高校虛擬實驗平臺的設計及教學應用研究*

管雪梅，戴天虹，王鐵濱

(東北林業(yè)大學)

0 引言

高等教育特別是工科教育效果與實驗手段息息相關，它使學生更好地感受、理解知識，讓枯燥的理論變得易于理解．但限于條件原因，且資源嚴重分配不足，大大限制了實驗的開發(fā)和應用．且技術更新速度快，實驗儀器購買速度很難跟上這個步伐．即便是較新的設備，傳統實驗在空間和時間上的限制也可能無法滿足大量學生同時進行實驗的需求．另外，傳統實驗每個學生的實驗內容千篇一律，將學生的思維限定在一個狹窄的范圍內，缺乏對學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高．

虛擬實驗系統是指采用網絡技術、遠程控制技術、虛擬現實技術、計算機仿真技術、多媒體技術等實現的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果．無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時通過虛擬實驗系統進行虛擬實驗．這將大大提高實驗設備的運用率，省事、節(jié)省經費，且達到或超越教學預期效果．

1 虛擬實驗平臺設計方案

1．1 概念

虛擬實驗平臺通常是一種基于Web技術、VR(Virtual Reality)虛擬現實技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化．虛擬實驗平臺構架如圖1所示．

圖1 虛擬平臺建設框圖

在系統中，實驗室將原有的各種儀器(具有網絡功能的)搭建在計算機上，通過Internet網與學生的客戶端進行連接，學生可以將數據采集卡等采集到的信息傳送到遠程的實驗室，從而由物理儀器進行接收處理．

1．2 設計原則

通用虛擬實驗平臺總的來說需要遵循以下的原則:

(1)通用性．此平臺的建設最好能針對多門課程，多個學科的學習，節(jié)省成本，達到資源共享的目的．

(2)交互性．此平臺要能夠反映學生的學習情況，反應需求，隨時進行應用，更好的促進學生的實踐能力的提高．

(3)共享性．此平臺要支持多人同時訪問，能夠支持隨時隨地的訪問．實現全校虛擬實驗資源的整合，并應涵蓋主流的網絡技術和設備，通過網絡技術環(huán)境的搭建實現資源的發(fā)布共享和管理．

(4)安全性．此平臺需要有一套安全機制來保證平臺和在其基礎上構建的虛擬實驗系統的安全性．

1．3 設計構成

為實現上述目標，經可行性分析，確定的虛擬實驗平臺為由虛擬實驗室和網絡管理系統組成的系統平臺，系統結構組成如圖2所示．

圖2 虛擬實驗平臺系統結構組成圖

2 虛擬實驗教學平臺實現

虛擬實驗平臺主要是應用LabVIEW進行開發(fā)，它分成網絡部分、實驗室儀器連接部分和客戶端開發(fā)等幾部分組成，具體以常用的波形發(fā)生器為例來說明．

2．1 網絡設計

受LabVIEW的限制，采取了TCP協議作為開發(fā)標準，在TCP對話中通過三次握手建立點對點的連接，雙機TCP通信的流程圖如圖3所示．

2．1．1 儀器連接設計

(1)通過配置NI-VISA控制USB設備

當進行USB通信時，VISA提供了兩類函數供LabVIEW調用，USB INSTR設備與USB RAW設備．USB INSTR設備是符合USB測試和測量類型(USBTMC)的設備，可以通過使用USB INSTR類函數進行控制．針對這些設備，用戶只需借助“VISA打開”、“VISA關閉”、“VISA讀取”和“VISA編寫”等函數，采用與GPIB儀器一樣的通信手段即可．

圖3 雙機TCP通信的流程圖

(2)將示波器連接到計算機

①在計算機上載入VISA驅動程序．驅動程序位于示波器附帶的合適光盤上，或從Tektronix softwarefinder(軟件查找)網頁(www．tektronix．com)下載．

②使用合適的USB電纜將示波器連接到計算機，如圖4所示．

圖4 用USB電纜將示波器連接到計算機

③按下示波器面板的“Utility”按鈕．

④選擇“輔助功能頁面”，旋轉通用旋鈕a選擇I/O．

⑤如果使用USB，則系統將自動進行設置．

2．2 客戶端

面板上有“波形顯示”“信號類型”、“頻率”、“幅值”、“端口”等選項，可根據需要進行相關的設置．其中，信號類型可選擇4種波形:正弦波、三角波、方波、鋸齒波．前面板見圖5，程序框圖見圖6．

3 系統實現

在客戶端的前面板上輸入相應的數據，單擊運行按鈕，右面的波形顯示控件顯示了相應的正弦波，如圖7所示．

圖5 客戶端前面板

圖6 客戶端程序框圖

圖7 系統客戶端運行圖

在服務器端輸入與客戶端對應的IP地址，單擊運行后出現圖8．

服務器端通過配置的USB設備驅動，再利用TekVISA軟件，能在實驗室的示波器上觀察到如圖9所示的波形．

對這3個圖像進行分析比較，最后發(fā)現在誤差允許范圍內基本一致．測試結果表明整個系統能夠實現從遠程客戶端輸入參數能在示波器顯示波形的功能，初步達到遠程控制示波器的功能，這對于大型遠程虛擬實驗室的發(fā)展具有重大的意義．

圖8 系統服務器運行圖

圖9 示波器顯示波形

［1］ Schmitt T G，Thomas M，Ettrich N．Analysis and Modeling of F1ooding in urban Drainage system［J］．Journal of Hydrology，2004，29(9):300-311．

［2］ Waller J C，Foster N．Training via the web:a virtual instrument［J］．Computers ＆ ducation，2000，35(2):161-167．

［3］ 毛義梅，張晶．基于GPIB接口總線的虛擬儀器設計［J］．儀器儀表學報，2001，22(4):281-282．

［4］ 李曼．基于RS-232/485串行通信面向機械量測量的虛擬儀器［J］．西安科技學院學報，2013．

［5］ 丘京松．虛擬現實技術在教育領域的應用［J/OL］．http://www．cmr．com．cn/distance/wangluo/013．htm．