计算机组成原理虚拟实验教学平台的研究

屈 泳, 王三华, 阮小军

(南昌大学 理学院, 江西 南昌 330031)

21世纪教育技术产生了深刻的变革,信息技术和课程教学多元化的融合体现了这种变革。作为普遍应用于教学实践中的数字化技术,虚拟实验已经成为重要的教学方式之一。

在理工类专业教学中,非常重视培养学生的实践能力,实验教学在提高学生的综合素质上具有非常重要的作用。传统的实验教学往往受到实验室时间、空间和实验仪器设备等条件的限制；而虚拟实验教学具有教学成本低、效率高、功能全、安全等优点,可以不受或少受条件的限制,在高等学校的实验教学中发挥了重要的作用。虚拟实验教学平台将虚拟现实技术与实验教学相结合,将实验教学所涉及的教学环境、操作过程和验证过程进行模拟和虚拟化,让学生在虚拟实验教学环境中进行实验学习,并且不受时间、地点的限制,架起了理论和实践沟通的桥梁[1]。

计算机组成原理课程是计算机类专业的基础课程,实验教学内容丰富。传统的实验教学是以教师演示的方式进行的,学生缺少动手实践的机会。为此,笔者设计了计算机组成原理虚拟实验教学平台,开展计算机硬件和计算机组件结构等教学内容的虚拟实验教学,以提高实验教学效果和培养学生的学习兴趣。

1 虚拟实验教学平台的建设目标

虚拟实验教学实验平台要能够模拟计算机各个元器件及设备组装过程[2],实现3个实验教学目标。

(1) 实验过程的记录,了解学生实验过程中存在的问题。由于大多数计算机原理实验很难了解学生在实验操作时的具体步骤,而这些信息的缺失非常不利于教师了解学生的学习过程。因此,虚拟实验教学平台应能够记录学生的实验操作环节,以便对学生实验的情况进行客观的评价和考核。

(2) 实现实验教学环境的模拟,激发学生在实验教学中的学习兴趣。虚拟实验教学平台不但要能够模拟真实的实验环境、实验设备及实验操作过程,还能让学生如身临其境地在虚拟环境下学习计算机的构成、各个硬件设备构造及工作过程,在虚拟的环境下进行计算机知识的学习和研究。

(3) 具有良好的延伸性和扩展性。由于虚拟实验教学平台中的实验内容并不能完全满足不同教师的不同教学需要,因此,虚拟实验教学平台应适应教师个性化的教学需求,提供给教师自我设计教学内容和实验项目的功能。

2 虚拟实验教学平台的网络架构

虚拟实验教学平台是进行虚拟实验教学、实验操作、师生互动交流以及实验项目管理的信息平台[3]。学生需要通过该平台独立完成实验操作和实验过程的学习,提高实践能力和创新思维能力。虚拟实验教学平台的网络架构采用的是BSDA网络架构,由远程客户浏览器端、Web服务器端、应用服务器端及实验仪器设备端等4个组件构成,通过计算机网络组成了一个完整的虚拟实验教学平台[4]。

数据库系统作为平台的核心部分,承担了各项虚拟实验项目存储和数据管理的工作,包括实验用户账户的生成、虚拟实验交互动态网页的生成以及虚拟实验数据管理等工作。应用服务器承担了实验设备及仪器的控制和管理、实验数据的采集和分析处理工作。Web服务器作为虚拟实验教学平台的信息发布服务器,承担了用户登录认证管理、开放式交互实验环境生成以及实验教学的动态网页的生成等工作。

计算机组成原理虚拟实验教学平台的用户包括管理员、实验指导教师和学生。管理员要进行实验课程以及实验指导教师和学生的账户管理和维护；实验指导教师可以从虚拟实验教学平台的实验项目库中选择虚拟实验项目,也可以进行自定义的虚拟实验项目设计,在学生实验完成后通过虚拟实验教学平台进行实验报告的批改工作；学生登录虚拟实验平台,能够按照实验要求模拟实验操作过程,在线完成实验报告并提交给教师,还可以通过平台查询指导教师对本人实验报告的批阅意见。

3 虚拟实验教学平台的体系架构

为了适应信息技术发展的需要,采用模块化思路进行虚拟实验教学系统的功能设计。为此,必须将虚拟实验教学系统进行分层处理,将各个层次模块单独进行设计和建设,从而降低系统的复杂程度[5]。在系统设计时,按照先底层、再高层的设计思路,即先设计和验证下层的程序模块,然后再设计和验证上层的程序模块,模块与模块之间既相互独立,又互相依赖。

虚拟实验教学平台主要包括实验管理模块、教师指导模块、学生参与模块和师生交流模块。

实验室管理员、实验指导教师和参加实验的学生为虚拟实验教学平台的人员结构。平台根据人员类别进行权限和职责的划分。实验室管理员为平台的系统管理员,负责虚拟实验教学平台的管理和实验资源的维护管理；实验指导教师负责虚拟实验项目的设计、实验指导、实验任务的下发和实验报告的批阅；参加实验的学生可以通过虚拟实验教学平台观看实验教学视频、进行实验学习和实验项目的操作,提交实验报告。

4 虚拟实验教学平台的功能模块

虚拟实验教学平台由实验系统管理、实验资源管理、实验过程管理、实验评价管理、师生互动管理等5个子系统组成(见图1)[6]。

图1 虚拟实验教学平台系统功能框架

实验系统管理子系统作为虚拟实验教学平台的管理系统,是系统管理员进行管理和维护的工具。系统管理员可以创建和维护虚拟实验课程、建立和维护实验指导教师和参加实验学生的账户。

实验资源管理子系统作为虚拟实验教学平台各类资源的管理系统,主要作用是进行虚拟实验教学平台各类教学资源的管理,这些资源包括教学视频等教学资源库和实验练习习题库。实验练习习题库的设置可以让学生在进行虚拟实验学习之前了解与实验相关的理论知识,以便有准备地进行虚拟实验学习。实验教师需为习题库准备好一定数量的实验练习。教学资源库主要是对音视频资源及图片资源等文件进行整理和归类,虚拟实验教学资源需经过管理员审核后方可上传,教师可以在虚拟实验项目中引用这些资源,这些教学资源既可以进行共享使用,也可为特定实验专用。

实验过程管理子系统由实验过程管理和学生考勤管理两部分组成。实验过程管理是学生实验操作的环境平台,学生可以在实验平台看到教师发布的实验项目和实验步骤,并根据实验要求完成实验操作；学生考勤管理主要是协助实验教师对学生上课的情况进行考勤、统计和分析。

实验评价管理子系统是实验指导教师进行实验任务评价的系统,具有智能批阅功能模块和人工批阅功能模块。智能批阅是根据实验项目设计的得分点,自动判断学生是否进行了相应的配置及操作,自动完成实验任务的批阅评分过程。手工批阅则是由教师根据学生实验报告中所陈述的实验步骤、实验结果以及结果分析等内容进行人工的评分。

师生互动子系统提供在线交流功能,类似微信的“群聊”功能。利用该模块,学生在实验过程中发现问题时能够及时向教师提问,教师则可以在线提供帮助。

5 计算机组成虚拟实验教学平台的设计

5.1 计算机组成实验的特点

计算机已成为人们日常工作和生活中不可或缺的办公工具,在金融、教育、商业、科研等领域中发挥着越来越多的作用。作为计算机类专业的高校学生,必须了解计算机的组成和结构。为此,大部分高等学校都开设了计算机硬件实验课程。该课程具有很强的专业性和实践性,除了要求学生很好地掌握各种计算机元器件的参数和计算机理论知识以外,更重要的是将这些知识很好地运用到实际的计算机安装和维护过程中。可见,实践和实验环节在计算机组成课程教学中占有十分重要的地位,只有重视实验教学,才可以提高学生了解计算机各个元器件及解决各类故障能力[7]。

计算机硬件组装实验和计算机维护实验是计算机组成课程中的主要实验项目。其中,计算机硬件组装实验是一个综合性的设计实验项目,包含很多基本的理论知识和实验操作。在这个实验项目中,学生需融合计算机硬件理论知识和实践技能,进行综合运用。计算机硬件组装实验项目涉及到很多设备和元器件,而且这些设备及元器件型号因生产厂家不同而各不相同,结构复杂且更新快。只通过理论上的讲解难以让学生掌握计算机内涵及发展趋势。由于实验设备及元器件数量多,有些价格较高,势必影响实验教学项目的开设。采用虚拟实验教学的方式,有利于提高计算机组成原理实验教学成效[8]。

5.2 开发虚拟实验教学平台的软件工具

虚拟实验教学平台的核心是将实验操作的全过程通过虚拟平台进行展示[9]。构建虚拟实验教学平台的软件工具有VRML语言等。VRML语言具有交互及编程、三维造型和实时渲染图形描述等功能,这些功能可以让它和Java语言、HTML及多媒体信息等技术很好地融为一体。采用VRML语言可以很好地创建一个具有交互式的远程虚拟实验教学平台,还可以让参与者具有身临其境的体验。VRML语言作为虚拟现实建模语言,具有三维建模的功能、面向对象和跨平台等特性,已成为互联网上制作虚拟互动系统的主流工具。

交互模式对虚拟实验教学平台非常重要,它受VRML语言的三维模型构建和交互模式的支持。节点是VRML语言中构建虚拟环境的要素,VRML语言通过这些节点可以很好地构建三维虚拟场景及交互式环境,再通过VRML语言中的路由模块进行信息的传输,就可以构造一些简单的虚拟仿真实验操作模型。在采用VRML语言进行虚拟仿真实验平台的创建过程中,可以采用 VRMLScript、JavaScript等脚本语言来实现实验操作者与场景的交互模型；在人机交互及外部访问时,VRML提供了VRML封装的Java类或EAI等技术来实现。

VRML语言还可以很好地支持实体对象的各种模型构建,计算机的各种元器件及环境都可以采用Box这个造型节点进行构建。以硬盘内外部构造的三维实体模型为例,其代码如下：

DEF yingpan Transform{

translation 0 0 0

47rotation-1 0 0-1.57

children[

DEF driver-touch TouchSensor{}

DEF driver -TINMER TimeSensor{},

Shape{

appearance Appearance{material Material{

diffuseColor 0.588 0.588 0.588

ambientIntensity 1.0

specularColor 0 0 0}

texture ImageTexture{

url″maps/bottom.jpg″}}

geometry Box{size 0.131 0.0915 0.65}}]}

ROUTEdriver-touch.isActiveTOdriver TINMER.loopROUTEyingpan-TINMER.fraction_changedTOTOP01-POS-INTERP.set_fraction

ROUTE TOP01-POS-INTERP.value_changed TO TOP01.set_translation

运行结果如图2所示。可以将硬盘外部和内部结构分别呈现在实验学生面前,大大方便了学生的实验学习。

图2 VRML语言构建的计算机硬盘模型

计算机硬件中的各个计算机组件(主板、机箱、内存、CPU等)的构成都比较复杂。在针对这些组件进行虚拟实验项目设计时,可以采用3ds Max软件进行模型设计和构建。模型建立后,再将模型文件导出为与VRML语言兼容的文件格式,通过VRML语言进行优化和压缩,最后,将这些模型应用于虚拟实验教学项目。通过VRML语言可以实现计算机组成原理虚拟实验教学平台的设计和构建,学生通过访问实验平台，可以进行实验的观看及实验操作,丰富了实验教学的手段,提高了实验教学的效果[10]。

5.3 用户登录和认证模块的设计

一个功能强大和完善的虚拟实验教学平台应具有稳定和安全的用户管理系统,为虚拟实验教学平台中的各类实验资源和数据提供安全保护和管理[11-12]。参加实验的学生凭用户名和密码登录虚拟实验教学平台后,必须经过用户和密码校验系统的验证后才能进行实验项目的查看与实验学习。在平台的设计上,采用实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW和MS SQL Server数据库系统相结合的网络开发环境, 采用LabVIEW的用户控件进行用户和密码校验系统的设计和开发。虚拟实验教学平台可以通过While结构来判断用户输入的用户名和密码与数据库中的用户名和密码是否匹配。认证成功后则允许登录虚拟实验教学平台。用户可单击“进入系统”进入虚拟实验教学平台,并可以在计算组成原理虚拟实验教学平台中观看实验演示、进行实验操作和实验数据查询等。

6 结语

将虚拟现实技术应用于实验课教学,建设计算机组成原理虚拟实验教学平台,可以得到更好的计算机组成原理实验教学效果,培养学生自我学习的兴趣,提高学生的创新思维和实践能力[13]。计算机组成原理虚拟实验教学平台的建设为实验教学提供了一个全新的教学模式,为实现实验教学的移动化课堂提供了一个切实可行的建设方案。