虚拟实验室范文
时间：2023-03-28 11:10:59
导语：如何才能写好一篇虚拟实验室，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)22-759-02
Research on Network Virtual Laboratory
LI Jun
(College of Computer Science and Technology, Wuhan University of Science & Technology, Wuhan 430081, China)
Abstract: The paper presents a virtual laboratory under Web environment. The main structure and working process in the system are discussed. In the end, the practical scheme to realize is provided.
Key words: virtual laboratory; NS2; B/S
1 引言
近十年以来，Internet网络已成为当今世界上覆盖面最广、规模最大、信息资源最丰富的信息网络。互联网技术在快速发展，各种新技术层出不穷，掌握这些新技术非常必要。对这些知识的学习，如果只停留在理论和书本上，将是非常抽象的，理解起来很困难。要很好地掌握计算机网络的理论知识，并把这些知识应用到实际中，就必须进行大量的实验。
对于计算机网络实验，涉及到交换机、路由器等设备，这些设备如果只通过图片来展示，要求学生有良好的空间想象能力，即便如此，学生也不可能获得切实的感受，也就更不用说理解网络的结构了。此外，计算机网络实验使用的设备一般都比较昂贵，而且新的设备也不断推出，要不断更新这些设备将是很大的开销。所以研究开发一个计算机网络实验系统来辅助教学就变得非常必要。
网络虚拟实验是指利用互联网络资源，使用仿真技术、虚拟现实技术等手段，完成实验的各个环节和过程。具体说来，用户使用虚拟软件，在Web中创建出一个可视化的三维环境（其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象），通过鼠标的点击以及拖曳操作，完成实验系统的设计和进行实验仿真操作，取得实验结果和填写实验报告等。通过网络虚拟实验不仅可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器，还可以较好地为学习者营造一种“自主学习”的环境。
2 虚拟实验系统设计原则
虚拟实验系统的设计遵循以下原则：
1) 开放性原则：基于校园网，任何只要接入校园网的师生都能使用本系统。
2) 交互性原则：虚拟实验可以给出可视化交互信息，对学生的操作做出实时反馈。
3) 简易方便原则：系统界面友好，学生操作易于上手。
4) 易于扩展原则：系统的软件设计必须采用跨平台方案，便于实验项目的及时更新。并且能为系统的扩展打下基础。
3 虚拟实验系统结构及工作机制
3.1 结构
系统采用B/S结构。用户可以通过浏览器向网络上的服务器发出请求。
系统根据功能分析可以划分为用户管理系统、教学管理系统、网上实验系统、交流互动系统等四个子系统。虚拟实验系统必须具有安全措施，系统能够做到拒绝非法用户，也可将合法用户的不当操作及时中止。例如：教师可以将自己创建的虚拟实验上传到数据库，以充实实验内容。而学生用户则无此权限。
下面的工作流程展示了用户如何进行网上实验。
3.2 基本工作流程
从图1的工作流程图可以看出，用户首先提出申请，获准后即可通过两种方式进行虚拟实验。第一种是用户输入实验参数，由服务器运行仿真软件，并将实验结果返回用户，在该过程中，教师还可以利用发送电子邮件、在线答疑等方式解答学生提出的问题。网络虚拟实验系统采用NS2模拟器来实现对用户提交的网络场景的模拟。系统以JavaApplet的形式实现用户操作界面；用JavaBean来实现虚拟试验设备和实验组件库；通过生成OTCL模拟脚本来描述用户在实验室操作界面上所定义的网络拓扑，统计数据的收集、链路故障的模拟、路由变化等网络场景信息。客户端和服务器端之间的远程通信由RMI远程调用机制来实现。图2为一个含四个节点的网络拓扑图，其对应的Otcl脚本语言为：
proc create_testnet { }
{
global s1 s2 r1 k1
set s1 [ns node]
set s2 [ns node]
set r1 [ns node]
set k1 [ns node]
ns_duplex $s1 $r1 8Mb 5ms drop-tail
ns_duplex $s2 $r1 8Mb 5ms drop-tail
set L [ns_duplex $r1 $k1 800Kb 100ms drop-tail]
[lindex $L 0] set queue-limit 6
[lindex $L 1] set queue-limit 6
}
第二种是用户下载仿真软件，直接在自己的PC机上运行仿真软件。仿真软件可以包括Boson NetSim等（如图3），也可以包括自行开发的网络嗅探器Sniffer、协议分析仪等小工具（如图4）。用户可以根据自己的需要进行各种模拟实验，不足之处在于交互不够。
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图3 NetSim网络模拟器
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图4 自行开发的网络小工具
4 结束语
随着网络仿真技术、虚拟现实技术、多媒体技术等的发展, 虚拟实验室能很大程度地辅助教学，虚拟实验室的研究会越来越受到人们的重视和关注。
参考文献：
篇2
关键词：虚拟实验室 效果
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）01-0200-01
生理学是医学院校一门重要的基础课程，为之后临床课程的学习打下很好的基础和桥梁。生理学是一门实验性的科学，它的很多理论的获得都是来源于实验，因而实验项目的选择和实验教学的效果是很多生理教师研究的方向，为了更好的提高实验教学效果，我校引入了虚拟实验室，现就虚拟实验教学的效果进行分析。
一、虚拟实验室
1.概念
虚拟实验室是一种利用计算机仿真技术和网络技术模拟真实实验环境的一种实验教学手段[1]。其成本低、效率高、自由度大、功能全，很大程度上弥补了真实实验室受时间、空间、实验动物、试剂及器械限制的不足[2]。在生理实验教学中引入虚拟实验室，不仅可提高实验教学的效果，拓展教学内容，还可激发学生学习的兴趣。
2.作用
2.1提高教学效果
在传统教学中，一些经典的动物实验（如刺激强度与反应的关系、刺激频率与反应的关系、蛙心搏动观察、呼吸运动的调节等）耗时较长，加上教师的示教时间，让同学们感觉时间很紧，经常会出现两节课结束很多同学做不完的现象。再加上学生对实验步骤不熟悉，实验动物的差异性，导致很多实验动物实验过程中死亡的现象，进而导致实验失败，这些都会影响实验结果的观察。虚拟实验室的引入可以很好的解决这些问题，在上动物实验之前，让学生先在虚拟实验系统上观看录像，并模拟实验的步骤，了解实验的关键点。然后再让学生动手操作，可以明显提到实验的成功率。对于实验失败的学生，可以在虚拟实验系统上观察实验结果，查找失败的原因。这样不仅激发学生学习兴趣，还提高了教学效果。
对于人体实验来讲，以往的传统教学，主要是老师讲授后让学生进行自己练习，一些动手能力强、悟性高的学生可以很好的掌握，但还有很多学生并不能很好的掌握。以心音听取为例，一些同学不能听到心音，或者不能很好的辨别第一心音和第二心音，对心音听取的意义也不理解。这时教师通过虚拟实验系统播放正常的心音，让学生听取和辨别，再通过放一些杂音让学生去辨别，从而让学生理解心音听取的临床意义，提高教学效果。
2.2 增加实验项目
本校生理课学时有限，尤其是对于涉外班的学生，只有64学时，这样很多经典的实验项目就不能开展，而这些经典的实验项目对生理课的学习又很有帮助，虚拟实验室的应用可以很好的填补这个空缺，一方面可以通过播放录像让学生学习这些经典实验，掌握这些实验的目的、方法、步骤、意x；另一方面还可以让学生学习其他更多的实验，扩大了实验范围。因为虚拟实验相对时间短，这样可以不必增加实验学时就可以让学生学到足够多的实验项目。
通过近两年的观察，发现虚拟实验室的建立不仅可以激发学生学习积极性，提高教学效果，还可以解决资源匮乏、学时较少的问题，应该得到大力推广。但同时在应用的过程中要注意和传统实验相结合，这样才能优势互补，更好的为教学服务。
参考文献
篇3
远程教育是为克服传统的面对面教育模式的某些不足(招生人数有限、教育方法不灵活、教育资金浪费等)而产生的一种新型教育模式.最初的远程教育是函授教育;此后出现了由广播电台传播信息的广播大学;当电视普及以后,电视大学应运而生.在上述三种远程教育方法中,以电视大学的教学方式最优.不仅能听到声音,而且可以看到图像.我国从1978年开通了电视大学至今,已有数以百万计的人接受了这种教育.但是,电视大学作为一种教学方法,也有其不足.首先,这种方式不灵活、不方便,授课须定点定时.其次,教学内容有局限性,文科专业(外语、财会、管理等)和部分理科专业(数学等)适于电视大学.以实验为不可或缺的某些专业(多数工科专业、部分理科专业)在电视大学中不能充分实现或根本无法实现.近些年来,随着计算机技术与通信技术的迅速发展,出现了教育多媒体系统,它能够交互地同时处理、传输、管理文本、图形、图像、语言、视频、动画等多种形式的信息.多媒体远程教育系统在一定程度上弥补了电视大学的某些不足,但仍不能实现实验操作.网上虚拟实验室的出现,使远程教育更趋完善,为教育发展史写下了光辉的一页.在不足20年时间里,因特网在全球得到了迅速发展,已成为当今世界上覆盖面最大、信息资源最丰富的计算机信息网络.作为远程教育的关键———教学信息的传递,因特网无疑具有明显的优势.虚拟实验室正是建立在以因特网为信息载体的基础上,它的产生向人们展示了信息时代一种全新的教育方式和科学研究方式[1].
二、虚拟实验室是今后高层次远程教育的发展主流
函授、广播、电视等远程教育模式的所有功能,在因特网上均能轻易实现.只要建立一个教育网站,用户就不再受时空的限制,访问教育网站就能够接受到远程教育.但仅限于此还不能充分体现出因特网强大的信息传递功能.基于因特网的虚拟实验室的出现,将远程教育提升到更高的层次上.虚拟实验室(VirtualLaboratory)概念,是由美国弗吉尼亚大学(UniversityofVirginia)的威廉•沃尔夫(WilliamWolf)教授于1989年首先提出的,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,用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源[2].
虚拟实验室提出的初衷是为了方便科学研究工作,科研人员在远程即可从事研究工作:使用仪器设备、共享数据资源、交流信息等.虚拟实验室实质上是一个分布式计算机系统,在该系统中,配置有遥控、遥测能力的网络化研究设备和数据采集平台,有支持协作活动的各种工具,建有可以支持数据共享的数字式图书馆.加入到因特网的虚拟实验室可视为建立了一个可以演示、操纵、控制实验的特殊网站.用户可以在任何时候,从任何地点访问虚拟实验室网站.它的建立大大提高了实验教学的伸缩性和适应性.不同的学科专业的虚拟实验室有各自的特点.但无论是哪个学科专业的虚拟实验室都是由各自的虚拟仪器(VirtualInstrumentation)组成的.虚拟仪器是指通过应用程序将计算机与功能化硬件结合起来,用户通过友好的图形界面来操作计算机,从而完成了对被测对象的数据采集、分析、判断、显示和数据存储等.虚拟仪器与传统仪器相比,有其相同的一面,又有不同的一面.相同点是:虚拟仪器同样具有三大功能,即数据采集、数据分析处理、结果显示.虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力结合起来,实现仪器的功能运作.
与传统仪器不同的是:在给定计算机运算能力和必要的仪器硬件以后,构造和使用虚拟仪器的关键技术在于软件,“软件即仪器”.应用软件程序将可选硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ等)和可重复使用源码库函数等软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块[3].当用户的学习目的或测试要求改变时,可以方便地由用户自行增减硬软件模块或重新配置系统以满足测试要求.综上所述,虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能的必需附件组成的.虚拟仪器的这个特点是功能固定、彼此分离的传统仪器所不具备的.在虚拟实验室中所使用的仪器设备一般都具有可编程接口(例如GPIB接口等),终端的PC机通过GPIB接口和总线发送命令字符串控制仪器,也可通过GPIB接口和总线从仪器端获得结果信息.为了实现通过计算机对可编程仪器的控制,美国国家仪器公司(NationalIn-struments,简称NI)开发了虚拟仪器软件开发平台———LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWork-bench).作为目前世界上惟一的编译型图形化编程语言,LabVIEW提供了虚拟仪器的图形编程环境,把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能或图形,只需连接各个功能或图形即可构成程序.LabVIEW除了具备其他语言所提供的常规函数功能外,还集成了大量生成图形界面的模板、丰富实用的数值分析、数字信号处理功能,以及多种硬件设备驱动功能,包括RS-232、GPIB、VXI、VISA、数据采集卡DAQ等.虚拟仪器的出现不仅是实验室的一场革命,同时也为远程教育注入了活力.基于因特网的虚拟实验室必将成为今后远程教育发展的推动力.
三、虚拟实验室在国内外发展现状
虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间,但因其诱人的应用前景,各国均在大力开发,已经取得了一些进展.目前,虚拟实验室在发达国家已十分普及.美国作为当今的科技强国,为继续保持其在科学技术领域的领先地位,尤其重视信息技术的研究,并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划.在1991年底,美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”,其任务是调查科学家对信息技术的需求,协调科研合作关系,组织并实施具体的信息技术开发.此后,美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程,开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展.
美国一些政府部门,如能源部,正在制定计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中.目前,越来越多的科学家正投身于构筑一个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来.作为首先提出虚拟实验室概念,并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国,从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发,在该领域的研究已处于领先地位.虚拟仪器系统及其图形编程语言已成为各大学理工科学生的一门必修课,其普及程度是相当广泛的.国外的一些大学已组建了远程虚拟实验室.德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室;西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台;意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室;新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验[4-7].
在国内,虚拟实验室的建设也得到了应有的重视.目前,已有部分高校初步建立了虚拟实验室.例如:清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统;华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示,供远程教育使用;四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路,研制了“航空电台二线综合测试仪”,将8台仪器集成于一体,组成虚拟仪器系统;复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校,也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研[8-11].
四、虚拟实验室的功能特点及应用前景
虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的功能特点,决定了它在科研、教育(特别是远程教育)中的良好应用前景.1.功能特点虚拟实验室具有以下特点:(1)透明性虚拟实验室的所有数据库、硬件,甚至人员集成于一个系统,使用标准的统一命令来实现功能服务,这种透明的结构决定了虚拟实验室的透明特征.(2)资源共享性建立虚拟实验室的宗旨之一就是为了做到资源共享.为达到此目的,需要建立统一查询标准的电子图书馆、数据库、智能化检索系统、应用软件库等,用户可以共享数据、软件、硬件等相关资源.这个特性能够减少重复投资,大大节约投资成本.(3)互动操作性虚拟实验室一旦开放,即具有互动性,远程用户同样可以操作本地实验室,同时用户之间可以交流信息.
开放远程用户程序需要有一系列软硬件的支持,它们都是虚拟实验室的组成部分.(4)用户自主性用户可以制定自己使用的虚拟仪器的方式,允许用户采取必要的措施保护自己的数据、资料,用户具有充分的自主性.(5)扩展性在当今的信息时代里,知识更新速度十分迅速,新型的、性能更优的仪器设备更新周期越来越短.因此,虚拟实验室的硬件必须随时更新,软件也要随时升级,服务功能也要随时增加,虚拟实验室必须具备性能升级、服务功能增加的特性.(6)安全性安全性是开放的、透明的、资源共享的合作环境所必需的保障条件.虚拟实验室采取必要的措施和技术手段维护系统软件、硬件以及用户知识产权的安全.通常采用用户鉴别注册、权限验证技术,邮件、文献加密技术等手段保证系统的安全性.具有安全措施的虚拟实验室系统能够做到拒绝非法访问者进入虚拟实验室,也可以将合法访问者的不当操作及时中止[12].2.应用前景因特网上的虚拟实验室在远程教育中具有良好的应用前景.⑴计算机网络的迅速普及为远程教育提供了有利条件目前我国上网计算机已超过2000万台,而且还将以每年增加20%的速度增长.这个庞大的网络为虚拟实验室的普及和发展提供了便利条件.⑵
虚拟实验室的性能优势与传统实验室相比,虚拟实验室性能更为优秀,组建虚拟实验室必须考虑到选用当今世界上性能优秀、仪器齐全的一流设备,这些设备并不是所有院校都能拥有的,而虚拟实验室却能够提供给用户使用一流的设备.甚至像电子显微镜、天文望远镜、逻辑分析仪、大型核装置等这些昂贵、难以接触到的仪器设备,用户也能够通过访问虚拟实验室来进行学习和使用.开发用于远程教育的虚拟实验室的重点放在电子、电工、机械、土木、环境等学科更为现实.而像天体物理、核物理、海洋、分子生物学等学科的虚拟实验室用于远程科研较为适宜.⑶虚拟实验室的低成本特点有利于其发展远程教育通过计算机网络实现教育资源共享,某一学科的先进教学方法和卓越的实验条件可以为校内外的各学科广泛使用,从而可以节省许多基础设施的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入,有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平.虚拟实验室在信息高速公路的运行,必然带来人们观念的更新和实验室革命.⑷教学方式灵活、方便基于因特网的虚拟实验室远程教育模式不同于传统的面对面的统一、死板的教学模式,它能够灵活地提供给用户(学生)不同的实验教学内容,用户(学生)可以根据实际情况确定学习内容和安排学习进程,从而可以最大限度地满足用户(学生)的不同需要.这样,既可以普及知识,又能够提高、更新知识.此外,远程教育不受时间、地域的限制,用户(学生)只要通过计算机网络便可以及时获得知识.⑸我国国情适合于发展网上远程教育我国人口众多,国民平均知识水平相对较低.在知识经济时代和科教兴国方针的指引下,国民中蕴藏着接受高层次教育和知识更新的迫切需求.由于客观条件的限制,能够进入高等院校接受教育的人毕竟有限.网上的远程教育可以满足人们渴望获得知识的要求,为因特网上虚拟实验室远程教育的发展提供了广阔前景.
五、虚拟实验室建设过程中的几点建议
我国虽然与发达国家在虚拟实验室研究方面有一定差距,至今尚未建成大规模的可覆盖全国的实用的虚拟实验室,但是已有许多高校重视并致力于虚拟实验室的研究、开发工作,并取得了一定的进展.为了使我国虚拟实验室的建设赶上发达国家,使其发挥应有的作用,根据我国的现状,提出如下建议:
⑴虚拟实验室的建立必须有组织、有规划地进行虚拟实验室从其诞生起,就因其具有资源共享、多方合作、提供多种服务、信息交流等功能,而显示出它的公益性和社会化属性.因此,虚拟实验室是属于全社会的.借鉴国外的经验,它应由政府支持并由有关部门出面组织、统筹、规划和协调.
⑵认真做好虚拟实验室的需求调查工作理工科的大多数学科专业是可以建立虚拟实验室的,但是社会对它们需求程度却是差异甚大.根据我国的国情和资金支持能力,不可能全部学科专业都建立虚拟实验室,只能是在“有所为,有所不为”的原则下,选择社会需求迫切的学科专业优先建立.这就需要调查虚拟实验室的需求,根据需求程度,分出轻重缓急,进行统筹安排.
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关键词 虚拟实验室 远程教育 现代教育技术
迅速崛起的现代教育技术把虚拟实验引入到了实验教学中。虚拟实验的应用改变了传统的教育模式，使得教与学方式发生了革命性的变化。目前，用于实验教学的计算机虚拟实验软件非常丰富，加上高校计算机及网络资源，为虚拟实验的开设提供了必要的基础条件。通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象，它不仅仅能够提高实验教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够身临其境地观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。
1 网络虚拟实验室的发展及其特点
网络虚拟实验就是在WEB中创建出一个可视化的环境，其中每一个可视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟的实验。网络虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术与网络技术的结合。无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持。许多国内外从事实验室工作的研究者们在实践中还提出这样一些概念：Digital Lab、MBL（Micro-computer Based Lab），尽管这些名词不统一，但他们的实践从不同的层面实现了虚拟实验室。
1．1 印地安那州立大学的MBL化学实验室
该实验室在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事，用计算机采集与分析实验数据，用计算机展示实验，在网上相关的实验指导材料。
1.2 芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室
该实验室充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教材；实验教学时间表；实验测评方法、形式、时间；虚拟实验；相关教学资源的链接等。他们还用计算机进行实验教学的教务管理。
1.3 卡罗莱纳州立大学的LAAP（Learn Anytime Anywhere Physics）
他们利用Java技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于Java Applet的虚拟实验设备和实验设施；相关的实验课程模块；实验学习结果评价模块；协作学习模块。
虚拟实验室最大的优点是成本低，效率高。因为“软件即为仪器”，这样就可解决因实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏所不能开出的实物实验，同时也不会造成因使用不当，管理不善等因素造成的仪器损坏、元器件丢失等现象。同时虚拟实验还可以模拟实验室中没有的设备，而且还可以不受时空的限制方便地进行实验 。另外，虚拟实验室还应具备一些基本特征：与现实的一致性（或现实的延伸）、高度交互性、实时的信息反馈。
2 网络虚拟实验室体系结构
网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统，网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各部分之间相互联系相互补充，仅具有相对独立性。开发虚拟环境，实现实验仿真应是虚拟实验室建设的核心部分。图1是虚拟实验室体系结构图。
3 构建网络虚拟实验室的关键技术
目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。总结他们所使用的技术，可以看出大多可以划分下面几类：
3.1 Java技术
Java是一个广泛使用的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先，作为一种程序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安全性、并且提供了并发的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了网络，Java的小应用程序（applet）可在网络上运行而不受CPU和环境的限制。另外，Java还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。
3.2 ActiveX控件
ActiveX技术允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作。Ac?鄄tiveX使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信，使用ActiveX开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在虚拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这一点对于持续开发过程尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以划分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最终的项目。可以开发ActiveX组件的环境有很多，其中开发效率最高和最易上手的是Visual Ba?鄄sic。
3.3 VRML技术
VRML是虚拟实境描述模型语言 (Virtual Reality Modeling Language) 的简称。它是描述虚拟环境中场景的一种标准，也是在网上实现虚拟现实的关键性技术。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维、多媒体集成、逼真自然等，被成为“第二代WEB”，已经被越来越多的人们所重视。国际标准化组织1998年1月正式将其批准为国际标准。VRML是一种建模语言，其基本目标是建立Internet上的交互式三维多媒体，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界。用VRML实现与Internet虚拟现实交互有下面几个好处：丰富了媒体表现形式、协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的用户界面、增强了协同环境的交互性。可见，将VRML融合到网上虚拟实验室的开发过程中，既可以增强表现力和用户的接受力，又可以实现较好的协同工作虚拟化环境。
3.4 ASP技术
ASP（Active Server Pages，动态服务器端网页），内含在Internet Information Server 3.0及其以上版本中，提供一个服务器端的脚本环境，用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序。ASP不只是动态的网页，它更是当今众多的Web应用程序实作方式之一，它负责整个Web应用程序的控制部分。ASP提供五个内建的对象供使用者调用，即Re?鄄quest对象（取得用户信息）、Response对象（传送信息给用户）、Server对象（提供访问服务器的方法、属性）、Application对象（用于多个使用者在多个网页间共享信息）和Session对象（用于单个使用者在多个网页间共享信息）。
4 网络虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题
计算机软件技术发展到今天，为虚拟实验室开发提供了极大的方便。目前开发所需的系统软件或工具均支持面向对象的程序设计。它们都有事件驱动的支持，消息循环的程序设计方法及多媒体操作技术。在开发过程当中要注意以下几个问题：
事件触发时机的选择，实际操作当中某个按钮按下后并不立即反映，需要延时回应，外部接口的输入信号或其它信息往往是定时触发或随机触发的事件，若为随机触发的事件则可用一定时限内的随机数来取代固定时间。
事件联锁关系或动态顺序关系可以存放在一张数据库表中描述，修改方便。给定相应的条件、控制范围，自动形成数据表，使数据和程序独立。
模拟声音，要使实验达到逼真，除了模拟控制台实物景象，还要模拟它们实验环境中的各种声音，如汽笛声、按钮按动声、内部机械动作声等。这样，才能使学生在实验室有身临其境的感觉，全身心地投入学习。
模拟台面各种动作的结果，台面上每个控件的动作都会触发一定的事件。这些事件在实物设备中是靠机械、电子电路等去完成，而现在将这些机械及电子逻辑关系使用计算机软件实现。
故障发生器，在实际工作中除了设备正常情况下的操作，还有各种意外情况，如某些设备故障的情况。此时，要求在虚拟系统中也能模拟手柄失灵、仪表信号不显示及自然灾害发生的情况等，即给实验增加一些难度，强化学生实际操作能力。
5 结束语
虚拟实验技术在实验教学中具有广阔的应用、发展前景，随着虚拟实验的普及，其优越性会被越来越多的人认识。但要使虚拟实验技术真正得到推广应用，关键还是观念的改变，首先是教师观念的改变，除了具有创新精神和能力外，还应有一个科学的投资理念，在实验室建设和发展中，充分考虑投资效益，建设现代化的实验室。其次要培养一支高素质的实验队伍，不断地进行知识更新，加强学习，重视信息的收集、加工、应用，了解掌握最新技术，促进实验教学发展。虚拟实验的应用和发展，加快了实验室发展和实验教学改革，促进了教育观念的改变。是培养创新人才的新的实验手段。
虚拟实验在21世纪实验教学中必将占有重要地位，无疑会起到很大的作用。
参考文献
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关键词：虚拟实验室；实体造型；虚拟设计；网页
机械设计课程实验是连接基础课与专业课的重要环节，能够使学生通过自己的思考分析独立进行实验设计、实验操作和实验分析，提高学生的学习自主性和主动性，培养学生的动手能力和创新能力。为学生掌握机械设计实验方法提供学习机会和实践体验，促进知识、能力与素质的协同发展。
虚拟实验室是近年来信息技术迅速发展的产物，是虚拟现实技术重点应用之一，也是促进教育方式、方法和科学实验进步的重要手段。它具有低成本、扩展性强、高效率、协作性强、安全性高、时间空间限制小等优点。
1方案设计
1.1功能设计。在机械设计虚拟实验室在功能上能够实现机械零件认知实验、带传动实验、螺栓联接实验、零件装配实验。认知实验的认知类零件主要包括螺栓、键、圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮、蜗杆、带、带轮、轴、轴系固定元件和滚动轴承等内容。带传动实验包括传动带的弹性滑动和打滑实验。螺栓联接实验能够表达出螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力和变形情况。验证受轴向工作载荷时预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉力的影响。零件装配实验能够对零部件模型进行拆装仿真，包括螺栓联接、键联接，轴系结构、联轴器、减速器等装配。
1.2 系统设计。机械设计虚拟实验室采用Web浏览器和网络服务器相结合的架构。实验人员只需通过访问机械设计虚拟实验室的网址就可以进行机械设计实验的虚拟操作。
虚拟实验室能够通过鼠标和键盘进行人机交互，能够对所有零件进行放缩、旋转、平移、名称显示。实验过程中具有实验操作演示、操作步骤提示、错误提醒、数据分析、相关理论注释等。
2 模型设计
2.1 实体建模。利用SolidWorks对机械虚拟实验室中的所有机械零件进行实体模型构建。为了保证实体模型的数据准确性，创建前要进行机械零件的测绘，并且所有零件都按统一的单位进行记录数据。这样能够避免模型导入到虚拟开发平台后进行相关操作时出现异常现象。如模型导入到虚拟开发平台后场景中各物体模型的各个部分出现尺寸和比例不一致。
2.2场景设计。为了提高虚拟实验室的真实感，需要在3D MAX中设计实验室场景，如实验室的房间，实验操作台、实验工具等。同时还要对所有导入到3D MAX中的机械零件模型进行材质贴图、灯光、渲染烘焙。
3 虚拟设计
3.1认知实验。认知实验模块采用Cult3D作为开发工具。Cult3D是Cycore公司开发的应用软件，Cult3D的最大特点是展示功能制作简单，与Java技术结合紧密。
通过Cult3D虚拟开发平台可以实现模型的平移、放缩、旋转等人机交互功能。首先通过Cult3D Exporter从3ds Max中导入机械零件的实体模型；然后在Cult3D Designer中进行交互设计；最后通过Cult3D Viewer，将制作的认知实验模块成网页能够接收的格式。
3.2零件装配实验
1）基本运动实现。在虚拟装配实验中，装配和拆装是两个关键的步骤。实验时操作者可以按照提示来学习装配实验中各零部件的装配和拆装，然后进行反复练习，提高熟练程度。
2）摄像机控制。在Virtools软件中，摄像机能够实现虚拟漫游功能，可分为全景摄像机和跟随摄像机两种，这两者之间可以通过设计脚本进行转换。全景摄像通过透视图来显示机械零件虚拟装配中的整个场景，还能够利用鼠标控件摄像机旋转，达到不同视角观察整个场景的效果；跟随摄像机通过追踪机械零部件的方式进行跟随摄像，摄像机与机械零部件之间始终保持设置的距离值。
3）碰撞检测。在现实的机械设计实验过程中，所有的机械零部件都是具有物理属性的实体，相互之间不能够穿越，并且所有的实验操作都是在操作平台进行。而虚拟实现所有的机械零部件均是虚拟的模型，为了避免产生穿越现象，Virtools内嵌了碰撞检测功能。在虚拟实现设计时，对操作平台添加Floor 属性，对机械零部件添加Fixed Obstacle 属性，同时将Prevent collision 行为模块添加到对应的脚本设计中，这样就能够实现碰撞检测功能，达到真实的效果。
4 网页整合。通过Dreamweaver软件将Cult3D、Virtool和Flash生成的虚拟实验整合到统一的网页中。Cult3D生成的虚拟实验整合到Dreamweaver制作的网页中需要在Dreamweaver软件添加Cult3D三维模型的插件Cult3D.mxp，然后执行Dreamweaver文件菜单"插入"下的"Cult3D"，在出现的"choose Cult3D file…"对话框中选择需要插入的Cult3D三维模型文件（扩展名.co），然后把文件保存到一个HTML文件中。
Virtools生成的虚拟实验整合到Dreamweaver制作的网页中需要在Virtools的File中选择Create Web Page, 在弹出的设置面板Choose Destination选项中选择所要保存文件的路径，在Setting选项中设置Window Size的数值为800、600。点击OK键，创建网页形式执行文件。
3总结
机械设计虚拟实验室交互性强、访问流畅、界面友好、操作简单，为实验教学模式提供了新的探索。机械设计虚拟实验室还存在很多问题需要继续研究和探索，主要包括以下几个方面：1）对于较复杂的实验配上场景和音效后会使生成的执行文件较大，在现有硬件的基础上，通过网页形式如何保证访问速度和网络流量仍然值得研究。2）对于大型实体模型数据库进行存储和管理是非常值得研究的课题。3)进一步完善机械设计虚拟实现室，实现学、考、评于一体的网络教学课堂。
参考文献
篇6
关键词：虚拟实验室；模式；平台；架构
这些年来，随着高校的不断扩招，给高校的实验室造成了很大的压力，高校中的实验是学生学习和实践的重要一环，各高校想尽一切办法，开源节流，但由于一些实验成本太高和各种条件的限制，高校实验室对教学实验来说仍然捉襟见肘，严重的影响了学校的教学和学生对知识的掌握。但随着计算机和网络不断发展，在高校建立虚拟的实验室，用计算机仿真软件来替代部分实物实验成为可能。在虚拟实验室里，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，方便快捷的从事各种实验，有利于培养他们的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识、科学的指导和敏捷的反馈。虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向，具有很高的实用价值和现实意义。
1.高校虚拟实验室的网络模式
在现在的网络中存在两种模式： B/S模式和 C/S模式。在高校中推荐采用B/S模式。因为B/S模式有以下特点：
1.1B/S模式建立在广域网之上，不必需要专门的网络硬件环境，可以宽带上网，租用设备．信息自己管理．有比C/S更强的适应范围，一般只要有操作系统和浏览器就行。现在的学生宿舍基本上都可以使用网络，且B/S模式下基本上不用装其他的客户端软件，使用起来比较方便，设计人员也无需开发过多的客户端程序，减轻了开发人员的负担。
1.2C/S模式一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强．一般高度机密的信息系统采用C/S模式结构适宜。 B/S模式建立在广域网之上，对安全的控制能力相对弱，面向不可知的用户群．而学生实验的保密性一般要求不高，且学生群体比较大，流动也比较强，所以比较适合B/S模式的网络。
1.3C/S模式程序应用逻辑在客户端实现，对于虚拟实验系统来说，客户端需要配置支持虚拟实验的虚拟机软件，安装支持虚拟机软件对初学的学生来说是一件麻烦的事情，而B/S模式除了浏览器和一些浏览特殊资料格式的插件以外一般不需要其它的客户端软件支持，分布在学校各个角落的的学生用户只要输入访问特定的网址便可以进入这个虚拟环境中进行相关实验课程学习。
2.虚拟实验室架构和网络平台的实现
2.1网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统，网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各部分之间既相互独立又相互联系。学生通过鼠标点击、拖曳和键盘输入等操作就能进行实验。微软的.NET平台为架构,使用ASP.NET语言开发实现,后台数据库使用SQL Server 2008,采用三层架构的形式，可以用来设计虚拟实验室的实验平台。一个完整的虚拟实验室系统功能模块结构如图1
2.2 网络虚拟实验室系统化主要由三大部分组成：第一部分是远程客户端程用户通过浏览器发出请求，二部分是中间传输的环节信号经过校内局域网，并通过防火墙；第三部分是WEB服务器，它需启动仪器控制服务器，通过程序分析和处理从客户端采集来的数据得出结果返回给客户端。
这个虚拟实验室系统的关键技术是实现远程控制，学生在客户端的浏览器发出实验请求，服务器能驱动电
机启动相关的实验设备，按照学生设置的参数，运行实验得出相应的结果。并将实验结果以视频，文字、
图表的形式返回给学生，最终形成实验报告。
3.虚拟实验室不仅在节省实验教学资金、提高教学资源利用率，节约学生实验时间、提高实验效率上起到很好的作用，而且对于现实的常规实验教学仍具有重要的意义体现在：
（1）弥补教学条件的不足。有些常规实验的一些实验效果因为实验设备、实验场地、实验环境的原因不能很好的观察到，一些实验微小的变化在实际实验中往往很难观察到，而在虚拟实验能够很好的反应出来，从而丰富感性认识，加深对知识的理解。
（2）避免了危险性实验真实操作所带来的各种危险。有些常规实验带有危险性例如：化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险，生物实验的细菌病毒带来的危险等，在虚拟实验室中学生可以放心大胆的去做实验。
（3）虚拟实验室重复性好。存虚拟实验中，可以像玩电子游戏一样，用鼠标键盘去控制实验，一边改变实验条件，一边观察实验结果。虚拟软件可以按我们的要求，任意放慢实验的过程，让学生看到在传统实验中看不到的变化过程，也可以在很短的时间内完成几百次或几千次的实验，让学生看到只有经过成百上千次的实验才能看到的结果，从而使学生在操作的过程中，在变化的过程中学习知识、验证知识、探索知识。
4.教学型虚拟实验室的建设的几点建议：
（1）选择合理的开发技术，开发出封装性强、界面友好、响应速度快的虚拟系统。
建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键，而要建立一个完整的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择实可行的虚拟现实系统解决方案。虚拟实验平台的界面要友好、丰富、直观，以提高学生的实验兴趣。
（2）更新实验教学观念,重新认识虚拟实验室
受传统的实验观念的影响，很多学校和学生比较注重看的见摸得着的实体实验，并且认为虚拟实验室是网络技术、虚拟仪器技术、虚拟现实技术等新技术共同的产物,因此容易被理解为技术要求高、建设投入大的教学资源，从而让人望而生畏,不敢问津。
（3）真实性
仿真系统要能够最大限度真实的反应实验的情况，这一点是虚拟实验室系统的基础。
（4） 交互性强
在仿真实验在运行的过程中提供和学生交互的友好界面，完全按照学生的意图和学生设置的实验参数进行实验，增强学生对实验的控制力度和操作力度，同时记录实验的结果和数据，最终形成实验报告。这样可以大大的方便学生做实验。
5.结束语
随着网络和通讯技术的不断发展，高校网络虚拟实验室必将有广阔的发展前景，高校网络虚拟实验具有众多的优点，为加强高校网络虚拟实验室的建设，为了提高高校的教学质量，我们应不断探索网络虚拟技术的应用方法，以使高校网络虚拟实验室建设实现更优化更现代化。
参考文献：
[1]贾银军、李新华，网上虚拟实验室的构建，《硅谷》，2011年17期.
[2]曾创奇，关于高校教学型虚拟实验室构建，《电化教育研究》，2005年第09期.
篇7
关键词：虚拟实验室技术；开发；设计
中图分类号：TP391.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 18-0000-02
1 虚拟实验室的概念
1989年，美国的William Wolf教授提出了虚拟实验室（Virtual Laboratory）概念，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境[1]。所谓虚拟实验室，即是在虚拟现实技术下产生的可以进行虚拟实验操作的一类实验系统，它包含实验仪器设备、实验对象、实验室环境及相关实验信息资源等元素。它不仅可以是现实实验室的体现，也可以通过虚拟构想来形成。
2 虚拟实验室的基本特征
虚拟实验室应具备一些基本特征[2]：（l）与现实的一致性（或现实的延伸）；（2）高度交互性；（3）实施的信息反馈；（4）多人合作使用的功能；（5）具备一定的智能特性。近几年来，个人计算机的性能已迅速增强，在很大程度上满足了虚拟实验室的要求。对于一些在现实世界难以进行，或耗时、耗力、耗资金的实验，可以通过计算机建立能够客观反映其现实世界规律的虚拟仪器，进行虚拟实验来代替。建立虚拟实验室可以使实验人员在计算机上进行虚拟实验和虚拟预测分析，亲自操作实验仪器，观察动态过程，还可以改变实验条件和数据，总结变化规律。虚拟实验室三维立体的空间创造使实验者如同身临其境。
3 WebGL的相关技术及知识
WebGL是一种3D绘图标准，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，甚至可以用来设计3D网页游戏等等。WebGL完美地解决了现有的Web交互式三维动画的两个问题：第一，它通过HTML脚本本身实现Web交互式三维动画的制作，无需任何浏览器插件支持；第二，它利用底层的图形硬件加速功能进行的图形渲染，是通过统一的、标准的、跨平台的OpenGL接口实现的[3]。
4 虚拟实验室平台的设计
本虚拟实验室是一种基于WebGL标准的虚拟实验教学平台的，这在国内还是一个新的尝试。以往Web3D开发的应用程序，在运行时要安装插件，安装专有客户端软件，而本虚拟实验系统可直接访问WebGL支持的浏览器，并具有更高的三维效果，具有较强沉浸体验，的实验场景，进行相关实验操作的体验和学习[4]。
4.1 实验系统平台架构图
该虚拟实训室是基于WebGL技术开发的平台，学生操作的过程中需要使用JS的库，它可以直接调用JS的库，完成图形图像处理。分别为：
GLGE库：GLGE是一个封装了 WebGL 的JavaScript库，可以降低WebGL使用的难度。他提供了一个本地的browser JavaScript API，可以直接访问，允许在没有下载任何插件的情况下使用2D/3D硬件加速应用。
WebGLU库：WebGLU是WebGL与GLU的结合，提供封装，在场景中放置Camera或者提供简单的几何图形元素。
这两个库的调用可以完成多个功能，分别是摄像机控制、模型建模、场景搭建、射线碰撞、线段绘制、光影投射、场景边界检测、UI结构与实现等。
Ajax引擎：Ajax 不是编程语言，它的作用是创建更好更快以及交互性更强的 Web 应用程序的技术。通过 Ajax引擎，本虚拟实验室的JavaScript 可使用 XMLHttpRequest 对象来直接与服务器进行通信。这样 JavaScript 就可在不重载页面的情况与 Web 服务器交换数据，使网页从服务器请求少量的信息，而不是整个页面。并可使因特网应用程序更小、更快，更友好[5]。
4.2 虚拟实验过程设计
以往的虚拟实验的操作方式过程和步骤是，首先步骤是操作者点击鼠标或点击键盘“进入”虚拟实验室，接着步骤是“来到”规定的操作平台，根据实验内容用鼠标或键盘点击、拖动、添加虚拟元件等操作方式来完成实验，最终步骤是获得实验结果，归纳总结实验。而本试验系统在完成刚才的步骤后，还有不“虚拟”的部分，既根据刚才归纳的要点，去实训场地在实训设备上操作验证。虚拟实验室和实训室连在一起，类似一体化工作室的模式[6]。
4.3 虚拟实验室所需的场景及器件的建立
建立XML文件，取名level.xml，该文件的作用就是建立虚拟实验室所需的场景及资源。
4.3.1 定义mesh
（1）建立1*1*1像素的立方体，36个定点矩阵。
-1.000000，1.000000，0.000000，
1.000000，1.000000，0.000000，
1.000000，1.000000，1.000000，
.
.
（2）建立法线。
（3）建立UV。
4.3.2 定义material
（1）材质贴图建立
（2）UV模型建立
4.3.3 定义camera
建立camera，需要调整位置，及旋转，达到三维的视图效果。
4.3.4 定义scene
（1）建立主场景名。
（2）建立主摄像机
（3）建立环境颜色
4.3.5 定义object
（1）定义场景中的实体对象模型。
（2）定义场景中的实体对象材质。
（3）定义场景中的实体对象位置。
（4）定义场景中的实体对象缩放。
（5）定义场景中的实体对象旋转。
5 总结
近年来，人工智能、网络技术、模糊控制等技术发展迅速，也为解决此类问题开辟了许多新途径。三维虚拟实验室为学生提供了崭新的实验方法，将学生和实验仪器联系起来，起到了增强扩展实验教学功能的作用[7]，这对改革传统教学方法、提高教学质量、教育资源共享等方面都具有前所未有的重要意义。
参考文献：
[1]李仁发，周祖德，李方敏等.虚拟实验室网络体系结构研究[J].系统仿真学报，2002.
[2]刘志广，吕保和，吴海霞，岳锌.《智能化虚拟实验室实现方法的研究》.
[3]程新丽.基于WebGL的虚拟实验教学研究[J].科技经济场，2011，09：12-13.
[4]梁勇，Java语言程序设计[M].北京：机械工业出版社，2011.
篇8
虚拟实验室由于其广泛的应用前景,许多研究机构都在大力开发,并且取得了很大进展。基于虚拟实验室的特点,它在实际中还常被用于辅助教学的开展。许多学校根据自身实际教学需求已经建立了虚拟实验室,比较典型的有:(1)山西师范大学的物理虚拟仿真实验室,[4]其目的是为了解决物理实验教学中存在的一些问题。实验室包括实验仪器、实验步骤、数据处理等子模块,选用Cult3d和Flash作为其主要的开发工具,并且通过JavaScript在这两种技术之间建立通信,为学生提供了一个操作方便的虚拟实验系统;(2)浙江大学的虚拟化学实验室,是基于Web的虚拟实验室,以VRML为基础构筑虚拟实验环境,并利用Java技术来实现虚拟实验场景的人机交互。[5](3)文献[6]所介绍的中学物理实验室,则是基于Web的B/S体系结构,使用VRML和Java相结合进行开发,由客户端、Web服务器、应用服务器和数据库服务器四大部分组成,集实验教学、实验操作与实验报告于一体。尽管虚拟实验室呈现出欣欣向荣的发展景象,但是目前用于辅助教学的系统大多是为高校和中职院校的实验教学而量身定做的。而在中学物理教学中,开发者往往只是制作单个虚拟实验课件使用者利用这些实验可以实现基本的模拟功能,但这些单个的虚拟实验却不能满足使用者交流互动的需要,也无法实现教师对实验教学的管理。针对这些不足,我们设计了中学物理虚拟实验室,里面不仅包含基本的物理实验,还为师生提供了下载中心、交流中心等辅助功能,让系统更加人性化,更能满足师生的实际需求。
二、虚拟实验室的总体设计
通过学生的问卷调查以及与一线教师的实际访谈,根据师生的实际需要。该结构实现的主要功能为:(1)模拟实验。中学物理虚拟实验室的核心部分是虚拟实验室。在仪器库中,有各种实体仪器的模型,用户在使用时只需将需要的仪器从库中拖到实验界面上,就可以对其进行操作。在本系统中,我们利用交互技术来模拟实验动态,使学生和实验环境之间进行充分的交互。(2)实验报告。本系统为每个实验都提供一个实验报告模板。学生在实验过程中记录产生的数据及图形,并且根据实验原理进行必要的数据处理。实验完成后,用户可以到下载中心下载对应实验的报告模板,按要求编写后,在登录情况下提交。提交后,系统会将实验报告发送至相应的任课老师那里进行批改。(3)交流互动。本系统在模拟实验之外,还为用户提供了一个交流互动的平台。在这个平台上,已登录的用户之间可以进行在线提问和在线答疑,同时还可以进行留言,提出自己的意见等。用户在这个版块上,还可以查看问答汇总,利用其他同学的经验来提高自己的实验能力。(4)资源共享。本系统还为用户,提供了一些习题和实验资料,用户可以在线浏览,也可以下载。如果想共享资源,可以选择上传。上传的资料在经过管理员审核后,即可显示在资源共享栏中。(5)用户模块。该功能具体包括注册新用户、修改用户密码、找回用户密码、已注册用户登录和退出系统。和大部分系统一样,物理虚拟实验室为每个注册用户分配一个账号,并记录用户的相应信息,并保存至数据库中,方便用户查看个人之前的实验记录。其中应用程序中的用户注册和登录模块启用了Forms身份验证机制,并充分运用了成员资格和角色管理功能。(6)实验管理。本系统在开发过程中秉持可扩展性原则,为教师用户提供了增加和删减实验的功能。教师可以通过设计新实验来扩充实验库。同时教师还可以对仪器库进行管理,根据实验的实际需要,往仪器库里增加或减少实验仪器。(7)实验指导。在做实验之前,必须先了解该实验使用仪器的参数设置、实验原理及注意事项等。本系统为每个实验都建立了一个文本形式的Web页面,页面包含了这些项目的详细内容。学生在实验过程中可以随时浏览来指导实验的顺利进行。
三、中学物理虚拟实验室的实现技术
1.Flash交互技术MacromediaFlash是一种交互式矢量图编辑和多媒体创作软件,具有存储空间较小、效果和交互性能强大、跨媒体性强、成本低廉等特点。[7]ActionScript是Flash的脚本语言,利用它来控制Flash动画中的对象,通过制作通用元件,将其编写的代码封装起来。[8]这样可以方便其他人使用。2.ASP.NET开发模型本系统最终是以网站的形式呈献给用户,在开发的过程中,我们使用了ASP.NET开发模式。3.数据库技术SQLServer2005的安全性好,它提供了强大的数据库备份和恢复功能,当故障发生时,能根据备份和日志迅速恢复到某一正确时刻;还提供了更好的并发控制功能以及大量的监控和管理数据库系统的工具。[9]在本系统中,使用SQLServer2005进行开发,数据表由学生表、教师表、仪器表、报告表、资源表等组成。4.开发语言物理虚拟实验室采用C#进行开发。C#是衍生于C/C++的一种面向对象的语言,有速度快、类型安全、灵活度高等特点。5.系统体系结构C/S(Client/Server,即客户端/服务器)中,服务器是核心,客户端则是基础。用户界面、业务处理都在客户端实现,而服务器则负责数据处理和维护的功能。进行实验的操作、仿真各种物理现象都需要本地机参与工作,以提高工作效率。[10]
四、虚拟实验室的开发流程
(1)制作虚拟仪器库。Flash素材库可以导入外部的素材与创建的元件。这些元件可以是从其他地方找来的素材图片,也可以是用Flash制作出来的影片剪辑或图形。在制作动画时,只需从仪器库中将元件拖放到实验场景中,并通过添加脚本来控制仪器的运行。元件只需创建一次就可以反复使用。(2)设计与制作实验场景。Flash动画中,所有的实验仪器都需要实验场景来呈现,从而为用户提供一个接近真实的实验环境。每个场景都有独立的时间轴和图层,用来放置不同的实验对象,主要包括空间背景、实验仪器、实验台等。(3)添加交互。在这个过程中,我们使用ActionScript来给动画添加交互性,实现人机交互。(4)集成优化和。完成Flash动画的制作后,还要对动画进行优化。比如压缩,使动画能够更快地下载和播放。用户可以Flash为SWF、HTML、QuickTime、Gif、Macintosh以及可执行文件的格式,这样可以使Flash动画以不同的格式播放,以满足不同平台的需要。
五、虚拟实验室的系统界面
使用者在不登录的情况下,可以浏览本系统的任何信息,也可以进入不同的实验模块,了解相关知识。要进入虚拟中心,使用者必须登录,登录后可以选择点击导航栏上的“虚拟中心”进入,也可以通过选择所要做的实验归属的类别直接进入相应的模块。图3为虚拟中心中电学模块《电路连接》的实验准备界面:实验开始前,使用者可以在“实验原理”中心查看信息,里面包含实验电路图以及不同的实验电路连接方式,电流表和电压表的参考示数。使用者在连接电路后,单击“开始”按钮进行实验,实验过程中用户可以通过电流表和电压表观察示数,还可以通过“停止”和“复位”按钮对电路进行重新连接。
六、虚拟实验室的使用效果调查及评价
为了测试本系统的使用效果,我们抽取了某校高中二年级的8班和10班为调查对象。这两个班级人数相等,知识水平以及结构组成接近,其中8班为实验班,10班为对照班。实验内容为实物电路的连接,即根据给出的实验电路图,将所示各器材的实物图正确连接。这部分实验的难点在于滑动变阻器的接法。在实际教学中发现,有些学生画电路图时头头是道,可在实物连接时却束手无策,动手能力差。所以,针对这部分问题,本系统提供了实验提醒功能,即在实验器件相同的情况下,为每一组实验电路图提供了供参考的电压表和电流表的示数。学生在实验过程中,如果实验数据与参考数据不一样,系统则提醒学生出错,建议学生自行检查电路并改正,直至结果正确。这样的过程原则上可以提高学生实物连接的能力。针对此次调查,事先设计了两份问卷。问卷1侧重知识与能力的检测,测试内容为根据实验电路进行实物连接,这份问卷同时投放给8班和10班;而问卷2的设计则从三维目标中的情感态度与价值观的角度出发,其中包含10道题,这份问卷仅投放给8班。
篇9
关键词：虚拟实验室计算机模拟多媒体技术
在高等教育实现大众化的今天，由于众多主客观因素制约，国内许多高校教学质量有所下降，特别是在实践教学中，出现重视课堂理论教学，忽视成本高、难度和质量弹性都较大的实践教学。在全球竞争高度激烈的时代，市场经济对人才所具备的创新精神、实践能力的要求越来越高，如果高校所培养的学生理论基础与实践能力脱节，学生将无法立足于当前的市场经济，因此，加强高校实践教学工作是我们必须要解决的重要任务。
目前，国家已将培养适应新世纪现代化建设所需要的具有创新精神、实践能力和创业精神高素质人才列为高等教育战略工程，这种人才只有通过系列的实践教学环节才能得到有效的培养。而我校许多学科专业都属于实践性较强的应用型专业，如何将学生的创新精神和实践能力有机结合起来是我们面临的难题，下面就如何培养提高学生的实践能力谈几点自己的认识：
我校实验教学计划主要设置有无机化学、分析化学、有机化学、仪器分析以及物理化学等实验课程，实验教学分散在各门理论课程中，教学主要按照理论课讲授的内容顺序自成体系，各门实验教学课程尚未进行整合形成一个科学系统的实验教学体系，内容存在重复、脱节现象，不利于培养学生的综合能力；实验教学内容简单分散，多为一些验证性的实验，实验内容的深度和广度也不够，知识也不能及时得到更新，学生很难将化学知识和操作技能应用到工作中去解决实际问题；实验的教学手段基本上采用传统的一块黑板、一套旧式仪器设备、一本实验教材，缺乏计算机多媒体和先进仪器等现代化教学手段，教学方法主要是学生课前预习，教师重点讲解和指导，学生按实验指导书“照方抓药”，进行机械式操作，最后填写实验报告，学生缺乏独立思考和自己设计实验的能力；实验教学课时安排偏少，培养学生动手能力的实践时间不能得到充分保证。
鉴于以上事实，我们认为虚拟实验室的建设将在一定程度上解决目前存在的问题，有助于培养和巩固学生掌握实验基本理论、知识、方法、技能，培养学生发现问题和综合分析、解决问题能力以及培养学生初步的科学研究能力。其依据在于：化学虚拟实验室充分利用计算机多媒体的技术，将化学实验过程中的文、图、声像、动画各种因素有机组合在一起，把一些抽象理论、复杂结构、虚幻情景、跨越时空等因素，通过三维动画、视频图像、虚拟现实等手段形象生动地展现出来，使学生通过多种感官刺激全方位地获取丰富的信息，学生对实验过程和实验现象观察得很清楚，让学生在计算机上操作也能达到身临其境的效果，这样就可以激发学生的学习兴趣，起到良好的教学效果。
一、虚拟实验室的建立有利于弥补实验课时较少的问题
化学虚拟实验室的建设，可以弥补实践教学课时不足的问题，扩大学生的信息量。实验教学是一种手脑并用的学习方式，既要动手操作又要动脑思考。但是由于实验课时的限制，往往一个实验环节需要在2～3个学时内完成，教师只能将仪器的使用和实验方法进行简要的示范和描述，一般很难有足够的时间对整个实验过程进行详细的演示，学生也没有充足的时间去思考，实验经费不足，仪器数量少，不能满足学生人人都能动手进行操作训练，学生在实验过程中难免出现各种各样的错误，导致最后得不出正确的实验结果，甚至在实验课结束后，对所做实验内容仍是一知半解。因此采用新的教学手段，引导学生的学习积极性，充分利用学校的校园网，在保证原来实验课的基础上，利用学生的课余活动时间，开通计算机网络进行虚拟模拟实验，其具体做法是：将实验内容制作为教学软件上传校园网，使学生不受时间、地点、场所的限制，打开校园网就可以进行模拟实验，这样既可以节省经费，减少环境污染，又能为后续实验奠定基础，从而提高实验教学质量，达到预期的实验目的。其次虚拟实验室的开发将知识性、趣味性融为一体，教学方法上采用启发式教学，使学生从被动学习转变成主动参与，从而有利于提高学生的综合能力，培养学生的创新意识。
二、虚拟实验室的建立有利于学生加深对实验安全规范的认识
化学实验试剂大多数具有易燃、剧毒、腐蚀性，在实际操作过程中要求学生高度认真，以免失误导致事故发生。虚拟实验室的建设可以为学生提供一个虚拟的实践空间，加深对实验安全规范的认识，例如，通过虚拟实验室计算机模拟出实验中的错误操作，将水倒入浓硫酸中，液体沸腾并飞溅，并配上适当的图像、声音，从而使学生亲自感受错误操作的危险性，提醒学生避免这些错误的发生，这样就会给学生留下深刻的影响，对实验中的安全规范操作引起高度重视，降低化学实验室事故发生的概率，即使出现危急情况，学生在虚拟实验室的训练也有助于他们及时正确的处理。
三、计算机模拟有利于学生复习和巩固
学生做完实验后，由于受到主客观条件的限制，一般难以再安排进行重复实验，因而实验知识往往得不到巩固。如果将实验内容设计成教学软件，学生则可以自由地选择时间和地点进行多次的模拟实验，这无疑是对实验课的一种有力补充。例如，在分析化学实验模拟电光天平的使用，利用计算机模拟可达到以下效果：
1．演示
将拆散的天平部件逐一放在正确的位置，同时采用文字和语音提示该部件的名称、用途以及使用时的注意事项等，当组装完成后，再演示称量操作的步骤。在该过程中，其动画图像清晰、逼真，语音提示可以加深学生对实验步骤的重视和理解，相比之下常规演示实验难以达到这种效果。
2．练习
给出拆散的各天平部件，让学生自己去完成组装和称量练习，每一个操作步骤都给出正确与否的判断，若错误则提示正确的操作方法。
3．巩固
给出实验器材，在没有正确提示的前提下完成所有操作，正确时给出欢快的掌声；错误时则指出其错误，同时给出提示并给予鼓励至完全正确。
4．测试
在没有任何提示的情况下完成所有操作，根据操作情况和所用时间计分，并在最后给出错误所在，因此这种计算机模拟实验模式完全可以成为课堂教学的有力补充。
四、虚拟实验室的建立有利于保护环境
常规的化学实验中不可避免地要消耗大量的药品和水资源，实验过程中伴随着有毒气体、废水以及有害物质，这既污染环境，又影响实验效果，既不利于学生实验能力的培养，也不利于环境保护。因此在保证实验教学目的的前提下，对化学实验内容进行大幅度改革和调整是非常必要的，例如，在学习硫的知识中可设计成模拟实验：
（1）模拟硫与氧气反应，指出生成的SO2是酸雨形成的主要成分之一，若直接排放到大气中，就会产生环境污染；
（2）模拟实验室中温度计摔碎后对汞的处理，在汞的表面覆盖一层硫粉，以防发生汞中毒等等，由于多媒体模拟化学实验，画面生动、逼真，特别是将反应过程慢放和重播，学生能清楚的观察实验过程和实验现象，这就大大的激发了学生的学习兴趣，学生在掌握知识的同时又可以加强环保意识，从而起到良好的教学效果。
虚拟实验室的建立突破传统实践教学模式单一的局限，学生课前进入虚拟实验室，利用多媒体虚拟操作进行前期实验准备工作，后期在实验过程中具体操作将有助于提高学生实践能力，其具体操作程序为：
1．建立虚拟实验室运行网络平台
通过建立网站教学平台，为学生营造一个完全自主的学习环境，学生可以在该环境中通过自学、模拟、回答问题等多种学习方式，在实践中得到提高。
2．化学实验演示以及模拟课件的研制
研究、开发、制作化学虚拟实验室支撑软件，管理和开发有关实验教学资源库，通过对实验教学资源的整理、存贮、加工、修改、整合以及维护等，使资源库不断完善和发展。
3．化学实验内容的整合和优化
为了使学生系统掌握化学基础学科的实验技能，培养科学素质、提高综合分析问题和开展科学研究的基本思路，看准国内外实验教学改革的趋势，加强对学生实验技能培养的系统性和连贯性，遵循教学规律和认识规律，并结合林业院校教学特点，对化学实验教学内容进行整合优化。实验教学内容结构规范为：基础实验、综合性应用实验和研究（设计）型实验等三个层次，使学生在掌握和巩固化学实验基本理论知识的基础上，提高学生的综合实践能力以及初步的科研能力。
突破高等教育实践教学沿用的传统模式，建立化学虚拟实验室，将现代多媒体技术应用在实践教学中，并根据林业院校教学要求的特点，对化学实验内容进行整合优化，创建综合实验教学的新体系，从而培养学生综合分析问题的能力，提高学生实践能力以及培养学生初步的科研能力。但是虚拟实验室模拟技术不能完全代替学生动手做实验，更不能使学生获得化学实验基本技能，它只是提供一种手段，起到辅助教学的作用，只有将其与传统的教学手段有机地结合起来，找到一个合适的切入点，才能最大程度地发挥作用，从而达到提高实验教学效率的目的。
篇10
随着科技的不断发展，单片机在机电工程与自动化等领域得到了越来越广泛的应用。然而，由于单片机技术的实践或教学环节较为复杂，因此对于经费的要求较高；并且，如果设计方案不合理，更会造成开发经费的进一步浪费。所以基于相关软件建立单片机虚拟实验室非常必要。本文就是单片机技术的实践教学为背景，阐述了基于proteus软件建立单片机虚拟实验室的基本方法。
【关键词】单片机 虚拟实验室 proteus 仿真
单片机作为机电工程或自动化专业的一门重要课程，具有很强的实践操作性。因此，在对其具体的学习过程中应充分实践相关技能。然而，完整的实践需要大量经费及合适的场地的支持，这些都使得单片机实验室的建设受到了很大程度的限制。为解决单片机的实践教学中存在的经费、场地及时间等问题，本文提出了一种利用proteus软件建立虚拟模拟实验室的方法。
1 简介proteus软件
本文建立单片机虚拟实验室所使用的核心软件就是proteus。它不仅能够对单片机的CPU的运行情况进行仿真，而且对于单片机的外电路甚至于不包含单片机的电路，proteus软件也能对其在一定程度上进行仿真。所以，我们在执行相关程序时，重点考察的对象并不是存储器的改变，而是直接观察结果，看程序运行后电路的工作情况。只有这样，单片机的实验操作才能和相应的工程做到有机的统一。
2 简述proteus软件仿真的工作过程
基于proteus软件的ISIS程序，系统即可进入仿真环境。具体应用proteus软件的仿真过程可以简述为以下几步：首先，选中view菜单，根据具体情况设置捕捉对其项目的相关内容，并同时对system项中的界面大小、颜色等项进行相关设置。然后，运行元件命令后，打开pick devices，从中选择并放置仿真电路所需的各种元器件，根据实际电路设计将其连接，并按要求设定元器件的工作参数，并在软件环境下编程处理。其次，执行Define code generation tools命令，确定编译的路径、工具等。最后，在执行命令项Add/remove source files的环境下，输入相应的电路程序，通过debug选项进行仿真检测电路工作情况。
3 简述单片机实验的组织
单片机的实践教学中，一般包括以下几点：系统资源、软件技术、硬件的接口电路、软硬件结合的应用系统。下面以51单片机为例，简述单片机实验的组织情况。
3.1 关于软件技术的实验
关于软件技术实验，主要包括以下几个方面：对具体语句的执行、对具体算法的实现、对错误语法的检查、对错误逻辑的验证。当然具体实验的操作还需根据具体情况而定。
3.2 关于硬件接口电路的实验
单片机硬件的接口电路理论不仅涉及到电子电路的相关知识，还需要考虑到实际的应用需要。一般地，硬件的接口电路的相关理论主要包括如何选择或连接元器件、如何设置电路更好的工作方式、如何保障电路的稳定性以及其空间需求等知识内容。由于仿真情况下的电路工作环境与实际情况还是存在一定差距的，所以若进行单片机的实际教学，还需要求学生自己设计电路和电路的工作环境。通常情况下，可以让学生根据相关的条件，使学生对接口电路及相应的程序自行设计；或者也可以让学生根据程序设计对应的接口电路。
3.3 关于软硬件结合的应用系统的实验
实现软硬件结合，单片机就有一个应用系统了。此时的重点将不再是硬件设施的相关问题，而是软件系统如何设计、做相关的调试，并最终运行。
4 简述虚拟实验室的建立方法
要做好单片机的虚拟实验室的建设工作，一般需要考虑以下几个方面。第一，需要尽可能地保障虚拟环境与实际情况基本相符，虚拟环境下的硬件设备的供应尽可能完整。另外，在设计硬件电路时，一方面要考虑到对系统的扩展。也就是说，如果实际的应用系统需求的容量大于单片机的相关功能单元中的ROM，RAM，I/O口以及定时器、计数器等的设备容纳量时，可以通过选择适当的芯片对单片机进行片外扩展。另一方面，如果实际系统需要配置如键盘、显示器、打印机、A/D 转换器、D/A 转换器等设备时，系统可以对接口电路进行合理设计以满足设备调试。学生们通过对proteus软件的科学应用，以上要求都可以实现。第二，通过使用WAVE软件工具实施对应用软件的编制和调试，学生可以借此学到单片机软件的开发方法及相应的技巧。第三，在软件的调试界面选用WAVE软件，硬件的调试界面选用proteus软件的基础上，通过WAVE软件与Proteus软件的整合，即可以对虚拟的硬件和软件进行总调。第四，将WAVE软件和proteus软件所提供的软件和硬件调试进行有机整合。一般地，我们利用proteus软件绘制出所要仿真的硬件的电路图，利用WAVE软件写入相应的程序，进行编译后，系统即会生成一个*.HEX文件；并且利用proteus软件打开已绘制完成的硬件的电路图，双击芯片89C51，并打开Program File选项，在加载完成生成的*.HEX文件后即可对编译的程序进行仿真了。
5 结语
随着单片机技术在社会、工程中的应用越来越广泛，人们对其信息化、智能化的要求也会越来越高。因此，熟练掌握proteus等软件进行相关的模拟仿真成为了单片机技术发展的必然。学习proteus软件，不仅可以在机电、自动化等相关专业的教学中进行模拟仿真，还可以建立个人实验室做仿真试验，在减弱经费、时间、场地等客观条件对单片机实验的限制的同时，也在一定程度上提高了学生以及相关工程人员的实践操作能力，并且对进一步推动单片机技术的发展起到了重要的作用。
参考文献
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