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摘要：针对职业类院校实验建设现状及困境，利用虚拟实验室技术对实践教学进行改革，在分析了虚拟实验室的特点，对虚拟实验室和系统架构和开发的技术手段作了较为详细的分析，对网络虚拟实验室的功能模块进行详尽的划分及设计。
关键词：网络虚拟实验室；系统架构；开发技术
中图分类号：TP393文献标识：A文章编号：1009-3044(2008)32-1055-02
Network Virtual Laboratory Construction
FENG Gang, YANG Guo-chun
(Computer Department of Huaian College of Information Technology, Huai’an 223003, China)
Abstract: Aim at the present condition of the occupation college experiment construction and dilemma, make use of a virtual laboratory technique to practice the teaching carry on reform, is analyzing the distinguishing feature of virtual laboratory, made more detailed analysis to the virtual laboratory and the means of the technique of system structure and development and carry on a detailed demarcation and design to the function mold piece of network virtual laboratory.
Key words: network virtual laboratory; system construction; development technology
1 引言
隨着职业教育的发展，学生规模急剧膨胀，职业类院校实验室建设规模严重滞后于迅速膨胀的学生规模。如果仍然采用传统的实验教学方法，就目前职业类学校经济状况，想通过扩大实验室的规模添大量仪器设备来满足传统的实验教学，一般是难以实现的，因此改变传统实验教学模式迫在眉睫。
现代信息技术特别是网络技术、多媒体技术所引发的教育手段观念和模式的革命，使基于网络的教学模式极大地动摇了传统教学的基本模式，产生出一种教学双方彼此互动的全新教育模式，基于网络的虚拟实验室就是以计算机网络为核心，将虚拟仪器通过网络连接起来，以实现数据采集、分析和远程操作的一个系统。
建立基于虚拟仪器技术的虚拟实验室系统，以软件编程代替实际实验，并提供实验项目的远程访问服务，能够有效解决职业类院校中由于实验资源紧张带来的一系列问题，已成为职业类院校实验室建设的一种必然趋势。
2 网络虚拟实验室概述
虚拟实验室（Virtual Laboratory），亦称合实验室（Col Laboratory），最早由美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的威廉·沃尔夫（William Wolf）教授于1989年提出的。它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里，用户可以非常有效的利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。
它与传统实验教学相比，网络虚拟实验室具有如下特点：
1) 可降低科研成本和节省研究经费，并能够充分发挥现有科学仪器的作用，提高使用效率，尤其是通过联网后能实现大型科学仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复添置、购买和浪费。
2) 突破了传统实践教学模式受时间、地点的限制，并且可以利用计算机网络网络提高实践教学效率，更好地培养学生独立分析问题、解决问题的能力。进一步提高学生的实践技能。
3) 强调“网络就是实验仪器”的概念。网络在实验中充当了以往由操作台和设备实现的角色。通过建立网络虚拟实验室，远程教育的学习者不必担心缺乏实验条件，也不必为实验到处奔波，他们通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境，同样能够“身临其境”地观察实验现象和进行“实际”操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。
4) 鉴于网络虚拟实实验的开放性和共享性，资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展和管理，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围和科目得以扩大，高新技术在教育领域内的优势可以充分发挥出来。
因此，用现代计算机网络技术研究虚拟实验室及其在实践教学及远程教学中的应用，已成为近几年国内外实验教学和远程教学的研究热点。
3 网络虚拟实验室系统架构
基于网络的虚拟实验系统架构上主要有两种架构：C/S架构和B/S架构。
3.1 C/S 架构方式
C/S结构是一种分布式计算模式。在C/S结构的系统中，应用程序被划分为两大部分：一部分是由多个用户共享的信息与功能，这部分称为服务器；另一部分是为每个用户所专用，称为客户部分。客户部分负责执行前台功能，如管理用户接口、数据处理和报告请求等；而服务器部分执行后台服务，如管理共享外设、控制对共享数据库的操纵、接受并应答客户机的请求等。
传统的二层C/S体系结构在单一数据库且有安全性和快速性保障的局域网环境下运行，因而得到了广泛的应用。不足主要体现在：程序开发量大，系统维护困难，客户机负担过重，成本增加以及系统的安全性难以得到保障等等。
3.2 B/S架构方式
在B/S结构的系统中，用户可以通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求。B/S结构极大的简化了客户机的工作。客户机上只需安装、配置少量的客户端软件即可，服务器将担负更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行都将在服务器上完成。
B/S结构的最大优势在于：它可以在任何时间、任何地点（没有局域、广域之分）、以任何接入方式（有线或无线连接）实现跨平台的网络实时操作；不限定用户使用人数，开发和使用成本都非常低；突出的易用性，客户端采用国际标准化的浏览器（如IE），因而客户端免维护、免安装、免开发，这不但节省了内存和存储空间，也节省了开发时间，从而降低了成本，给应用系统的安装、调试、日常维护和升级都带来了极大的便利。
4 系统开发技术探讨
4.1 使用JAVA（JVM）进行开发
JAVA是一种软件编程语言，旨在为 Internet 发展而使网页由静态转为动态，并可产生“小应用程序（Applets）”的一种简化语言，是最重要的一种网上通用语言。JAVA具有简单、面向对象、分布式、解释型、健壮、安全以及可移植等多种特性，更重要的是，它跨平台的特性满足了“网络计算机”的思想。JAVA小程序可下载到客户端的浏览器中执行，极大地丰富客户端接口的表现形式，提高了交互能力。它可用多种语言和工具来编写，这些独立的组件可重用或组合使用，更使用户的接口和交互能力进一步得到扩展。用 JAVA 语言开发的软件可以具有可视化、可听化、可操作化的交互、动画。JAVA 的这些特性对基于WEB虚拟实验室的构建相当有用。
4.2 .NET技术
Microsoft.NET（简称.NET）是微软公司推出的面向网络的开发平台的简称，是新一代的软件开发方式、发行方式和使用方式。.NET技术的核心是.NET Framework，它提供了一个全新的环境，在此环境下，可以用多种语言开发出在Windows平台上运行的各种复杂的分布式应用程序。Microsoft.NET Framework是一个平台，在这个平台上可以使用多种语言开发Windows应用程序、ASP.NETWEB应用程序、移动Web应用程序以及XML Web Service等。
4.3 使用VRML技术进行三维虚拟实验室的开发
VRML（虚拟现实建模语言）是一种三维场景的描述性语言，是在Internet上实现全新虚拟世界空间的关键性技术。其基本原理是用文本信息描述三维场景，在Internet上传输，利用三维图形生成技术在本地机上应用多传感交互技术以及高分辨显示技术，由VRML浏览器解释生成逼真的三维虚拟场景，使用者戴上特殊的头盔、数据手套传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。
在教学领域中应用虚拟现实技术时，能够为学生提供生动逼真的学习环境，用VRML实现与Internet虚拟现实交互丰富了媒体表现形式、实现了协同工作角色的可视化管理改善协同环境的用户界面，因而增强了协同环境的交互性。
4.4 使用ActiveX控件进行开发
ActiveX技术是Microsoft为适应网络发展的需要而将OLE技术在Internet上的重定义，是一组使用COM使得软件部件能够在网络环境中进行交互的技术集，被广泛应用于Web服务器以及客户端的各个方面。
通过构建ActiveX控件，能够允许不同软件商开发的组件在网络上实现互操作，使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信；用ActiveX技术进行开发的另一个好处在于它的代码可复用性。应用ActiveX技术建立的虚拟实验室(ActiveX组件)需要编译成网络发行文件包，并进行数字签名，镶嵌在网页中运行。在客户端第一次运行时，需要在注册表中进行注册，这给不熟悉的用户带来了不便。并且，ActiveX控件只能运行在基于Microsoft Windows的操作系统，因而移植性和通用性较差。
4.5 使用FLASH进行开发
FLASH技术采用矢量图形技术，生成的动画体积小，适合在网络上传播。其动作脚本语言ActionScript具有丰富的语言元素，包括常量、变量、运算符、表达式、函数、属性、动作、对象和电影剪辑等等。具体说来，通过对FLASH中的ActionScript的深入编程来开发虚拟实验，具有以下优点：文件小、无极缩放不变形；通过场景变换可设计不同的界面，FLASH动画支持物体拖动操作，可用于虚拟实验室中物体的移动；ActionScript提供了XMLSocket的组件，它支持将XML对象通过Socket发送出去，并可以从服务器端接收数据，这为客户端直接与服务器通讯提供条件，也为网络实时仿真实验提供了可能。
4.6 基于仿真软件
基于类似于Matlab、LabView、NI模拟器等仿真开发网络虚拟实验室，可以利用现在商业化的产生，例如：LabView是美国NI公司推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。使用LabView这种语言编程时，基本上不需要写程序代码，取而代之的是流程，这为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。利用它，设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写
5 系统设计的功能分析
一个完整意义上网络虚拟实验室不仅能完成相关的虚拟实验仿真，还应能完成相关实验数据的处理，所以网络的虚拟实验室在功能具体设计应包含以下模块：
5.1 公共模块
在该模块中，系统主要完成的功能：系统提供实验室的一些公告信息，通过实验设备实体的三维展示，使学生对实验设备实体的相关知识有一个直观的了解；学生在该模块可以完成真实实验的预约；教师可提供相应的实验安排信息，提交相应的实验报告模板。
5.2 虚拟仿真实验模块
通过本模块，学生应能通过虚拟实验系统，不仅可以按实验教学的计划，完成老师规定的实验，而且能根据自己的想法，设计实验并完成，这要求虚拟实验系统设计应考虑实验的自主性问题，不能规定虚拟实验系统只能按规定的步骤去完成；在该模块还能完成实验相关数据保存，通过保存的数据，学生可通过实验报告模块产生电子的实验报告；教师可以通过仿真系统，调用学生的实验数据，去动态检查学生的实验情况。
5.3 实验报告处理模块
在本模块中，学生根据教师提交的实验报告模板，填写相关的内容，实验数据从服务器获取自动添加，并能完成相关数据的处理，实验报告最终提交给服务器；教师通过该模块，下载学生的实验报告进行批阅。针对学生自主实验给出相应的模板，除提交实验数据外，学生还应提交实验设计，实验相关设计图（电路图、网络拓扑图等）。
5.4 交流模块
该模块完成两大功能，其一：实验的在线交流，在实验过程中，学生间可以通过该模块，相互之间进行实验情况交流；其二：在留言部分，学生可以将实验中遇到的问题及实验情况反馈给教师，老师可以通过本模块与学生进行交互，回答学生提问。
6 结束语
在文中分析基于网络虚拟实验室特点，对网络虚拟实验室的系统构架及软件开发技术进行了一定深度的探讨，对虚拟实验室设计的功能目标进行深入阐述。在职业教育高速发展的今天，伴随着计算机相关技术的发展，基于网络虚拟实验室必将现代实践教学将扮演起来越重要的角色，对职业教育中实践教学将发挥其具大的作用。
參考文献：
[1] 林川,刘胜永,潘盛辉.基于Web的虚拟实验系统的设计[J].软件导刊,2007(1):39-40.
[2] 冷国伟,苗胜.网络教育中基于Web的虚拟实验方法研究[J].计算机教育,2007(3):35-39.
[3] 王海军,张敏锐.网络虚拟实验系统实现技术的比较与分析[J].南京晓庄学院学报,2007(4):101-103.
关键词：网络虚拟实验室；系统架构；开发技术
中图分类号：TP393文献标识：A文章编号：1009-3044(2008)32-1055-02
Network Virtual Laboratory Construction
FENG Gang, YANG Guo-chun
(Computer Department of Huaian College of Information Technology, Huai’an 223003, China)
Abstract: Aim at the present condition of the occupation college experiment construction and dilemma, make use of a virtual laboratory technique to practice the teaching carry on reform, is analyzing the distinguishing feature of virtual laboratory, made more detailed analysis to the virtual laboratory and the means of the technique of system structure and development and carry on a detailed demarcation and design to the function mold piece of network virtual laboratory.
Key words: network virtual laboratory; system construction; development technology
1 引言
隨着职业教育的发展，学生规模急剧膨胀，职业类院校实验室建设规模严重滞后于迅速膨胀的学生规模。如果仍然采用传统的实验教学方法，就目前职业类学校经济状况，想通过扩大实验室的规模添大量仪器设备来满足传统的实验教学，一般是难以实现的，因此改变传统实验教学模式迫在眉睫。
现代信息技术特别是网络技术、多媒体技术所引发的教育手段观念和模式的革命，使基于网络的教学模式极大地动摇了传统教学的基本模式，产生出一种教学双方彼此互动的全新教育模式，基于网络的虚拟实验室就是以计算机网络为核心，将虚拟仪器通过网络连接起来，以实现数据采集、分析和远程操作的一个系统。
建立基于虚拟仪器技术的虚拟实验室系统，以软件编程代替实际实验，并提供实验项目的远程访问服务，能够有效解决职业类院校中由于实验资源紧张带来的一系列问题，已成为职业类院校实验室建设的一种必然趋势。
2 网络虚拟实验室概述
虚拟实验室（Virtual Laboratory），亦称合实验室（Col Laboratory），最早由美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的威廉·沃尔夫（William Wolf）教授于1989年提出的。它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里，用户可以非常有效的利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。
它与传统实验教学相比，网络虚拟实验室具有如下特点：
1) 可降低科研成本和节省研究经费，并能够充分发挥现有科学仪器的作用，提高使用效率，尤其是通过联网后能实现大型科学仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复添置、购买和浪费。
2) 突破了传统实践教学模式受时间、地点的限制，并且可以利用计算机网络网络提高实践教学效率，更好地培养学生独立分析问题、解决问题的能力。进一步提高学生的实践技能。
3) 强调“网络就是实验仪器”的概念。网络在实验中充当了以往由操作台和设备实现的角色。通过建立网络虚拟实验室，远程教育的学习者不必担心缺乏实验条件，也不必为实验到处奔波，他们通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境，同样能够“身临其境”地观察实验现象和进行“实际”操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。
4) 鉴于网络虚拟实实验的开放性和共享性，资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展和管理，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围和科目得以扩大，高新技术在教育领域内的优势可以充分发挥出来。
因此，用现代计算机网络技术研究虚拟实验室及其在实践教学及远程教学中的应用，已成为近几年国内外实验教学和远程教学的研究热点。
3 网络虚拟实验室系统架构
基于网络的虚拟实验系统架构上主要有两种架构：C/S架构和B/S架构。
3.1 C/S 架构方式
C/S结构是一种分布式计算模式。在C/S结构的系统中，应用程序被划分为两大部分：一部分是由多个用户共享的信息与功能，这部分称为服务器；另一部分是为每个用户所专用，称为客户部分。客户部分负责执行前台功能，如管理用户接口、数据处理和报告请求等；而服务器部分执行后台服务，如管理共享外设、控制对共享数据库的操纵、接受并应答客户机的请求等。
传统的二层C/S体系结构在单一数据库且有安全性和快速性保障的局域网环境下运行，因而得到了广泛的应用。不足主要体现在：程序开发量大，系统维护困难，客户机负担过重，成本增加以及系统的安全性难以得到保障等等。
3.2 B/S架构方式
在B/S结构的系统中，用户可以通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求。B/S结构极大的简化了客户机的工作。客户机上只需安装、配置少量的客户端软件即可，服务器将担负更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行都将在服务器上完成。
B/S结构的最大优势在于：它可以在任何时间、任何地点（没有局域、广域之分）、以任何接入方式（有线或无线连接）实现跨平台的网络实时操作；不限定用户使用人数，开发和使用成本都非常低；突出的易用性，客户端采用国际标准化的浏览器（如IE），因而客户端免维护、免安装、免开发，这不但节省了内存和存储空间，也节省了开发时间，从而降低了成本，给应用系统的安装、调试、日常维护和升级都带来了极大的便利。
4 系统开发技术探讨
4.1 使用JAVA（JVM）进行开发
JAVA是一种软件编程语言，旨在为 Internet 发展而使网页由静态转为动态，并可产生“小应用程序（Applets）”的一种简化语言，是最重要的一种网上通用语言。JAVA具有简单、面向对象、分布式、解释型、健壮、安全以及可移植等多种特性，更重要的是，它跨平台的特性满足了“网络计算机”的思想。JAVA小程序可下载到客户端的浏览器中执行，极大地丰富客户端接口的表现形式，提高了交互能力。它可用多种语言和工具来编写，这些独立的组件可重用或组合使用，更使用户的接口和交互能力进一步得到扩展。用 JAVA 语言开发的软件可以具有可视化、可听化、可操作化的交互、动画。JAVA 的这些特性对基于WEB虚拟实验室的构建相当有用。
4.2 .NET技术
Microsoft.NET（简称.NET）是微软公司推出的面向网络的开发平台的简称，是新一代的软件开发方式、发行方式和使用方式。.NET技术的核心是.NET Framework，它提供了一个全新的环境，在此环境下，可以用多种语言开发出在Windows平台上运行的各种复杂的分布式应用程序。Microsoft.NET Framework是一个平台，在这个平台上可以使用多种语言开发Windows应用程序、ASP.NETWEB应用程序、移动Web应用程序以及XML Web Service等。
4.3 使用VRML技术进行三维虚拟实验室的开发
VRML（虚拟现实建模语言）是一种三维场景的描述性语言，是在Internet上实现全新虚拟世界空间的关键性技术。其基本原理是用文本信息描述三维场景，在Internet上传输，利用三维图形生成技术在本地机上应用多传感交互技术以及高分辨显示技术，由VRML浏览器解释生成逼真的三维虚拟场景，使用者戴上特殊的头盔、数据手套传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。
在教学领域中应用虚拟现实技术时，能够为学生提供生动逼真的学习环境，用VRML实现与Internet虚拟现实交互丰富了媒体表现形式、实现了协同工作角色的可视化管理改善协同环境的用户界面，因而增强了协同环境的交互性。
4.4 使用ActiveX控件进行开发
ActiveX技术是Microsoft为适应网络发展的需要而将OLE技术在Internet上的重定义，是一组使用COM使得软件部件能够在网络环境中进行交互的技术集，被广泛应用于Web服务器以及客户端的各个方面。
通过构建ActiveX控件，能够允许不同软件商开发的组件在网络上实现互操作，使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信；用ActiveX技术进行开发的另一个好处在于它的代码可复用性。应用ActiveX技术建立的虚拟实验室(ActiveX组件)需要编译成网络发行文件包，并进行数字签名，镶嵌在网页中运行。在客户端第一次运行时，需要在注册表中进行注册，这给不熟悉的用户带来了不便。并且，ActiveX控件只能运行在基于Microsoft Windows的操作系统，因而移植性和通用性较差。
4.5 使用FLASH进行开发
FLASH技术采用矢量图形技术，生成的动画体积小，适合在网络上传播。其动作脚本语言ActionScript具有丰富的语言元素，包括常量、变量、运算符、表达式、函数、属性、动作、对象和电影剪辑等等。具体说来，通过对FLASH中的ActionScript的深入编程来开发虚拟实验，具有以下优点：文件小、无极缩放不变形；通过场景变换可设计不同的界面，FLASH动画支持物体拖动操作，可用于虚拟实验室中物体的移动；ActionScript提供了XMLSocket的组件，它支持将XML对象通过Socket发送出去，并可以从服务器端接收数据，这为客户端直接与服务器通讯提供条件，也为网络实时仿真实验提供了可能。
4.6 基于仿真软件
基于类似于Matlab、LabView、NI模拟器等仿真开发网络虚拟实验室，可以利用现在商业化的产生，例如：LabView是美国NI公司推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。使用LabView这种语言编程时，基本上不需要写程序代码，取而代之的是流程，这为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。利用它，设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写
5 系统设计的功能分析
一个完整意义上网络虚拟实验室不仅能完成相关的虚拟实验仿真，还应能完成相关实验数据的处理，所以网络的虚拟实验室在功能具体设计应包含以下模块：
5.1 公共模块
在该模块中，系统主要完成的功能：系统提供实验室的一些公告信息，通过实验设备实体的三维展示，使学生对实验设备实体的相关知识有一个直观的了解；学生在该模块可以完成真实实验的预约；教师可提供相应的实验安排信息，提交相应的实验报告模板。
5.2 虚拟仿真实验模块
通过本模块，学生应能通过虚拟实验系统，不仅可以按实验教学的计划，完成老师规定的实验，而且能根据自己的想法，设计实验并完成，这要求虚拟实验系统设计应考虑实验的自主性问题，不能规定虚拟实验系统只能按规定的步骤去完成；在该模块还能完成实验相关数据保存，通过保存的数据，学生可通过实验报告模块产生电子的实验报告；教师可以通过仿真系统，调用学生的实验数据，去动态检查学生的实验情况。
5.3 实验报告处理模块
在本模块中，学生根据教师提交的实验报告模板，填写相关的内容，实验数据从服务器获取自动添加，并能完成相关数据的处理，实验报告最终提交给服务器；教师通过该模块，下载学生的实验报告进行批阅。针对学生自主实验给出相应的模板，除提交实验数据外，学生还应提交实验设计，实验相关设计图（电路图、网络拓扑图等）。
5.4 交流模块
该模块完成两大功能，其一：实验的在线交流，在实验过程中，学生间可以通过该模块，相互之间进行实验情况交流；其二：在留言部分，学生可以将实验中遇到的问题及实验情况反馈给教师，老师可以通过本模块与学生进行交互，回答学生提问。
6 结束语
在文中分析基于网络虚拟实验室特点，对网络虚拟实验室的系统构架及软件开发技术进行了一定深度的探讨，对虚拟实验室设计的功能目标进行深入阐述。在职业教育高速发展的今天，伴随着计算机相关技术的发展，基于网络虚拟实验室必将现代实践教学将扮演起来越重要的角色，对职业教育中实践教学将发挥其具大的作用。
參考文献：
[1] 林川,刘胜永,潘盛辉.基于Web的虚拟实验系统的设计[J].软件导刊,2007(1):39-40.
[2] 冷国伟,苗胜.网络教育中基于Web的虚拟实验方法研究[J].计算机教育,2007(3):35-39.
[3] 王海军,张敏锐.网络虚拟实验系统实现技术的比较与分析[J].南京晓庄学院学报,2007(4):101-103.