探析网络虚拟实验室体系结构

边　静　贺同辉

[摘要]随着计算机技术的不断发展，网络虚拟实验室得到越来越多的应用。介绍虚拟实验室的基本特点及其体系结构，实现虚拟实验室的四种关键技术：Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探讨虚拟实验室开发过程中应注意的几个问题。

[关键词]虚拟实验室远程教育技术

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597(2009)0210013－01

迅速崛起的现代教育技术把虚拟实验引入到了实验教学中。虚拟实验的应用改变了传统的教育模式，使得教与学方式发生了革命性的变化。

一、网络虚拟实验室的发展及其特点

网络虚拟实验就是在WEB中创建出一个可视化的环境，其中每一个可视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳等操作，用户可以进行虚拟的实验。网络虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术与网络技术的结合。

(一)印第安纳州立大学的MBL化学实验室。该实验室在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事，用计算机采集实验数据，用计算机展示实验，在网上发布相关的实验指导材料。

(二)芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室。该实验室充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教材；实验教学时间表；实验测评、形式、时间；虚拟实验；相关教学资源的链接等。他们还用计算机进行实验教学的教务管理。

(三)卡罗莱纳州立大学的LAAP(Learn Anytime Anywhere Physics)。他们利用Java技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于Java Applet的虚拟实验设备和实验设施；相关的实验课程模块；实验结果评价模块；协作学习模块。

二、网络虚拟实验室体系结构

网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统，网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各部分之间相互联系相互补充，仅具有相对独立性。开发虚拟环境，实现实验仿真应是虚拟实验室建设的核心部分。

三、构建网络虚拟实验室的关键技术

目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。他们所使用的技术，可以看出大多可以划分下面几类：

(一)Java技术。Java是一个广泛使用的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先，作为一种程序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安全性、并且提供了并发的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了网络，Java的小应用程序(applet)可在网络上运行而不受CPU和环境的限制。另外，Java还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。

(二)ActiveX控件。ActiveX技术允许不同软件开发的组件可以互相进行操作。ActiveX使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信，使用ActiveX开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在虚拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这一点对于持续开发过程尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以划分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最终的项目。

(三)VRNL技术。VRML是虚拟实境描述模型语言(Virtual RealityModeling Language)的简称。VRML是一种建模语言，其基本目标是建立Internet上的交互式三维多媒体，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界。用VRML实现与Internet虚拟现实交互有下面几个好处：丰富了媒体表现形式、协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的用户界面、增强了协同环境的交互性。可见，将VRML融合到网上虚拟实验室的开发过程中，既可以增强表现力和用户的接受力，又可以实现较好的协同工作虚拟化环境。

(四)ASP技术。ASP(Active Server Pages，动态服务器端网页)，内含在Internet Information Server 3.0及其以上版本中，提供一个服务器端的脚本环境，用于产生和执行动态、高效率的网络服务器程序。ASP不只是动态的网页，它更是当今众多的Web应用程序实作方式之一，它负责整个Web应用程序的控制部分。

四、网络虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题

计算机软件技术发展到今天，为虚拟实验室开发提供了极大的方便。开发所需的系统软件或工具均支持面向对象的程序设计。它们都有事件驱动的支持，消息循环的程序设计方法及多媒体操作技术。在开发过程当中要注意以下几个问题：

事件触发时机的选择，实际操作中当某个按钮按下后并不立即反映，需要延时回应，外部接口的输入信号或其它信息往往是定时触发或随机触发的事件，若为随机触发的事件则可用一定时限内的随机数来取代固定时间。

事件联锁关系或动态顺序关系可以存放在一张数据库表中描述，修改方便。给定相应的条件、控制范围，自动形成数据表，使数据和程序独立。

模拟声音，要使实验达到逼真，除了模拟控制台实物景象，还要模拟它们实验环境中的各种声音，如汽笛声、按钮按动声、内部机械动作声等。这样，才能使学生在实验室有身临其境的感觉，全身心地投入。

模拟台面各种动作的结果，台面上每个控件的动作都会触发一定的事件。这些事件在实物设备中是靠机械、电路等去完成，而现在将这些机械及电子逻辑关系使用计算机软件实现。

故障发生器，在实际工作中除了设备正常情况下的操作，还有各种意外情况，如某些设备故障的情况。此时，要求在虚拟系统中也能模拟手柄失灵、仪表信号不显示及自然灾害发生的情况等，即给实验增加一些难度，强化学生实际操作能力。

五、结束语

虚拟实验技术在实验教学中具有广阔的应用、发展前景，随着虚拟实验的普及，其优越性会被越来越多的人认识。但要使虚拟实验技术真正得到推广应用，关键还是观念的改变，首先是教师观念的改变，除了具有创新精神和能力外，还应有一个先进的投资理念，在实验室建设和发展中，充分考虑投资效益，建设现代化的实验室。其次要培养一支高素质的实验队伍，不断地进行知识更新，加强学习，重视信息的收集、加工、应用，了解掌握最新技术，促进实验教学发展。虚拟实验的应用和发展，加快了实验室发展和实验教学改革，促进了观念的改变。虚拟实验在21世纪实验教学中必将占有重要地位，无疑会起到很大的作用。