基于虚拟仿真技术的计算机实验系统开发研究

苏毓洲 方健炜 潘璟琳 霍英

摘要： 实验教学是计算机技术课程教育中不可缺少的教学环节。然而，由于我国实验教学起步较晚，目前绝大多数高校的实验教学存在着实验课时偏少、实验内容陈旧、实验设备落后等问题，导致学生的学习兴趣低、实践和创新思维能力普遍偏弱。本研究提出采用B/S架构模式和软件模块化设计的基于虚拟仿真技术的计算机实验平台的教学新模式。并通过一系列的实验及调查数据，验证了该平台的使用可提高学生学习信息技术的兴趣和学生的学习效率，打破对时间和地点的限制。

关键词： 计算机技术实验教学;实践应用能力;虚拟仿真技术;实验教学系统

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）17-0264-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统，该技术主要应用于网络协议的构建。[1]虚拟仿真实验教学是用计算机创建一个可视化实验操作环境，通过操作虚拟实验仪器或设备，模拟一定条件下的实验环境，进行各种实验，如对实验员有一定危险性的化学实验，或实验成本较高的计算机网络攻防实验，甚至用于模拟原子弹爆炸当量的物理实验等，达到与真实实验环境相一致的效果和要求。虽然虚拟仿真技术在我国发展较晚，但得到了各行业的重视并迅速发展。虚拟仿真实验教学系统的应用开始在国内高校普及应用，并取得了良好的教学效果。

2基于虚拟仿真技术的计算机实验教学模式的特点

运用虚拟仿真试验平台的教学模式以学生为训练主体，把硬件进行软件化[2]，将硬件的功能由软件去实现，屏蔽掉一些复杂的硬件设计过程。利用现有实验室的硬件设备和软件平台，构建虚拟实验室，将抽象知识变得动态化，提供互动平台及时答疑。学生通过平台实践对实验原理有更加清晰的理解，并且将实验结果在用户操作端写实验报告和实验分析[3]，教师通过系统可以设置实验内容，随时查看学生的实验完成情况，对学生的操作进行评分[4]。

2.1基于虚拟仿真实验平台教学模式的特点

1） 开放性：与传统需要到实验机房才能进行实验的教学模式不同的是，新实验教学模式只需要一台可以上网的电脑，学生可以随机进行实验操作。[5]

2） 沉浸性：无论是教师的讲解还是学生自己实验操作时，新教学模式将会通过动画视频讲解和逼真的实操环境，让学生收获更大。

3） 交互性：新实验教学模式所提供的模拟环境不仅能够作用于人，同时，学生的操作上传至系统进行响应。[6]

4） 独立性：新教学模式提供了更多的实践时间，在实践的过程中，或多或少会遇到实验中所出现的各种问题，这时候要求学生的主见，培养他们的独立性，与此同时实践能力和创新能力得到锻炼。

2.2基于虚拟仿真实验平台教学模式的优势

1） 新模式发展空间性大，不受地点、时间、设备更新速度缓慢以及时间的安排而受到制约。

2） 新实验教学模式可以呈现目前设备不支持的实验

3） 计算机虚拟实验教学平台突破了客观条件对实验的制约，如环境污染、违法、设备缺乏、实验危险性过高。

4） 虚拟仿真计算机教学平台与理论知识相结合，对于教师而言，通过感官教学，调动感官来进一步提升学生的兴趣，通过动画讲解，把苦涩难懂的知识点形象化，易于理解。[7]同时，学生在原有实验基础上可以改变参数，按照自己的想法去设计实验，不再是停留在验证性实验阶段，实验过程中和对实验结果的分析上获得新思维。[8]

5） 借助对多媒体技术，如音频、视频、图像，虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术构建高度虚拟现实的仿真实验教学环境，实现互动实验教学，激发学生的自主实践兴趣，培养学生的系统思维[9]。

3虚拟仿真试验教学系统设计与开发

3.1平台架构

虚拟仿真实验教学平台硬件系统包括2台或以上服务器主机，文件服务器，数据库系统以及高性能网络设备，其中代理服务器与上游服务器之间有专网专线相通，以保证各服务器在内网之间高速通信;软件系统包括前端与后端两个部分管理系统。前端以网页形式为人机交互界面，后端基于数据库与虚拟仿真技术建设网站的后台核心架构。系统采用软件模块化设计，教师、学生与管理员的使用权限不同，故以前、后台页面专供不同人员使用。由于课程实验内容的快速更新，面向的实验对象多，而B/S架構模式简化了客户端的操作，又降低了系统运维的复杂性和成本支出，提高了系统安全性。同时B/S架构的集成度高，解决了网络资源分散，难于管理的问题。用户只要安装有浏览器即可随时进行  实验教学和实验操作，故本文提出的基于虚拟仿真技术开发的实验教学系统使用B/S架构。如图1所示。

6） 由于虚拟仿真实验教学平台使用B/S模式，数据处理与虚拟化实验应用都在本地服务器上运行，而虚拟化实验应用进程在每个用户启用时系统资源开销较大，传统的单系统在高并发访问时将会引发卡顿甚至系统崩溃，这将严重影响教师与学生的使用体验，因此我们采用分布式系统进行开发，当用户访问分布式系统时采用轮询和IP_hash的请求方式，实现用户请求时的负载均衡，当某一服务器崩溃或出错的情况下，虚拟教学系统并不会完全无法使用，从而优化了用户的体验，提高了系统的鲁棒性。[10]

3.2系统设计

虚拟实验教学平台网站的功能模块分为前台和后台功能模块，其中前台功能模块只提供给教师与学生等普通用户访问，后台功能模块只提供给网站管理人员访问，让工作人员能够对网站的进行维护和管理。模块结构如图2所示。

3.2.1前台功能模块

1） 用户模块：用于存储学生信息，供学生选课，便于学生登录后进行实验操作。信息管理中统计学生的选课情况，让学生了解该课程的热门程度与剩余可选课程等信息。

2） 课程模块：学生登录成功后，老师课前发布的公告能够让学生及时了解到老师最新发布的实验教学内容，课件能够让同学进行预习，当学生遇到难以解决的问题时，能够在讨论区中提问，老师或者其他同学及时回答，形成实时性主体教学。为了检测学生的学习情况，提供测验或者作业了解各学生学习情况，并对实验结果以及操作进行评分。

3） 具体课程模块：该模块是对各个实验课程的简介，介绍各个课程需要的基础知识、相关实验等，同时展示该课程在以往的同学学习中遇到有趣的问题与内容分享，组成一个趣味事迹分享论坛，提高学生的学习乐趣。

4） 在线信息：由于教师提供的课程难度参差不齐，学生在课程学习中遇到较难的问题时可以通过在线论坛进行发帖提问，学生与老师能在在线论坛中分享自己的解决方法，同时也能够在论坛中拓展实验的课外内容，促进学生的全面发展，其次同学和老师可以通过发布活动信息，私下进行内容的探讨与研究，进行课题探讨。

3.2.2后台管理模块

管理员信息统计：负责管理员的权限设置，其中包括课程、趣味论坛和趣味事迹内容的增删改查和审核权限，以防止恶意人员发布不良消息和随意发布选课内容等。

综合管理系统： 该模块负责管理学生与教师群体的人员信息，以方便记录学生的上课情况、选课情况和作业上交情况等，同时对教师发布的实验课题进行审查，管理员能够把最新课题在课题公告中进行展示，同时对课题的上传的课件进行检测预览等，以确保课题的完整和可用，同时对趣味论坛下的帖子进行管理审查，防止恶意人员发布不良信息等。

3.2.3系统后端设计框架

虚拟教学平台的WEB应用是基于Centos操作系统服务的，用户在浏览器访问虚拟教学平台的 JSP/HTML页面和系统资源时，由Centos操作系统控制完成。Java虚拟机（JVM）的搭建，Tomcat服务器的配置，作为JavaWeb应用的容器，负责jsp、servlet和静态资源html的调用，提供学生与教师等用户访问虚拟教学平台的网页。Nginx服务器部署，反向代理访问Tomcat服务器，代理缓存完整的HTTP请求包[10]，而后转发到的Tomcat服务器，以减小应用服务器的负担，用户访问系统时利用IP_hash绑定，使用户在同一IP访问的tomcat服务器不变，从而实现session的资源共享。当用户需要获取静态资源时，可到文件服务器的共享区获取，实现静态资源的同步共享。Vsftpd服务器的配置，提供FTP服务，可以为教师或学生建立虚拟用户，为教师的课件上传与删除，学生作业的上传与课件下载等提供服务。MySql数据库的安装与配置，存储虚拟教学平台中各模块的信息部分，包括学生的个人信息、教师的个人信息、学生的选课信息、学生的作业上交情况、教师的课件上传情况、讨论区提问与回复信息。如图3所示。

3.2.4 基于虚拟仿真技术的SSM框架及分布式环境部署

虚拟教学平台是基于B/S浏览器-服务器模式开发的，采用Spring MVC+Spring+Mybatis （SSM） 的设计框架进行后端开发，SSM是基于B/S 三层架构模式进行开发的框架，其中包括：表现层（SpringMVC），业务层（Service），持久层（MyBatis）。如图4所示。

表现层：包含本次虚拟仿真实验教学平台的所有前端JSP和HTML页面和控制器Servlet类的内容，显示数据库所获取的数据提供给学生、老师等用户群体所能看到的页面，同时控制和验证用户所提交的数据，实现用户与后台的之间的数据交流以及信息传输[9]。

业务层：处于应用程序功能拓展和数据加工的层次。负责事务逻辑处理，其任务是接受表现层发送过来的数据进行加工后传递给持久层，同时能够结合持久层实现事务的原子性操作，保证平台中教师与学生在高并发操作时出现事务混乱，从而在数据库中形成脏数据，确保了事务的准确执行，所以业务层在项目中起承上启下的作用。

持久层：位于三层模型中的底端，其任务是接受获取业务层传递过来的数据，利用sql语句对数据库进行请求操纵，实现对数据库表的增加、查询、修改、更新等功能，然后把运行结果返回给业务层。在虚拟教学实验平台中，数据的存储操作都在此层中进行。

B/S三层架构模式严格分层，相互独立，彼此之间的信息传递来源于邻层之间的相互调用，从而实现信息的传送[9]。 三层架构实现了模块化设计，提高了虚拟仿真实验教学平台系统的复用性、移置性，规范和简化性。

4教学效果实验

传统的实验模式是通过实验仪器，老师作为主讲，学生作为接受者的一种实验教学模式。在运用了新型计算机虚拟仿真实验教学平台后，老师则成为指导者，学生变为主动者。首先，老师作为指导者，在课堂公告上率先抛出一个实验问题，同时提供动画课件，利用动的知识内容，化抽象为具体，引起学生的兴趣。其次，在学生进行实验操作的同时，教师通过互动平台，与各个学生进行互动，对错误的虚拟实验操作进行指点纠正，与此同时，实验平台提供讨论区，欢迎学生们一起探讨实验内容，在探讨的过程中，老师会对学生进行指点，提供思路，让学生在探索的过程中稳步前进。课程结束后，学生进行上传交作业。老师在网上批改作业，批改完成后将作业情况反馈给学生。课堂实验课程结束后，学生依然可以在课后在平台上进行实验操作。通过虚拟与实验教学平台方式，学生对实验原理有了更深的了解，从而进一步提升他们的实践动手能力。而计算机实验教学平台的投入，不但可以减少实验仪器設备的耗损，还可以提高学生的实验能力。同样，老师还可以通过实验教学平台直观地了解到同学们的到课情况、学习进度等，更方便教师管理。

4.1实验数据

4.2实验方案

4.2.1 单因素实验设计

实验假设：虚拟仿真计算机实验教学模式有助于帮助学生理解数字逻辑的知识，提高学生学习数字逻辑的兴趣和学生的学习成绩，更好地掌握数字逻辑这门学科。

自变量：是否采用虚拟仿真的计算机实验教学模式。

因变量：不同组的学生的期末成绩的对比。

4.2.2 实验无关变量控制

实验对象的选择上，我们选择两组学习能力以及学习水平大致相当的两组学生作为对照。提高实验结果的准确性。

采用同一个教师，于上学期教17级软件工程3班，下学期教17级计算机科学与技术2班。

教学内容保证相同，使用同一本教材，统一教学进度和实验的课题。

多组随机抽取，计算平均值。

4.3实验结果分析

在进行一年的调查后，我们对所获取的《数字电子技术》的期末成绩进行整理对比，在实验组和对照组中分别随机抽取35名学生，并且多次抽取，选取多次后的平均值作为最终结果进行横向差异的显著检测。如表2及图5所示。

对照组的实验因为受制于传统实验教学模式的影响，实践场地、实践时间受到了影响，很多实验没有做到，对原理概念了解不深。而实验组的同学不仅能够随时做实验，完成他们许多不能做得到的实验，还能通过动画讲解，对公式的理解更加透彻。与此同时，兴趣和实践能力得到提升。虚拟仿真计算机实验教学能够填补因实验场地、试验时间、实验设备不足而无法做相关实验的空缺。除此之外，为了更进一步获得更精准的数据，我们针对17软件工程专业3班与17计算机科学与技术2班的学生进行有关《数字逻辑》的课程实验是否采用虚拟仿真技术的计算机教学模式进行调查，其中我们可得出虚拟仿真计算机实验教学是对当前传统实验模式的完善，学生绝大多数接受虚拟实验教学模式，但更倾向于两者相结合一起使用提高他们的理论与实践水平。问卷调查部分数据如下表3，表4所示：

5结论

任何一种教学模式的发展都需要科学技术的支撑，目前由于受到技术的限制，虚拟仿真计算机实验教学还有很大的发展空间，展望未来，虚拟仿真计算机实验教学将朝着智能语音化建模、动态环境建模、三维图形显示与生成建模，为教育学提供更强大的动力，让每一位学生都能够享受动手能力的乐趣。

参考文献：

[1] 李楠，孙凤茹，张华卫.基于Packet Tracer虚拟仿真软件的计算机网络实验教学模式的探索[J]. 中国建材科技，2017（9）.

[2] 蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2011（7）.

[3] 周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J]. 计算机教育， 2015（8）.

[4] 王卫国，胡令鸿，刘鸿.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]. 实验室研究与探索，2015（8）.

[5] 路瑜. 浅析仿真技术在高职计算机网络教学中的应用研究[J]. 才智，2014（12）：184.

[6] 翁国秀. 计算机专业实验教学改革的实践与探讨 [J]. 信息与电脑 （理论版 ）， 2013（9）.

[7] 张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J]. 实验技术与管理，2013（8）.

[8] 吴强.基于虛拟化技术的计算机网络专业实践教学环境建设的研究[J].天津科技，2012（1）：49-51.

[9] 王进.B/S模式下的三层架构模式[J].软件导刊，2011（4）.

【通联编辑：梁书】