网络虚拟实验室设计方案研究

王晓卉

(营口职业技术学院，辽宁营口115000)

随着信息化技术的不断发展，校园网已经成为高校必备的教学环境.很多教学过程和教学改革都是基于网络平台展开的，实验教学也不例外.但近年来在实践教学中发现，传统的实验室不仅耗费学校大量的资金配备，而且限制了学生做实验的时间和空间，可见，传统实验室已经不能满足学生在信息时代的需求.而虚拟仪器和虚拟技术的迅速发展，使构建网络虚拟实验室已经成为可能，基于Web的虚拟实验室解决了传统实验室的不足，网上虚拟实验已成为实践教学研究的重要方面.

虚拟现实是由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界.网络虚拟实验中的任何实验对象都可以看作是一个三维的、可视化的物体，学生可以通过鼠标和键盘操作进行虚拟实验.计算机技术、多媒体技术、网络技术与仪器技术的结合使网络虚拟实验室得以实现.

1 网络虚拟实验室概述

1989年，美国的William Wolf教授率先提出虚拟实验室(Virtual Laboratory)的概念，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境.美国国家研究委员会对其的定义为:虚拟实验室是一个无墙的中心——研究人员能在其中从事科学研究和工程设计，不必顾及地理位置的限制，实现同行间、同事间的互动;共享仪器、设备、数据、计算资源以及数字图书馆的信息.这个定义表明，现代实验室在Internet的基础上应当是一个可以有逻辑上限制，但没有物理空间限制的无墙中心，可以充分实现资源共享和支持协同工作环境.

典型的网络虚拟实验室由客户端、Web服务器、应用服务器及实验设备4部分组成.进入网络虚拟实验室首先要通过用户提出实验申请，系统校验用户合法性后开始实验.通常可以有2种实验方法，一是用户将实验数据输入系统，服务器根据实验数据开始运行虚拟软件，将实验结果反馈给用户;二是用户自行下载虚拟软件，直接在本地计算机运行，这对于经常使用仿真软件的用户来说比较方便.

2 网络虚拟实验室技术方案

从国内外虚拟实验室的研究成果来看，网络虚拟实验室的建立主要依托以下四方面关键技术:

1)Java技术.Java是Sun公司随着Internet发展而出现的网络编程语言.由于它具有可移植性、稳定性、健壮性和安全性等诸多特点，因而成为跨平台应用软件开发的规范.在可移植性上，Java虚拟机实现了源代码级和二进制级2种可移植性.此外，Java语言的下标检查机制和自动内存管理机制也使程序的稳定性和安全性得以增强.采用Java语言开发虚拟实验场景，同时结合VRML编程实现3D效果，可以增加虚拟实验室的逼真度和动感.

2)Active X控件.为适应网络发展需要，Microsoft公司利用支持COM规范的开发工具VB、VC++、Delphi、Builder等，将OLE技术在Internet上重定义，开发Active X控件.使用Active X进行开发可以实现在多个实验环境中使用同一个实验仪器，即代码复用性，这对持续开发过程尤为重要.同时，使用微软的组件对象技术Active X还允许不同软件开发的组件在网络上互相进行通信.

3)VRML技术.VRML是在Internet上实现虚拟现实的关键性技术.其采用三维场景的描述性语言，可以在Internet上传输很少的数据实现三维虚拟场景的浏览，互动性大大增强.可见，网络虚拟实验室将VRML集成到开发过程中，可以增强表现力和用户的接受力，实现更好的工作环境虚拟化.

4)QuickTime VR技术.实现平台只需计算机，是一种实景建模的虚拟现实技术.使用QTVR技术可以自行控制实验的顺序和进度，还可以选择实验需要的环节而略过其他不必要环节.QTVR不需要专门的硬件设备和配套设施，用普通的计算机虚拟现实技术就可以达到效果.为了达到更真实、更丰富、更生动的图像细节特征，照片、视频或其他数字图像创建虚拟环境多用QTVR.

虚拟实验室是一种异构的解决问题的环境，常用的网络体系结构无非有2种，即Client/Server体系结构和Browser/Server体系结构.

C/S结构充分利用客户端和服务器端硬件环境的优势，将任务合理分配到两端，提高了系统的效率和资源共享，同时减少了网络通信量，以避免频繁的网络拥塞，确保数据的一致性.因为这种计算模型是在客户端体现交互计算和业务规则，安装、升级、维护都有困难，在多用户、多数据库环境下，会出现等待时间长甚至系统死机或崩溃的现象，而且在可扩充性、可维护性、安全性、适应性、软件建设周期和使用周期等方面都有局限性.B/S结构是一种由浏览器、Web服务器和数据服务器组成的基于Web的三层体系结构.这种结构客户端只要安装了操作系统和Web浏览器，就可以由服务器完成数据的查询、处理和表示，系统版本的升级和维护也在Web服务器端进行.B/S系统开发周期短，见效快，采用公开的标准和协议，系统资源的冗余度小且具有平台无关性.基于WWW的B/S体系结构彻底解决了C/S结构的所有弊端，可以给系统开发者、管理者、使用者带来很多好处.

从本质上讲，B/S结构与C/S结构都是以同一种请求和应答方式来执行应用的.但C/S结构比较适合一些中小规模的系统，因其具有很好的可靠性和保密性.而B/S解决了跨平台问题，通过浏览器可访问几个应用平台，形成一对多、多对多的结构模式.B/S结构在硬件环境、软件重用、程序架构、系统维护、安全要求、用户接口、标准协议等方面均优于C/S结构.因此所设计的网络虚拟实验室采用B/S模式作为基本体系结构，Microsoft公司的Window NT为网络操作系统，以IIS来组建Web站点，以 ASP.NET技术来构建网站，以实现用户的远程访问，采用Microsoft SQL Server为后台数据库，以ADO.NET访问数据库中的数据.

3 网络虚拟实验室框架设计

构建网络虚拟实验室要针对开放性、交互性、安全可靠性和易维护性的设计原则.虚拟实验室的前提是开放性，把最大的自由度和灵活性提供给学生，任何只要基于校园网平台的学生都应能进入系统并进行虚拟实验.虚拟实验系统应提供多种实验项目的互动，互动的虚拟实验应实时反馈学生的操作信息.系统必须保证安全可靠地运行，没有特殊情况下需要24 h运行，保障学生登录上网后在任何时间都可以进行实验.系统软件必须采用跨平台的设计，在节约维护成本的同时便于及时更新实验项目.

该网络虚拟实验室包括虚拟实验、数据库系统和网络服务3个功能模块.负责实验窗口的设计、虚拟实验环境的搭建、实验数据的解析和处理、实验结果的显示和反馈的是客户端的核心——虚拟实验模块.以HTML和ASP.NET技术相结合，开发实验教学课件系统，发布上网，在控件技术的基础上，结合可视化开发工具来构建虚拟仪器.数据库选用Microsoft SQL Server，通过IIS组建Web站点，访问服务器上的资源和数据库中的数据采用ADO.NET.网络服务模块是提供在线学习实验原理、实验过程和相关理论知识的平台.在一个虚拟的实验室实验，首先需要检验用户身份的合法性，对于新用户，需要注册，填写注册信息，注册成功才可以进入虚拟实验室实验.合法用户进入实验室后，可以通过选择实验获得实验原理、实验目的、实验内容，浏览实验场景、对象和实验过程相关的信息，并最终进入虚拟实验系统启动实验.虚拟实验系统是一个仿真的实验环境，它对各种实验对象的控制是虚拟仪器技术、组件技术、编程语言等的综合使用，具有人机交互性强和实验环境真实的特点，完成实验过程后可显示结果，提交后可评价结果的正确性.

按照以上的设计方案，网络虚拟实验室应该具备实验、管理、保存、协同工作、安全防范等功能.其中实验功能是网络虚拟实验室的核心，任何一个完整的实验都包括目的原理、内容步骤、具体操作和实验报告4部分.管理功能是使用户在虚拟实验平台上设计个性化实验，用户可以按照实验内容的需求，对虚拟仪器和虚拟实验执行添加、修改和删除操作，而灵活性强的网络虚拟实验室更能满足实验教学的需求.保存功能一方面可以保存用户实验结束后的结果，另一方面可保存中断的实验状态，以便下次接着进行.虚拟实验室可以通过文本的形式来实现用户间的交流，对一个大型实验来说，多个实验者协作分工、共同完成是十分必要的.网络虚拟实验室的安全机制一方面可以阻止非法用户的入侵，拒绝非法访问者的进入或及时中止合法访问者的不当操作;另一方面针对不同用户赋予不同的使用权限，以维护系统软、硬件和用户知识产权的安全.

4 结论

网络虚拟实验室的建立有多种方法，其实时反馈能力强，交互能力强，具有多人合作特性和智能性功能.这里研究的网络虚拟实验室的设计方案只是一个雏形，可以实现实验仪器的远程共享和远程实验，解决了学生实验在时间和空间上的局限性.网络虚拟实验室开发周期短，使用效率高，可扩展性强，成本低廉，不仅可以缓解学校实验教学经费紧张的问题，也是实验教学改革的必经之路.

虚拟现实是目前国际尖端的多媒体技术重点.随着网络技术的发展，虚拟实验室以网络为基础把虚拟实验内容存储在服务器中，通过在网络上建立一个虚拟的实验环境，学生可以不受地区、时间的限制，自己在计算机上使用浏览器进行多种虚拟实验.这种崭新的教学形式可以将传统的教学方式改为启发引导式，追求教与学的合作化，以讲授引导思维，以教导激发感情，并赋予学生学习的主动性，使以学生为中心的个别化教学、合作化教学和环境中自我探究得以真正实现.

［1］李仁发，周祖德，李方敏，等.虚拟实验室网络体系结构研究［J］.系统仿真学报，2002(3):359-362.

［2］康 博.Web应用程序开发新技术［M］.北京:人民邮电出版社，1999.

［3］孙宏彬.VRML-Java远程虚拟教学平台的研究与实现［J］.现代远程教育研究，2003(2):54-56.

［4］单美贤.虚拟实验系统在教学中的应用探析［D］.南京:南京师范大学，2002.

［5］绍鹏网.网络虚拟实验体系结构研究［D］.武汉:华中师范大学，2003:30-32.

［6］吕克志.基于Web的虚拟实验室的设计及实例研究［D］.杭州:浙江工业大学，2009.

［7］白洁婷.基于Web的在线虚拟实验室的研究［D］.武汉:华中科技大学，2009.

［8］刘惠临.基于校园网的虚拟实验室的建立［J］.安徽理工大学学报:自然科学版，2006(6):33-36.

［9］张 刚，罗小华，贺利芳.构建网络虚拟实验室技术研究［J］.实验室研究与探索，2008(3):55-58.