面向開放實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)設(shè)計

盛蘇英+周笑語++祡佩佩

摘要： 本文基于南通大學(xué)開放實驗教學(xué)的實際，設(shè)計并構(gòu)建了一套面向開放實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)。系統(tǒng)模擬了一個突破時間、空間、區(qū)域限制的交互式實驗教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在校園網(wǎng)內(nèi)可隨時隨地登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)，與真實實驗室課堂進(jìn)行同步實驗與互動，支持實驗教學(xué)資源共享、虛擬實驗的仿真與同步測試、實時視頻點播與交互討論，提高了虛擬實驗教學(xué)質(zhì)量。

Abstract： A set of network virtual laboratory system is designed and constructed based on the open experiment teaching practice in Nantong University. The system simulates an interactive experiment teaching and learning environment which breaks through the limitation of time， space and region. Students can log in the network virtual laboratory system， and then carry on simultaneous experiment and interaction with the real laboratory classroom at anytime and anywhere. The designed system supports some functions， such as the sharing of experimental teaching resources， the virtual experiment simulation and synchronization test， real-time video-on-demand and interactive discussion. The quality of virtual experiment teaching is improved to some extent.

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗室；開放實驗；視頻點播；虛擬實驗；交互討論

Key words： virtual laboratory；open experiment；video-on-demand；virtual experiment；interactive discussion

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0173-03

0 引言

隨著教育技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的局限性顯得越來越為突出，而遠(yuǎn)程教育因其具有遠(yuǎn)距離實時交互的優(yōu)勢，現(xiàn)已得到了廣泛應(yīng)用。其中作為遠(yuǎn)程教育核心組成部分的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室引起了人們的極大關(guān)注，其有助于學(xué)校擴(kuò)大實驗教學(xué)規(guī)模、降低實驗教學(xué)成本、提高實驗教學(xué)質(zhì)量[1]。那如何科學(xué)、有效地建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，更好為教師和學(xué)生服務(wù)，現(xiàn)已成為國內(nèi)外實驗教育領(lǐng)域與信息化技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

本科院校學(xué)生已逐步開始利用開放實驗室進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，同時本科院校目前正在不斷發(fā)展壯大，多校區(qū)運行已經(jīng)是常態(tài)，實時的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室成為本科院校多校區(qū)實驗課程運行的必要的手段。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的面對面交流，可以保證實驗操作的及時性，固定的班級教學(xué)可以保證實驗教學(xué)的針對性，從而也保證了答疑的有效性；而在網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)形式中，由于參與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的人數(shù)增多加之網(wǎng)絡(luò)的距離阻隔，使得虛擬實驗教學(xué)在操作實時性和答疑互動性方面存在問題，一定程度上制約了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣[2]。

以南通大學(xué)電工電子實驗中心為例，雖然之前投入運行了開放實驗教學(xué)管理系統(tǒng)，提供了網(wǎng)上教學(xué)資源共享、實驗預(yù)約、教學(xué)管理等功能，但由于其缺乏虛擬實驗的功能，學(xué)生必須步入開放實驗室才能進(jìn)行實驗，因此從一定程度上制約了開放實驗的效果，尤其是隨著啟東新校區(qū)電工電子實驗課程的開設(shè)，電工電子實驗中心對建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的愿望日益迫切。在近兩年啟東新校區(qū)學(xué)生的電工電子實驗課程教學(xué)過程中，學(xué)生往往會為了做一次實驗而耗費半天的時間在路上奔波，中心適時采取兩次實驗集中進(jìn)行的調(diào)整方案，但極易造成實驗太集中而效果不佳的局面。

在此情況下，本文構(gòu)建了一套適用于南通大學(xué)電工電子實驗中心實際的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)，實現(xiàn)讓更多的學(xué)生通過虛擬實驗室參與到實驗活動中，讓老師更方便地開展異地實時實驗教學(xué)，并能對教學(xué)過程進(jìn)行高效管理，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效率，使教與學(xué)起到“事半功倍”的效果。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代開始?xì)W美國家就開始研究虛擬實驗室[3]，到90年代初期，國內(nèi)也開始加入了這方面的研究。目前國內(nèi)外專家、學(xué)者對虛擬實驗室的研究，從虛擬實驗室的研究技術(shù)上來分，主要集中在以下幾個方面：

①基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室——利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)場景再造，旨在提高場景的真實性、虛擬實驗室的交互性以及智能性，創(chuàng)設(shè)出一個能真實模擬傳統(tǒng)實驗教學(xué)情境的虛擬實驗室，提供自然的、多方面的交互方式。浙江大學(xué)的各位學(xué)者在這方面做了大量的工作，實現(xiàn)了面向遠(yuǎn)程教育的智能虛擬實驗室[4]。

②基于計算機(jī)支持協(xié)作學(xué)習(xí)技術(shù)的虛擬實驗室——基于CSCL技術(shù)，運用計算機(jī)多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)以協(xié)同實驗PPT瀏覽、在線實驗研討為主的虛擬教學(xué)形式[5]。國防科技大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)的學(xué)者們通過CSCL技術(shù)實現(xiàn)了能夠提高在線學(xué)習(xí)效率和協(xié)作學(xué)習(xí)質(zhì)量，加快協(xié)作學(xué)習(xí)任務(wù)的虛擬實驗室[6]。

③基于網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)的虛擬實驗室——在現(xiàn)有的視頻會議系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過在普通的實驗室安裝投影、電子白板、麥克風(fēng)、攝像頭等硬件設(shè)備來共享各種服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗教學(xué)[7]。

④基于流媒體技術(shù)的虛擬實驗室——基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、多媒體技術(shù)的交互實驗教學(xué)平臺，流媒體技術(shù)具有對視頻音頻數(shù)據(jù)的高壓縮比，能夠在網(wǎng)絡(luò)里穩(wěn)定地進(jìn)行視頻、音頻的傳輸[8]。

目前，西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校把流媒體技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程異步教學(xué)中，但他們只在流媒體技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了文檔上傳、下載以及視頻點播功能，并沒有實現(xiàn)真正的虛擬實驗室在線交互功能[9]。

縱觀網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室（特別是基于流媒體的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室）的研究歷程，雖然先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為虛擬實驗室的實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)，但是仍存在諸如以下的問題：實時網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的研究較少（現(xiàn)有的虛擬實驗室大多數(shù)借助于昂貴的硬件設(shè)備，而基于互聯(lián)網(wǎng)的實時虛擬實驗室卻相對較少）；虛擬實驗室的功能不夠完善（基于流媒體技術(shù)的虛擬實驗室不具有在線交互功能）；虛擬實驗室缺乏開放性；同時由于互動性的缺失，無法激起學(xué)生的熱情，挫傷學(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的積極性與主動性。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)設(shè)計

本文立足于南通大學(xué)開放實驗教學(xué)體系的實際情況，基于計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和電氣控制技術(shù)，設(shè)計并研發(fā)了一套面向開放實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)。系統(tǒng)模擬了一個突破時間、空間、區(qū)域限制的交互式實驗教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在校園網(wǎng)內(nèi)可以隨時隨地、“隨心所欲”地登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)，與真實實驗室課堂進(jìn)行同步實驗與互動，支持實驗教學(xué)資源的下載、虛擬實驗的仿真與同步測試、實時視頻點播與交互討論，方便學(xué)生的學(xué)和教師的教。

面向開放實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，物理拓?fù)淙鐖D1所示，主要包括客戶端、服務(wù)器端和控制器端。

其中，客戶端允許多個用戶并行登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)；服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)用戶的服務(wù)請求與分析處理，以及與控制端的通信和實驗結(jié)果傳遞、保存；控制器端主要完成實驗同步測試與視頻錄制，利用工控機(jī)（現(xiàn)場總線設(shè)備、串行口儀器、GPIB接口卡和數(shù)據(jù)采集卡）控制相應(yīng)實驗?zāi)K和測試儀器進(jìn)行某個實驗的測試，利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭、幕布、投影儀、無線話筒和中控設(shè)備進(jìn)行實驗課堂的現(xiàn)場錄制與廣播。

面向開放實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，系統(tǒng)模型從功能模塊上劃分為“實驗教學(xué)資源”、“虛擬實驗室”和“基礎(chǔ)信息管理”三大部分，具體如圖2所示。

①實驗教學(xué)資源：

提供豐富的實驗教學(xué)資源，包括實驗設(shè)備、相關(guān)實驗芯片和部分實驗項目的視頻，實驗測試題庫，以及相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書。學(xué)生在實驗前，可以通過觀看視頻（如實驗芯片、實驗設(shè)備和實驗項目演示），了解本次實驗用到的芯片、實驗儀器和實驗步驟，再通過撰寫預(yù)習(xí)報告（或進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)測試）對本次實驗“做什么、怎么做、為什么這么做”三個問題的回答“了然于胸”；學(xué)生實驗完成后，可以及時進(jìn)行實驗總結(jié)測試，對本次實驗加深理解。

②虛擬實驗室：

通過網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)、電氣控制技術(shù)和編程技術(shù)，實現(xiàn)了虛擬電路仿真、實驗電路同步測試、實時視頻實驗點播教學(xué)、實時視頻實驗廣播教學(xué)、多媒體實驗備課與演示和交互實驗討論等功能。

學(xué)生可以利用EWB、Multisim、Quartus、Labview和Protel等仿真軟件進(jìn)行電路的仿真，并將仿真結(jié)果上傳至系統(tǒng)；學(xué)生可以利用現(xiàn)場總線設(shè)備、串行口儀器、GPIB接口卡和數(shù)據(jù)采集卡等接口設(shè)備，將仿真電路下載至相應(yīng)的實驗?zāi)K進(jìn)行調(diào)試；學(xué)生也可以通過工控機(jī)直接進(jìn)行實驗?zāi)K的遠(yuǎn)程操作，實現(xiàn)實驗現(xiàn)場操作一樣的效果。

系統(tǒng)支持的視頻點播（Video-On-Demand）和視頻廣播（Video Broadcasting），采用windows Media多媒體技術(shù)，將視頻數(shù)據(jù)壓縮，并利用RTP/UDP協(xié)議實時傳輸視頻數(shù)據(jù)。實驗指導(dǎo)教師在實驗集中講解過程中，利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭、投影儀、幕布和無線麥克風(fēng)等設(shè)備采集實驗PPT、實驗現(xiàn)場搭試電路，進(jìn)行視頻廣播，讓每一位在線學(xué)生都能如“身臨其境”實驗室般聆聽老師的實驗講解；在實驗過程中，學(xué)生如果遇到問題，可隨時視頻點播或查看多媒體備課與演示視頻，跟蹤老師的實驗步驟，及時排除故障；對于實驗過程中的疑問或者難以排除的故障，學(xué)生可尋求“交互實驗討論”，達(dá)到老師“親臨現(xiàn)場指導(dǎo)”的效果。

③基礎(chǔ)信息管理：

主要是進(jìn)行學(xué)生、實驗指導(dǎo)教師以及虛擬實驗室（相關(guān)的工控機(jī)、實驗?zāi)K、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、幕布等硬件設(shè)備）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)管理。

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)測試

學(xué)生可以在學(xué)校任意校區(qū)的任何地方登錄“面向開放實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)”，進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)實時虛擬實驗（視頻觀看、虛擬實驗仿真下載、交互討論等），以及實驗消化鞏固。學(xué)生在實驗前，通過查閱實驗指導(dǎo)書，觀看實驗芯片、實驗設(shè)備和實驗項目演示的視頻，完成實驗預(yù)習(xí)測試，及時、有效地進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)。

學(xué)生在實驗過程中，選擇“視頻廣播”子菜單，實時觀摩實驗指導(dǎo)教師的集中講解，相應(yīng)界面如圖3所示，有PPT、實物接線和實景講解三個圖供學(xué)生點擊切換觀看；也可以選擇“視頻點播”子菜單，觀看錄制的實驗集中講解視頻；學(xué)生可以通過仿真軟件、實驗下載調(diào)試和實驗?zāi)K的遠(yuǎn)程操作三種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗，其中第一種方式的界面如圖4所示，學(xué)生選擇相應(yīng)實驗課程→相應(yīng)實驗項目，點擊“上傳仿真文件”，將EWB的軟件仿真文件以及仿真結(jié)果上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)會保存每個同學(xué)的仿真文件供實驗指導(dǎo)教師批閱；學(xué)生間或師生間可實時開展“交互實驗討論”。

4 小結(jié)

本文構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)為南通大學(xué)電工電子實驗中心（乃至全校兄弟實驗中心）提供了一個良好的實驗教學(xué)方式和學(xué)習(xí)平臺，一定程度上提高了教師實驗教學(xué)興趣和學(xué)生實踐興趣，實驗教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提升，形成“良性”發(fā)展。

南通大學(xué)電工電子實驗中心的課程主要覆蓋三個校區(qū)（主校區(qū)、鐘秀校區(qū)、啟東校區(qū)），在傳統(tǒng)實驗教學(xué)條件下，很難有效地達(dá)到幾個校區(qū)的資源共享與協(xié)同實驗教學(xué)，通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)的試運行，初步實現(xiàn)了三個校區(qū)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)的同步開展，真正實現(xiàn)了實驗室空間、時間和實驗內(nèi)容的開放，方便了師生共享優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。

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