网络化计算机专业虚拟实验室的构建与实现

　　摘要：针对当前很多高校实验教学中存在问题和弊端，采用了网络技术和虚拟建模技术构建新型的网络虚拟实验室，不但解决了实验教学中存在的问题，而且推动了高校实验教学的改革发展和提高了学生的学习积极性和创新实践能力。
　　关键词：网络；计算机专业；虚拟实验室
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）28-6687-03
　　高等学校的实验教学是高校教学中的一个重要组成部分，它是验证书本所学知识重要方式，也是发展和提高学生的实践动手能力和实践创新能力的途径。随着高校招生规模的扩大和实验内容的发展，目前现有的实验室越来越难满足实验教学的要求了。面临这种问题存在，就必须让我们对现有的实验室的教学方式进行改革。随着计算机网络和虚拟技术的发展，网络化的虚拟实验室正好能够解决我们实验教学面临的问题。
　　1 传统实验室面临的问题和虚拟实验室的特点
　　传统实验教学主要就是学生按照老师的指定到专门的实验室进行实验，在此过程中会面临一些问题如下：
　　1）因为学生规模较大，实验场所不能够全部满足每个学生，导致多人学生使用一套设备，或者因为时间上的冲突，导致实验失败。
　　2）因为教学经费投入不足，实验所需的设备成旧或者损坏，使得实验教学无法进行。
　　3）目前实验室设备过度使用或者维护不及时，或者有些实验具有一点的损害性比如《计算机组装与维修》实验，使得实验不能正常进行。
　　4）某些特殊的实验，需要多台计算协同工作并且需要特定的操作系统和软件，按照传统的实验室的现状是难以完成。
　　以上几点都是传统实验教学上存在的问题，尤其出现在计算机专业实验室中，这些问题严重的影响了实验教学的效果和学生实践动手能力的训练。计算机实验室大致分为两块，一块是计算机基础实验室，负责计算机信息基础的教学和基本程序设计教学；另一块计算机专业实验室，负责特定的专业实验，比如网络、操作系统、单片机、接口、多媒体，计算机硬件等实验。
　　网络虚拟实验室是目前发展的实验教学新模式，其定义是随着多媒体技术、网络技术和计算机技术发展，把现实中的实际物品虚拟化嵌入到计算机网络中，以网络为平台的而兴起的新型实验教学平台。其具备了以下的几大特点：
　　1）大大降低了实验室建设资金的投入和实验管理员的工作量，还能够通过网络实现大型设备和特殊设备的共享，提高设备的使用效率。
　　2）解决了实验场所不足，时间冲突的问题，而且避免设备的不足，损坏的现象，大大的降低了设备维护资金的投入。
　　3）虚拟实验室在计算机专业实验中能够发挥特殊的作用，在一些不可逆实验中能够重复实验，在网络实验中能够让学生清楚的看到数据包的走向和来源，还有在不知道实验条件的情况下，不停的尝试实验，不用考虑实验设备的损坏和实验的危险性，大大的降低了实验成本，而且能够发挥学生的积极性和创新性。
　　2 虚拟实验室的设计思想
　　当前，虚拟实验室主要能够实现采用虚拟技术把实际试验所需要所有的设备以及试验所需的实验环境做成仿真的计算机模型和背景，然后通过这些模型在网络上完成实验项目，并且得到相关的实验数据。所以，我们采用现在比较流行的B/S结构，基于Internet开发，以TCP/IP技术实现客户端与服务器之间相互通信。基于B/S的虚拟实验室从功能上可以分为三层结构（如图1），分别为：数据存储层、业务逻辑层、表示层。
　　在B/S模型中每一层都有不同的功能，数据存储层主要指的是数据库，当然包括了表、视图、存储过程、触发器等数据对象；业务逻辑层主要是对用户提交的指令及数据做校验，再加工后将数据存储到数据存储层，或者将数据存储层的数据提取后返回给表示层；表示层的主要职责就是为用户提供信息以及翻译用户的指令。
　　我们采用以B/S模型结构开发，主要的因为它具有分布广的特点，业务扩展性强，后期便于维护和升级，对客户机没任何要求，只要具有浏览器即可。
　　3 虚拟实验室实现的技术
　　虚拟实验室设计所需硬件设备很简单，只要几台高性能的服务器，关键难点和重点是软件编程和实验设备虚拟建模。
　　1）虚拟实验室的总体平台是以 visual studio 2010开发平台为基础，采用C#.NET语言进行研发，数据库采用SQL server 2008 为后台数据库。.Net是微软推出的一门技术，它是一个技术平台，基于这个平台进行开发可以简化很多工作。.Net的主要优点有跨语言，跨平台，安全，以及对开放互联网标准和协议的支持。在.Net Framework底层框架的支持下，.Net和SQL server数据库能够实现无缝衔接，能够更好的实现B/S结构的软件平台。
　　2）实验设备虚拟建模，我们采用利用VRML技术用来描述三维的实验器材及其行为，VRML本身是一种建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟世界， 可以集成文本、图像、音响、MPEG影像等多种媒体类型，还可以内嵌用Java、ECMAscript等语言编写的程序代码。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。同时配合3DMAX技术来建立一套完整虚拟环境。
　　3）我们另外还要配合 ActiveX控件技术来调用器件模型、FLASH技术和LabView技术。其中LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
　　4 虚拟实验室功能模块
　　虚拟实验室功能主要分为四块：学生模块、教师模块、管理员模块、实验室资源模块（如图2）。其中大致功能如下：
　　1）学生模块：学生注册，在线实验，提交实验报告单；
　　2）教师模块：教师注册，实验批次管理，实验项目管理，实验报告单管理，在线导入教学文件，在线学生考勤；
　　3）管理员模块：用户认证管理，院系管理，班级管理，学生管理，学期管理，虚拟实验元器件管理，数据库管理等；
　　4）实验资源模块：专业实验室介绍，规章制度介绍，实验文档的下载，在线交流等；
　　具备这几大模块，学生就可以在线进行计算机专业实验，教师能够在线安排实验项目和在线批阅实验报告单。管理员可以随时管理用户的身份验证，班级和专业管理，同时能够根据实验需要增加所需要的选器件模型，以便实验使用。学生还能够在线了解每个实验室的背景和规则制定，还能够在线下载所需实验文档。同时遇到问题我们可以实现在线交流，第一时间来解决实验中遇到的问题。
　　5 结束语
　　虽然网络虚拟实验室与传统实验室相比也存在点缺点， 但是网络化计算机专业虚拟实验室的构建，它突破了传统的实验教学方式，解决了传统实验教学受资金、时间和空间上限制的问题，给学生提供了全新的实验方式，能够促进学生的动手实践能力和创新能力，是高校实践教学发展的新方向。
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