网络虚拟电子实验室对教学模式改革的影响及其构建

陈永建，周 艳

(肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆 526061)

网络虚拟电子实验室对教学模式改革的影响及其构建

陈永建，周 艳

(肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆 526061)

网络虚拟电子实验室是基于计算机网络技术、多媒体技术、虚拟技术等现代化技术的新型实验室，它的构建有效缓解了高校实验设备条件的紧缺，大大节省实验室资金投入。同时，利用LabVIEW设计网络虚拟电子实验室，实现了实验室设备仪器的硬件共享和软件共享，提高了实验室的开放性和利用率，为高校教学模式改革提供新的发展方向。

网络虚拟电子实验室；LabVIEW平台；教学模式改革；共享

电子技术是电子信息、电气工程、自动化等电类专业和机械工程、车辆工程等非电类专业的专业必修课，由模拟电路和数字电路组成，具有较强的实践性，实验在课程教学中占有重要地位。然而，随着各高校招生规模的不断扩大，现有的实验场地、实验设备等对于维持常规实验教学存在较大缺口。在面对成倍增加的教学任务时，教师采用单一的、传统的教学模式会使得教学任务繁重、教学质量和效果有所下降，因此，教学模式改革迫在眉睫。一方面，电子技术实验室是理工科实验室中使用最为频繁的实验室之一，由于大部分的电子元器件都属于低值、易耗的实验用品，这就使得实验准备工作、日常管理工作繁重。同时，若重新购置实验设备、器材，前期资金投入过大，后期设备维护、管理的成本也将大为增加。另一方面，在进行实验时，由于学生对于实验仪器的不熟练或是操作失误、仪器设备接触不良等原因，时常会出现观察不到实验结果，无法正确理解实验原理，实验结果与理论不符等问题。由于实验时间、条件的影响无法重新设计实验，这些问题在电类实验，特别是模拟电路实验中经常出现，这将大大降低学生对电子技术课程的学习兴趣，无法达到巩固理论知识，锻炼动手能力的实验目的。而且对于一些函授、远程教育的学生，很难找到时间、机会去实验室做实验。而随着网络技术、计算机技术的迅猛发展，计算机网络无处不在。为了解决前述问题，基于网络的虚拟电子实验室应运而生。

1 对教学模式改革的影响

1.1 几种实验手段的比较

目前，高校实验课程主要采取实验室实操实验、单机仿真软件实验和网络虚拟实验室等手段，其中,前两种是最主要的实验手段。实操实验是最基本、最普遍的实验教学方法，通过实验室实操练习，学生能了解并熟悉常用实验设备、器材的使用方法，熟练掌握实验的操作方法，并通过示波器等设备形象直观地实时显示实验结果。但由于实验室的硬件条件、实验室开放时间和空间的限制等诸多因素，使得实操实验越来越无法满足日常教学需求，故而单机仿真软件作为实操实验的辅助在实验教学中逐步开始使用。纯软件的仿真实验只需要有一台安装相应仿真软件的计算机即可开始实验，半实物仿真实验则需要仿真软件、实验仪器、仿真驱动等。相比实验室实操实验，不论哪种仿真实验都能大大节约实验室投入与维护成本，提高实验室使用率。而这种虚拟实验要求每台计算机都必须安装仿真软件或配备相应的仿真仪器及其驱动，无法充分发挥实验室资源共享的优势。网络虚拟实验室的产生就能弥补这一缺陷。根据虚拟实验对象的不同，网络虚拟实验室又分为纯软件式和半实物式。这两类网络虚拟实验室既可以突破实验室场地、条件、时间等因素的局限，又能利用网络充分整合现有实验室的硬件、软件资源，并通过构建网络虚拟实验室平台实现资源共享，让学生最大可能在任何时间、任何地点都能进行实验操作。

1.2 网络虚拟电子实验室对于教学模式改革的影响

所谓网络虚拟实验室，是指以计算机网络为核心，基于网络技术实现虚拟仪器对数据的采集、分析和远程操作的系统；或者是基于Web技术、多媒体技术和虚拟现实技术的开放式、网络化的虚拟实验教学系统，是现有实验室的数字化和虚拟化[1]。这两种定义虽然侧重点不同，前者侧重于网络虚拟实验室的功能；后者注重于网络虚拟实验室的特点，但均指出了网络虚拟实验室是以计算机网络为中心，实现实验教学的远程控制与交互。这种新型实验室的建设对于传统教学模式改革有巨大的推动作用。一方面，它给教师提供了新的教学手段，使得教师在课堂理论教学中摆脱枯燥难懂的纯理论讲解，利用网络虚拟实验室直观形象地演示实验，用实际的实验数据或是图形加深学生对于理论知识的理解，打破了“先理论，后实践”的传统做法，真正做到理论与实践相辅相成。同时，网络虚拟实验室的开发也提高了实验教学质量，预习实验、实验交流、实验报告上交等模块使得教师能方便快捷地指导学生实验，批改实验报告。另一方面，它开拓了学生的学习模式，利用网络虚拟实验室实现了学生与实验室零距离，使得学生能在任何时间、任何地点通过网络做实验，突破时间和地点的限制，培养学生学习的主动性和自发性，提高学生的学习兴趣。这种教学模式突破了教与学的时间和空间限制，通过网络将实验室的仪器设备或是软件实现共享，为教学模式改革提供了新的发展方向。另外，网络虚拟实验室的构建对于实验室管理改革也有重要推动作用，不仅节约了实验室资金投入，提高实验室的开放性和利用率，还有效地规范和简化实验室管理模式，提高实验室管理水平。

2 LabVIEW在网络虚拟电子实验室的应用

网络虚拟实验室最核心的部分是虚拟仪器。虚拟仪器(virtual instruments，VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)提出的，是一种集成了硬件实验系统、虚拟现实技术、Web技术等多种先进技术的综合平台。由于其灵活、高效的开发特点，现已成为网络虚拟实验室构建的最佳方案[2-3]。而作为虚拟仪器技术的主流开发平台，LabVIEW软件是一种图形化编程语言，具有强大的网络互连功能。LabVIEW的程序能方便地嵌入HTML网页中，通过其自带的网页发布功能实现网络共享，即用户通过连接在网络上的计算机就可以登录网络虚拟实验室，在已发布的实验VI上通过交互控制即可完成实验，并能进行预习实验、上交实验报告、实验交流等操作，充分体现了“软件就是仪器”的思想。目前，LabVIEW已被广泛应用于教学、科研、测试和工业自动化等领域。

电子技术实验分为模拟电路和数字电路两大类，其中又可分成验证性实验、综合性实验和设计性实验。传统的实验教学以验证性实验为主，综合性、设计性实验为辅，目前，各高校实验室以实验台、实验箱为主要实验教学设备已很难满足综合性、设计性实验的需求，大大制约了学生动手能力和创新能力的培养。而网络虚拟电子实验室的构建就解决了这一问题。首先，根据实验教学大纲，本着压缩验证性实验，增加综合性、设计性实验的原则，调整电子技术实验项目，精选一些实用性强的、应用普遍的典型实验，培养学生的实践能力和创新意识[4]；其次，在LabVIEW平台下设计各个实验模块所需VI，设计者按照实验内容设计模块所需的前面板，并通过程序框图实现其功能；最后，将设计好的VI通过LabVIEW内部的网页发布功能嵌入到网络虚拟电子实验室的网页中，供学生点击访问。

3 网络虚拟电子实验室的构建

3.1 网络结构

基于网络的虚拟实验室按其实现模式可分为客户端/服务器模式(C/S)、浏览器/服务器模式(B/S)[5]。C/S模式是网络通信中常用的一种模式，如图1所示。一般由客户端负责数据采集，接收和发布数据，服务器作为数据库来使用，每个客户端基于网络协议将采集的数据输入到数据库。该模式的客户端需要安装相关的客户端软件，数据传输频繁，维护工作量大，虽然实现机制简单，但不适合高校中的网络实验教学。

图1 C/S模式的网络虚拟实验室的网络结构图

B/S模式简化了客户端的工作，将复杂的数据采集等开发程序放在服务器端。服务器按照功能分为Web服务器和应用服务器，Web服务器主要用于处理客户端请求，而应用服务器则通过LabVIEW控制程序与实验室仪器设备连接，这两种服务器利用Datasocket进行数据通信[6-7]。用户只需要在安装有浏览器的计算机上点击网络虚拟实验室的网页，进入相应的实验模块即可控制、监视远程的实验仪器，或是通过软件仿真来完成实验，还可以进行登录系统、实验报告上交、实验交流等相关操作。这种模式主要开发工作都在服务器端，客户端不存在开发和维护的问题，结构图如图2所示。结合高校实验教学的特点，采用B/S网络结构，降低对客户端的要求，增强系统的灵活性和可扩展性。

图2 B/S模式的网络虚拟实验室的网络结构图

3.2 网络虚拟实验室的工作模式

网络虚拟实验室有两种工作模式：(1)软件共享模式，即纯软件实验模式，适用于虚拟仿真实验；(2)硬件共享模式，即半实物实验模式，主要用于实时测控实验[8]。构建完整的网络虚拟实验教学平台一般是两种模式相辅相成、综合应用，既克服实际实验中设备、环境、时间等实验条件的限制，又增强虚拟仿真实验中学生实际操作仪器的真实感。

两种工作模式各有特点，可根据具体情况单独应用或是结合使用。软件共享模式仅仅需要共享软件，不需要调用仪器设备等硬件资源，不存在硬件控制问题，它有服务器端运行和客户端独立运行两种运行方式。前者的程序是在服务器端运行，用户只需通过浏览器提出控制程序的请求后即可进行实验；后者通过网络将程序下载到客户端，使得实验操作不会受网络和服务器状态的影响，但由于程序无法访问服务器的硬件资源，所以只适用于软件共享模式。软件共享模式的结构图如图3所示。

图3 服务器端运行的软件共享模式

硬件共享模式需要连接实验仪器，例如数据采集卡、控制器、信号源、示波器等，通过LabVIEW程序控制、管理这些仪器，采集并处理实验数据，是硬件共享模式的核心。同时，为了增强实验操作的真实感，该模式还增加了多媒体辅助模块，用实时的视频和音频效果来呈现实际实验操作的过程，让学生仿佛在实验室实际操作仪器设备进行实验，有效地克服了软件实验中普遍存在的抽象、缺乏真实感的缺点。由于硬件共享模式实现了实验室设备仪器的共享，实验室的开放性和利用率大为提高，实现了真正意义上的“软件即仪器”的理念。另外，该模式需要连接实验仪器，这就要求客户端实现单一控制，即在同一时刻只允许一个客户端连接到该仪器，得到仪器控制权，故硬件共享模式只能是服务器端运行方式。其结构图如图4所示。

图4 硬件共享模式

硬件共享的网络虚拟实验室具有软件共享模式无法比拟的优势，但其硬件要求较高，需要协调网络中心、实验教学管理、多媒体管理等部门，构建难度较大。综合考虑肇庆学院的情况，该方案的实现条件尚不成熟。软件共享模式中的客户端独立运行的网络虚拟实验室简化了服务器端的功能，服务器提供VI下载，客户端通过网络点击下载实验所需的相关VI，在本机进行实验操作。这使得实验规模、效果不再受制于网络，但会出现对客户端要求较高，VI源程序需妥善保护等问题。服务器运行模式的网络虚拟实验室中，服务器运行LabVIEW程序，客户端无需安装LabVIEW开发平台，简单易用。用户通过Web访问网络虚拟电子实验室网页，点击相应的实验模块调用服务器中的VI前面板完成实验操作。对于三种构建模式，结合实验教学的特点，这里采用软件共享的服务器运行模式搭建网络虚拟电子实验室。

3.3 网络虚拟电子实验室的构建

网络虚拟电子实验室分为系统管理、模拟电路实验和数字电路实验三个模块。其中，系统管理模块负责用户管理、实验教学资源管理，用户管理包括用户信息管理和用户登录管理。网络虚拟电子实验室的用户分为学生、教师、管理员三类，分别赋予一定的权限。其中，学生可进行系统登录，预习、申请实验，实验操作，下载、提交实验报告，实验提问等；教师进入实验平台可进行实验指导、问题解答、批改实验报告等操作。实验教学资源管理包括实验项目、实验报告等模块[9-10]。模拟电路实验模块、数字电路实验模块是网络虚拟电子实验室提供给学生的实验平台，LabVIEW设计的各个实验模块VI是该模块最重要的组成部分，共包括14个基础性和综合性实验。鉴于LabVIEW采用模块化编程的思想，各个实验模块是以子VI的形式嵌入实验系统中。这样，当有新的实验项目或是对已有项目进行修改时，只需要将设计好的新的子VI加入到实验系统，或修改相应的实验模块即可，大大增加了实验系统的灵活性和可扩展性，有利于系统的维护与资源共享。

以单管放大器的实验来说明网络虚拟电子实验室的功能流程图。首先，将设计好的单管放大器实验VI放在服务器相关文件夹中，包括前面板和程序框图。其次，打开LabVIEW，利用自带的网页发布功能，将VI发布为HTML嵌入到网络虚拟电子实验室的平台中。这里需要配置服务端的LabVIEW为Web服务器，将嵌有VI的HTML网页放在Web服务器中以供学生浏览。最后，学生通过浏览器连接网络虚拟电子实验室，点击进入单管放大器实验模块。这里需要客户端安装有LabVIEW 运行库，若客户端没有安装，则提示下载并安装，之后再进入实验模块，获得VI的控制权，进行相关的实验操作。功能流程图如图5所示。

图5 单管放大器实验模块的功能流程图

4 结束语

基于LabVIEW构建的网络虚拟电子实验室打破了传统实验手段中时间、地点、仪器设备等条件的限制，结合虚拟仪器技术、计算机网络技术、多媒体技术等现代化技术手段，实现了学生实验无限制、与实验仪器零距离，任何时间、任何地点都能通过网络完成实验预习、实验操作、实验报告上交、实验交流等，改善了学生实验条件，提高了学生学习的兴趣和积极性，进一步巩固了学生的理论知识，促进了学生学习的自发性和能动性。同时，也为高校教学改革提供了新思路和新的发展机遇。

[1]马仕海.网络虚拟实验室的构建研究[J].中国电力教育,2013(1):164-165.

[2]陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.

[3]陈晴,陈林,张志.基于虚拟仪器的开放式虚拟实验室系统的研究和实现[J].电子测量技术,2007,30(4):109-112.

[4]周凯.EWB虚拟电子实验室-Multisim7&Ultiboard7电子电路设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.

[5]马梅娟.基于B/S和C/S混合结构的电子电工虚拟实验室建设[J].实验室研究与探索,2010,29(10):54-57.

[6]刘莉.基于虚拟仪器的远程网络虚拟实验室的设计[J].核工程研究与设计,2006(1):40-43.

[7]齐虹,周文滨.利用LabVIEW实现的虚拟网络实验室及其虚拟实验[J].福州大学学报：自然科学版,2010,38(2):237-241.

[8]李圣良.电类专业虚拟实验室的构建[J].实验室研究与探索,2005,24(4):40-42.

[9]刘琰.基于Web的网络虚拟实验室管理平台设计与实现[J].南京工程学院学报：自然科学版,2012,10(1):63-67.

[10]田杰,张民.探索网络虚拟实验室的构建[J].实验室研究与探索,2012,31(4):262-264.

Network Virtual Electronic Laboratory’s Influence on the Teaching Mode Reform and Construction

CHEN Yongjian, ZHOU Yan

(College of Electronic Information and Electrical Engineering, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China)

Network Virtual Electronic Laboratory is new type laboratory based on computer networking technology, multimedia technology and virtual technology. It effectively remits the shortage of universities experimental installation condition, and saves the input of laboratory. Meanwhile, Network Virtual Electronic Laboratory designed on LabVIEW realizes hardware sharing of laboratory equipment and software sharing enhances open and use ratio of laboratory and provides a new direction of universities teaching mode reform.

network virtual electronic laboratory; LabVIEW platform; teaching mode reform; share

2013-11-07；修改日期: 2014-03-28

陈永建(1980-)，男，硕士，讲师，研究方向：计算机控制，智能网络。

TP393；G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.069