基于校园网络的虚拟实验室的构建及应用

孙慧影

【摘要】随着虚拟现实技术和校园网络的发展，社会对高校学生的实践能力越来越重视，使建立虚拟实验室成为可能。针对传统过程控制实验教学的限制，学院引入了虚拟实验室的概念。本文着重介绍了基于校园网络的组态王虚拟实验室的特点及设计思路，概述了虚拟实验室的网络框架，对学院过程控制虚拟实验室的建设进行了初步探讨，在此基础上对虚拟实验的前景有了明确的认识，它是一种有效的辅助实验教学手段。

【关键词】虚拟教学 校园网 组态王

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）02-0048-02

一、传统过程控制实验教学现状

知识经济时代的到来，使教育改革的步伐也越来越紧迫，实验教学改革也是教育改革中非常重要的一部分。为了提高学生学习的主动性和积极性，增强动手能力，有必要将新的计算机技术、多媒体技术、网络技术合理的运用到实验教学中，对传统的实验思维、实验方法、仪器用具、数据处理与误差分析等方面进行合理的改革，从而培养具有一定探索精神和自己解决问题的学生。这也是虚拟实验概念应运而生的另一个背景。

二、虚拟实验教学的发展脉络及构建虚拟实验室的相关技术原则

虚拟实验室描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于構筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。

虚拟实验室实质上是一个分布式计算机系统，在虚拟仪器中计算机处于核心地位，运用计算机软件技术和数据库系统紧密地结合在一起，形成一种既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。本研究结合虚拟实验教学的现状以及存在的问题提出基于校园网络的虚拟实验教学的设计思路，并成功的应用于实际教学中。

三、用组态王设计虚拟实验室的思路及特点

组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件。组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织和管理。

组态王是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它充分利用了Windows图形功能设备，界面一致性好，易学易用。它所使用的PC机开发的系统工程比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，同时还具有功能完备的人机接口界面和面向对象的图形开发环境，便于高效、快捷地把整个工艺过程构成监控画面，以动画的形式显示各个控制设备的状态。

基于校园网络的组态王虚拟实验室是计算机网络技术和实训教学设备的有机结合，是指在软、硬件结合的前提下，用户通过校园网络访问虚拟系统，在各种虚拟实验环境下，运用各种虚拟实验仪器、仪表等设备。它可以最大限度的利用学院有限的硬件资源。学院实训室以组态王控制系统网络为基础，配以小型局域网，通过交换机，采用虚拟仪器和虚拟现实技术实现实训了教学设备的扩展。

虚拟实验教学的基本特点有：

1.仿真性

实验环境、实验仪器和实验器件都是通过实验软件在计算机里进行仿真，具有高度真实感。学生在计算机上进行实验操作就如同置身于真实的实验环境，对真实的实验仪器和实验器件进行操作，并且得到与真实设备相同的实验结果。

2.开放性

由于实验仪器设备是基于对真实设备在计算机内的仿真。所以实验过程不在受实验场地和时间限制。特别是能将实验环境建立在基于局域网的平台上，任何学生只要在接入校园局域网的任一终端上便能使用虚拟实验系统。学生可方便地在网上进行任一专业、 任一课程的实验学习，并及时获取与实验教学及管理有关的各种信息。有利于实验教学和设施利用。

3.灵活性

在虚拟实验环境中学生比较容易根据自己的想法从事创新实验，有利于学生创新能力的培养。仿真实验的引入，让学生不仅可以充分利用仿真实验软件对数据采集、储存、分析、处理传输及控制的强大功能，对方案进行论证、 选定和电路的设计，而且可以随时改变参数等来调整控制回路，使之更好地逼近设计要求得出较为理想的设计。

四、虚拟实验系统平台的搭建

基于校园网的虚拟实验室系统的总体目标是设计实现一个在校园网上的虚拟实验室环境，利用校园网络和设备，将所提供的虚拟仪器、实验项目及内容放入建立的网站上。用户只需通过网络浏览器，而不需要其它的特殊软件，就可以登录到虚拟实验室的教学服务器上。教师事先在主页上列出所有可提供的实验项目，在相应的项目中显示该实验的有关内容，并同时提供具体的仪器列表和仪器设置功能。当学生选择了某个具体实验后，首先可利用所提供的实验内容了解实验过程和实验目的以，然后开始实验的具体操作，用户可以根据具体实验的要求来设置仪器。

学生是网络虚拟实验室的最终用户，每个用户在系统中都有唯一的ID号，作为其出入虚拟实验室的通行证，学生可以为自己的ID号设置密码，访问系统的登陆页面，输入各自的ID号和密码，即可成功登陆虚拟实验室系统，进行远程实验的相关操作。当实验完成之后，学生可以保存其实验结果，并通过网络将实验报告提交给教师。教师作为虚拟实验室系统的特权用户，其主要任务是管理学生、发布实验内容、批改学生提交的实验报告、对实验报告进行打分和综合评价并指出其优点或不足之处，使学生从评语中对实验学习有更加深刻的认识。

（一）系统硬件平台的搭建

虚拟组态王控制技术实训室硬件平台框图如图1所示。

虚拟组态王控制技术实训室主要有计算机直接数字实训装置和仿真实训室组成。

1.直接数字控制系统实训装置

直接数字控制系统实训装置由现场对象单元、模拟量输入模块、模拟量输出模块、控制计算机组成（如图1）。控制计算机完成控制器的作用，在计算机上安装一个网卡，可实现与仿真实训室的连接。

直接数字控制系统的控制过程：现场的变送器将被测参数按量程范围转换成4～20mA的标准电流信号送到模拟量输入模块，模拟量输入模块将4～20mA的电流信号转换为计算机能接收的数字信号送到直接数字控制计算机，计算机进行PID运算后送出数字控制信号，数字控制信号经模拟量输出模块转换为现场执行机构能够接收的4～20mA的模拟信号送出，从而达到控制被测参数的目的。

2.仿真实训室

仿真实训室实际是一个小型的局域网，局域网内至少应包含50台以上的计算机，以保证至少一个班级使用。在各种控制系统的计算机上配备一个网卡，通过仿真实训室网络交换机可实现仿真实训室与控制系统的连接。

（二）系统软件平台实现功能及搭建

基于校园网的虚拟实验室需要软、硬件结合，最终达到整个真实实验所有功能的实现，而软件设计的难点和重点在于对虚拟实验室的数据库设计以及多媒体技术的使用。虚拟实验室软件平台是整个虚拟实验室的基础，它是基于B/S网络结构的。基于校园网虚拟实验室有三种人员角色：实验室管理员、实验指导老师和学生。他们分别具有不同的权限。其中学生可以通过虚拟实验室进行实验学习、提交实验报告、提问及查看实验成绩等功能。实验指导老师可以通过虚拟实验室进行实验指导、批改实验报告、布置实验内容等功能。实验超级管理员作为实验室管理人员，具有最高权限。其主要功能为准备实验设备、安排实验时间和内容、发布实验内容和报告等。

（三）虛拟组态王控制技术实训室的基本功能

在组态王控制技术实训室中，采用网络技术、虚拟仪器技术、虚拟现实技术和多媒体教学技术实现以下功能。

1.实现对各种控制系统的组态和计算机虚拟。当对组态王控制系统进行组态时，教师可以利用局域网中的教师机，对学生进行视频教学，讲解组态王系统的组态方法和步骤。

2.通过网络实现对实训结果的分析。在传统教学模式中控制器参数对控制过程的影响以及控制器的参数整定等实训内容只能在有限的特定的装置上完成，实训效果差。采用网络和虚拟仪器技术后，在主控计算机上启动广播教学软件，学生可在自己的计算机上观察分析实训过程曲线，并最后得出结论。

学院新建的基于校园网络的虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，为学生提供了一种崭新的实验方式。但需在此指出，虚拟实验只是实验教学的辅助手段，并不能完全取代实验的实际操作过程。开展虚拟实验教学可以起到辅助教师的作用，通过校园网络和多种媒体形式的交互式虚拟实验手段达到形象、生动的实验教学目的。基于校园网的虚拟实验室的研究解决了很多实验条件限制的实验教学问题，为实验教学注入了新的活力，让实验教学延伸到了一个更广泛的空间。

参考文献：

[1] 单美贤，李艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京：教育科学出版社，2005.

[2] 李怡，李树涛.虚拟工业设计[M].北京：电子工业出版社，2003.

基金项目：山东科技大学自动化学院名校工程建设项目：MX-KCJS-6。

山东科技大学研究生教育新计划项目：KDYC1218。