入，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)耗材都是通過虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的調(diào)整、實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化，再也不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能的制約，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備功能缺乏、性能老化，更新補(bǔ)充不到位等問題，從而影響整過教學(xué)的正常開展。

2.2 提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全系數(shù)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可能會(huì)由于操作不慎或其他原因，使得人身安全或者儀器設(shè)備安全受到威脅甚至造成損失。在各種電子實(shí)驗(yàn)中，低壓電路實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)因?yàn)樵O(shè)備原件的老化，造成短路，損壞儀器或芯片；而高壓電路則會(huì)發(fā)生設(shè)備漏電，造成觸電事故。對(duì)于一些化學(xué)化工的高危險(xiǎn)類實(shí)驗(yàn)，我們不會(huì)親自去體驗(yàn)，但通過虛擬可進(jìn)行模擬仿真，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.3 改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)環(huán)境。首先網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室更具有開放性，他有效地打破了時(shí)間和空間的界限，學(xué)生可以靈活安排自己的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也可以根據(jù)專業(yè)、興趣、愛好，對(duì)自己完成的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其次，他使實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)效果的最優(yōu)化成為可能，學(xué)生不再因受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材等限制，方便、快捷、及時(shí)地對(duì)某一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行反復(fù)比較實(shí)驗(yàn)。

2.4 優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可以充分發(fā)揮現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的功能和應(yīng)用，通過ORACLE集群、虛擬主機(jī)集群、服務(wù)器集群、計(jì)算機(jī)云技術(shù)等措施，共享教學(xué)資源，運(yùn)用IPS入侵防御系統(tǒng)設(shè)置策略，確保系統(tǒng)的安全。就當(dāng)下，也在很大程度上緩解了實(shí)驗(yàn)用房緊張，保證了整過教學(xué)計(jì)劃有序執(zhí)行。

2.5 降低了實(shí)驗(yàn)教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的工作量。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，受到教學(xué)時(shí)間和課時(shí)量等多種因素限制，管理、技術(shù)人員也不可能及時(shí)對(duì)現(xiàn)場出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、維修完畢，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師更不可能將各種可能發(fā)生的實(shí)驗(yàn)情況一一羅列出來。學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和內(nèi)容，而且在過程中很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和問題，自己就迎刃而解了，再進(jìn)入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，那叫一個(gè)字——順！同時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊哺用鞔_。

3 軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬實(shí)驗(yàn)中心主頁，輸入個(gè)人信息，經(jīng)過用戶認(rèn)證，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，選擇實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊和具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展實(shí)驗(yàn)。以下為電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中的三極管放大電路虛擬實(shí)驗(yàn)。

在模擬電子技術(shù)課程中，三極管放大電路的直流分析和交流分析是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)初期，由于剛接觸，概念抽象，認(rèn)識(shí)模糊，尤其對(duì)放大電路失真的原因、關(guān)系、本質(zhì)理解不深。在虛擬實(shí)驗(yàn)室該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面，學(xué)生首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，從器件庫中“取出”所需的各種電子元件，在界面“測試電路區(qū)域”構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)電路（圖示），加電后，在設(shè)備庫中選擇萬用電表，測試靜態(tài)工作點(diǎn)電壓。選擇信號(hào)發(fā)生器和示波器，可方便測出上圖所示中該電路對(duì)信號(hào)的不失真放大倍數(shù)。改變基極偏置電阻值，從而改變靜態(tài)工作點(diǎn)，導(dǎo)致飽和失真與截止失真的因果關(guān)系一目了然，如圖所示。全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在網(wǎng)絡(luò)上直接上傳提交，經(jīng)教師批閱后，獲得實(shí)驗(yàn)成績。

由于進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室必須是實(shí)名登錄，他與全校的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)共享全部的信息資源，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是有網(wǎng)站自動(dòng)生成，所以學(xué)生無法對(duì)此實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)論進(jìn)行復(fù)制和修改，有效避免了少數(shù)學(xué)生拼湊實(shí)驗(yàn)結(jié)果、抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象。

4 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)思路

虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)以數(shù)字化校園為依托，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的補(bǔ)充和完善，形成獨(dú)立性與統(tǒng)整性、學(xué)際性與開放性、主體性與合作性、現(xiàn)實(shí)性與靈活性的有機(jī)統(tǒng)一。第一，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)總體設(shè)計(jì)上，要符合“主體的主動(dòng)性、結(jié)論的可計(jì)量性、結(jié)論的客觀性、過程的可重復(fù)型和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)論的連續(xù)性（因果關(guān)系）”這一實(shí)驗(yàn)的基本屬性。第二，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)上，使之不僅與專業(yè)教育相結(jié)合，同時(shí)與就業(yè)市場相結(jié)合，形成由“基本實(shí)驗(yàn)-綜合實(shí)驗(yàn)-設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)-畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐”的由淺入深，由易到難，由簡單到綜合，一體化多層次模塊式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)。第三，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理上，通過開放式的管理平臺(tái)，構(gòu)建出多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控主體體系和多層面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控客體體系，形成對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量多要素、多角度、多層次、多形式的監(jiān)控，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)子系統(tǒng)，從而及時(shí)、全面、準(zhǔn)時(shí)、系統(tǒng)地掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的運(yùn)行。第四，在建設(shè)的步驟上，要結(jié)構(gòu)科學(xué)，系統(tǒng)開放，逐步擴(kuò)充。首先要能滿足新建專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等實(shí)驗(yàn)基本環(huán)節(jié)的急需，然后在功能上逐步擴(kuò)充、性能上進(jìn)一步完善，面向各學(xué)科專業(yè)有計(jì)劃進(jìn)行推廣。在學(xué)校財(cái)力、人力允許的情況下，啟動(dòng)儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，探索遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，直至建設(shè)成我院的校級(jí)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)中心”，面向企業(yè)、科研和社會(huì)進(jìn)行有償服務(wù)。

5 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是基于數(shù)字化校園建設(shè)的項(xiàng)目基礎(chǔ)之上，子項(xiàng)目的框架結(jié)構(gòu)為如圖所示：采用瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)和應(yīng)用（BSDA，Browser/Server/Database&Application）結(jié)構(gòu)，由客戶端、網(wǎng)頁服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端以及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認(rèn)證管理、開放式交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實(shí)驗(yàn)儀器、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫的主要作用則是配合用戶帳戶的管理、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的生成以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，主要由模擬仿真和實(shí)時(shí)測量兩個(gè)部分組成，如圖所示。模擬仿真部分，主要完成驗(yàn)證型、原理演示型實(shí)驗(yàn)，使用LabVIEW自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，直接在Web服務(wù)器端生成嵌入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的www網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此部分是我院虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的第一步。

實(shí)時(shí)測量部分，主要完成大型儀器設(shè)備的共享型，遠(yuǎn)程控制型的教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)。他有一個(gè)多媒體輔助模塊，是對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的虛擬呈現(xiàn)，讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)時(shí)測量模塊之前來操作，用來檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉具體的實(shí)驗(yàn)步驟；另一個(gè)是實(shí)時(shí)測量模塊，它是實(shí)時(shí)測量部分的核心，負(fù)責(zé)本地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并按遠(yuǎn)程用戶的操作要求進(jìn)行分析、存儲(chǔ)以及顯示，可使用LabVIEW的網(wǎng)頁發(fā)布功能來實(shí)現(xiàn)，也可使用基于LabVIEW編程的Application Server模塊與客戶端API模塊來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信，完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

6 結(jié)束語

一流的大學(xué)必須有現(xiàn)代化的教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，現(xiàn)代化的教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方向?yàn)椋海?）現(xiàn)代化儀器設(shè)備本身應(yīng)是可編程的，功能上很大程度可由使用者自行定義和設(shè)計(jì)，便于開展研究性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。（2）各種測量儀器設(shè)備不應(yīng)是彼此間相互孤立的，必須能與計(jì)算機(jī)相連，組成一個(gè)以計(jì)算機(jī)為中心的測量系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)應(yīng)為開放式的，能夠通過校園網(wǎng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的儀器與測量環(huán)境，共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（4）實(shí)驗(yàn)室的管理應(yīng)是科學(xué)、透明和規(guī)范的，通過有效的管理，提高經(jīng)費(fèi)投入效益，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。我院“十二·五”規(guī)劃中明確了學(xué)校發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)：“辦合格，有特色，上層次”，則在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和規(guī)劃上，我們必須提煉出行之有效建設(shè)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]何克抗等.現(xiàn)代教育技術(shù)研究與應(yīng)用[M].西南師范大學(xué)出版社，2001.

[2]尚榮.淺談虛擬儀器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)教育研究，2010，（1）.

[3]劉澤良.發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，（7）.

[4]付永慶,黃麗蓮.網(wǎng)上虛擬電路實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，（5）.

[5]王涌,李國麗.建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，（9）.

ON THE CONSTRUCTION OF VIRTUAL LABORATORY IN DIGITAL CAMPUS ENVIRONMENT

LIU Dong-sheng WANG Li-sen
（Basic Experimental Teaching and Training Center of Chaohu University,Chaohu Anhui 238000）

This article introduces the connotation and advantages of network virtual laboratory,gives application examples and explores the ideas and programmes on the construction of virtual experiment center based on thinkings of the application of educational technology, virtual instrument and equipment and digital campus in experimental teaching and research, considering the reality and development objectives of our college.

virtual experiment；digital campus

book=157,ebook=12

G434

：A

：1672-2868（2012）04-0157-04

責(zé)任編輯：陳 鳳

2012-01-20

劉東生（1963-），男,安徽肥東人。巢湖學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：教學(xué)資源開發(fā)利用。