?遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)研究與開發(fā)

張英 周濤

摘? 要 針對(duì)傳統(tǒng)職工培訓(xùn)教學(xué)的各種制約和弊端，依據(jù)電子類課程培訓(xùn)教學(xué)要求，提出基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)搭建遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)方案。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)和操控虛擬項(xiàng)目的目標(biāo)，提高職工培訓(xùn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器;組網(wǎng)模式;職工培訓(xùn);遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng);LabVIEW;虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）18-0026-03

1 引言

現(xiàn)代企業(yè)隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度不斷提高，對(duì)企業(yè)職工的職業(yè)技能提出更高的要求。職工職業(yè)技能的提高主要依靠企業(yè)的培訓(xùn)體系。然而，傳統(tǒng)的企業(yè)培訓(xùn)模式存在諸多不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）培訓(xùn)經(jīng)費(fèi)投入不足。根據(jù)對(duì)282家國(guó)有企業(yè)的調(diào)查，職工培訓(xùn)經(jīng)費(fèi)投入只有工資總額的2.2%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家10%～15%的水平，制約了職工培訓(xùn)工作的深入開展。

2）培訓(xùn)模式單一，多以課堂講授為主，偏重于知識(shí)的灌輸和書本學(xué)習(xí)，難以激發(fā)受訓(xùn)職工的學(xué)習(xí)興趣;在內(nèi)容安排上對(duì)技能培訓(xùn)關(guān)注不夠，培訓(xùn)效果不佳。

3）工學(xué)矛盾突出，培訓(xùn)時(shí)間難以協(xié)調(diào)。當(dāng)工作與培訓(xùn)在時(shí)間上發(fā)生沖突時(shí)，往往培訓(xùn)讓位于工作，使培訓(xùn)流于形式。

4）受師資、時(shí)間、空間等客觀條件限制，培訓(xùn)受眾少，培訓(xùn)效率低。

由于傳統(tǒng)企業(yè)培訓(xùn)模式存在上述缺點(diǎn)，因此有必要進(jìn)行培訓(xùn)教學(xué)模式的改革，探討科學(xué)的培訓(xùn)教學(xué)策略，探索新型培訓(xùn)教學(xué)方法。遠(yuǎn)程虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)不僅提供了一種新型的遠(yuǎn)程培訓(xùn)教學(xué)模式，而且給學(xué)員提供了一種全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，在改進(jìn)傳統(tǒng)培訓(xùn)教學(xué)方法、實(shí)現(xiàn)教育資源共享、提高培訓(xùn)教學(xué)水平和節(jié)約資金等方面具有重要的作用和意義[1]。

2 技術(shù)背景——虛擬實(shí)驗(yàn)室

網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際是一個(gè)資源共享的綜合各種技術(shù)和工具的信息平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，使用者在這個(gè)平臺(tái)上可以高效地使用分布在不同地方的相關(guān)實(shí)驗(yàn)的各種信息化的資源[2]。1999年，聯(lián)合國(guó)教科文組織將虛擬實(shí)驗(yàn)室定義為：為實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究或其他創(chuàng)新活動(dòng)，利用分布式通信技術(shù)產(chǎn)生并發(fā)布結(jié)果的不受空間限制的信息體。虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展了20多年，涉及生物工程、人工智能、生命科學(xué)、數(shù)學(xué)和物理等工業(yè)、教育領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊，發(fā)展日漸成熟。

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室在國(guó)外十分普及，其代表性成果有：美國(guó)休斯敦大學(xué)和美國(guó)航天局合作開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)宇航訓(xùn)練系統(tǒng);麻省理工學(xué)院將遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)遠(yuǎn)程共享實(shí)驗(yàn)室;埃及的法尤姆大學(xué)和巴林大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了FPGA遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)迅速發(fā)展，許多高校和科研機(jī)構(gòu)逐步開發(fā)出一定規(guī)模的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，比較著名的有：浙江大學(xué)研制了基于網(wǎng)絡(luò)的工程化學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng);大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院與麻省理工學(xué)院合作開發(fā)了遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院采用高端的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，開發(fā)了虛擬建筑實(shí)驗(yàn)室。

從國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r可以看出，遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室在各個(gè)領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用性、研究性和可行性。

3 系統(tǒng)研究的意義和目標(biāo)

遠(yuǎn)程虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)融合了虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，學(xué)員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在直觀的人機(jī)交互的環(huán)境中反復(fù)操作，完成各種預(yù)定的培訓(xùn)項(xiàng)目，提供與實(shí)物的操作方法相類似的實(shí)踐體驗(yàn)。遠(yuǎn)程虛擬操作與傳統(tǒng)的實(shí)際硬件操作相比，主要優(yōu)點(diǎn)包括：提供自主的開放操作空間，有利于學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng);突破時(shí)間和空間的限制，使學(xué)員可以靈活方便地參與操作;可以模擬實(shí)際上難以實(shí)施或?qū)嵤┏杀靖?、破壞性?qiáng)的實(shí)驗(yàn);理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)可以同步實(shí)施，可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量;投入資金少、損耗小，能夠有效地降低實(shí)驗(yàn)成本，緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足;器件裝配容易，拆除方便，實(shí)驗(yàn)過(guò)程效率高，可降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)強(qiáng)度;實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目適應(yīng)性強(qiáng)，易于擴(kuò)展，生命周期長(zhǎng)。

本文的主要目標(biāo)是依據(jù)電子類課程職工培訓(xùn)教學(xué)要求，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。將開發(fā)的電子虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目放入建立的網(wǎng)站上，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器登錄網(wǎng)站，首先選擇要進(jìn)行的培訓(xùn)項(xiàng)目，其次進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)項(xiàng)目操作，然后觀察現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)，最后完成培訓(xùn)項(xiàng)目操作后提交報(bào)告，旨在為學(xué)員提供一種既經(jīng)濟(jì)方便又可以滿足學(xué)員自操自訓(xùn)的需求，有效提高學(xué)員職業(yè)技能水平的信息化教學(xué)手段。

4 方案設(shè)計(jì)

開發(fā)遠(yuǎn)程虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)主要解決虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程通信方式選擇和網(wǎng)站培訓(xùn)課程管理三方面的問(wèn)題。首先在深入了解虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用圖形化編程軟件LabVIEW作為開發(fā)工具設(shè)計(jì)虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目;其次分析比較C/S和B/S兩種組網(wǎng)模式，確定系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模式;然后利用LabVIEW提供的Web服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信;最后采用Moodle軟件設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的網(wǎng)站課程管理系統(tǒng)。最終實(shí)現(xiàn)從教師安排培訓(xùn)項(xiàng)目到學(xué)員自主選擇培訓(xùn)項(xiàng)目、遠(yuǎn)程操控培訓(xùn)項(xiàng)目、提交培訓(xùn)作業(yè)，再到教師批改培訓(xùn)作業(yè)并反饋給學(xué)員作業(yè)成績(jī)和評(píng)語(yǔ)的完整培訓(xùn)教學(xué)過(guò)程。

虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目的開發(fā)? LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，NI）推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件[3]。使用LabVIEW開發(fā)出來(lái)的程序叫虛擬儀器（Virtual Instrument），縮寫為VI，其擴(kuò)展名默認(rèn)為.vi。一個(gè)最基本的VI由前面板、程序框圖和圖標(biāo)/連接器三個(gè)部分組成。LabVIEW最主要的兩個(gè)特點(diǎn)是采用圖形化編程和數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)程序，利用圖形組建直觀的人機(jī)交互界面，用圖標(biāo)表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向，多線程運(yùn)行程序。目前，LabVIEW可支持Windows、UNIX、Linux、Macintosh等操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于開發(fā)測(cè)試、測(cè)量與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，所以利用LabVIEW可方便地搭建自己的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

依據(jù)此技術(shù)，筆者已經(jīng)開發(fā)出電子類專業(yè)課中的一些虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目，包括觸發(fā)器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器、諧振電路、二階動(dòng)態(tài)電路、有源濾波電路、積分微分器、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)分析儀等。

組網(wǎng)模式的選擇和實(shí)現(xiàn)? 遠(yuǎn)程虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)可采用基于C/S（Client/Server）模式和B/S（Browser/Server）模式的兩種網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)組建：對(duì)于數(shù)據(jù)傳送量較大，要求可靠完整的傳輸數(shù)據(jù)、傳輸速率高、兼容性強(qiáng)的情況，可以采用C/S組網(wǎng)模式[4];而B/S組網(wǎng)模式適用于傳輸數(shù)據(jù)量小，傳輸延遲要求不高，需要遠(yuǎn)程模擬仿真的場(chǎng)合。

采用B/S組網(wǎng)模式，降低了對(duì)客戶端的要求，并且不需要在客戶端上安裝專用的客戶端軟件，只要客戶端裝上瀏覽器，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器端遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。由于本文所開發(fā)的電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)是通過(guò)LabVIEW軟件模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，傳輸數(shù)據(jù)量小，實(shí)時(shí)性要求不高，因此決定采用基于B/S的網(wǎng)絡(luò)通信模式。

采用B/S模式構(gòu)成的遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)有三層體系結(jié)構(gòu)：瀏覽器/Web服務(wù)器/應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。它是將虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目的前面板發(fā)布到Web頁(yè)面上，以瀏覽器/服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、命令傳輸，用LabVIEW虛擬儀器實(shí)現(xiàn)相關(guān)項(xiàng)目的顯示與分析，最終通過(guò)Web服務(wù)器與應(yīng)用程序服務(wù)器的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)項(xiàng)目的操作與控制需求。采用B/S這種組網(wǎng)模式，學(xué)員只需要通過(guò)客戶端的瀏覽器登錄Web服務(wù)器，向Web服務(wù)器申請(qǐng)控制權(quán)后即可完成培訓(xùn)項(xiàng)目的操控;同時(shí)，教師可隨時(shí)根據(jù)培訓(xùn)教學(xué)的需要，更新應(yīng)用程序服務(wù)器上的虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目，便于后期的管理和維護(hù)，使系統(tǒng)具有良好的靈活性、適應(yīng)性和擴(kuò)展性。

遠(yuǎn)程網(wǎng)站管理系統(tǒng)的建設(shè)? 為了增強(qiáng)遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可學(xué)習(xí)性，同時(shí)便于管理培訓(xùn)課程資源，本文采用Moodle軟件搭建遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的課程管理網(wǎng)站，將虛擬培訓(xùn)項(xiàng)目利用Web發(fā)布的HTML文件的網(wǎng)址URL作為培訓(xùn)課程的一部分資源鏈接到網(wǎng)站中。學(xué)員登錄到網(wǎng)站上，找到相應(yīng)課程的培訓(xùn)項(xiàng)目后就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，網(wǎng)站培訓(xùn)項(xiàng)目如圖1所示。Moodle平臺(tái)是用PHP腳本語(yǔ)言編寫的動(dòng)態(tài)網(wǎng)站程序，需要Apache、PHP和MySQL的支持[5]。Apache是一個(gè)Web服務(wù)器，提供WWW服務(wù);MySQL是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，提供數(shù)據(jù)管理功能;PHP是多數(shù)開源軟件采用的開發(fā)語(yǔ)言及運(yùn)行環(huán)境。由于Windows具有操作方便易用、界面友好、軟件豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇Windows Server 2003 R2作為服務(wù)器操作系統(tǒng)。本文的Moodle平臺(tái)運(yùn)行的環(huán)境為Windows+Apache+MySQL+PHP，使用適用于Windows的集成化安裝包bitnami-moodle-2.7.1-0-windows-installer

來(lái)搭建Moodle的工作環(huán)境[6]。網(wǎng)站課程管理系統(tǒng)主要功能有管理員角色的網(wǎng)站管理、學(xué)員角色的學(xué)習(xí)管理和教師角色的課程管理三大部分，各部分的主要功能如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的遠(yuǎn)程電子虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)具有靈活性、開放性，教師可及時(shí)更新培訓(xùn)項(xiàng)目，保持培訓(xùn)項(xiàng)目的最佳適應(yīng)性，又可滿足學(xué)員不受時(shí)間、地點(diǎn)限制的自主學(xué)習(xí)方式，使學(xué)員的個(gè)性化學(xué)習(xí)成為可能。遠(yuǎn)程虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)不僅可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的培訓(xùn)教學(xué)，而且可以克服傳統(tǒng)職工培訓(xùn)教學(xué)模式的各種制約和弊端，從而有效地解決目前職工培訓(xùn)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題。

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