劉東生 王利森

（巢湖學(xué)院基礎(chǔ)實驗教學(xué)與實訓(xùn)中心，安徽 巢湖 238000）

數(shù)字化校園環(huán)境下的虛擬實驗室建設(shè)思考

劉東生 王利森

（巢湖學(xué)院基礎(chǔ)實驗教學(xué)與實訓(xùn)中心，安徽 巢湖 238000）

本文基于教育技術(shù)、虛擬儀器設(shè)備、數(shù)字化校園在實驗教學(xué)、科研中應(yīng)用的思考，針對我院的現(xiàn)實和發(fā)展目標(biāo)，介紹了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的內(nèi)涵、優(yōu)勢，給出了應(yīng)用實例，對虛擬實驗中心建設(shè)的思路和方案進行了探討。

虛擬實驗；數(shù)字化校園

數(shù)字化校園就是利用先進成熟的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過科學(xué)合理的管理規(guī)范與完備通用的技術(shù)規(guī)范，基于統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)整合、集成各種信息資源，構(gòu)建安全、可靠、可擴展、易維護的綜合平臺，建設(shè)的目的主要體現(xiàn)在為學(xué)?！敖虒W(xué)”和“管理”兩大功能提供的服務(wù)上。2012年我校將投資1600萬元人民幣的數(shù)字化校園建設(shè)項目，如何把握這一契機，充分利用校園資源，建設(shè)我院實驗教學(xué)虛擬平臺，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)中心，將是我們不可回避一個思考內(nèi)容。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的概述

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是一種基于Web技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建起來的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化。虛擬實驗室由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統(tǒng)組成。虛擬實驗室為開設(shè)各種虛擬實驗課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境。虛擬實驗臺與真實實驗臺類似，可供學(xué)生在任何時間、任何地點自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器設(shè)備，利用虛擬器材庫中的器材，自由搭建實驗教學(xué)計劃中的實驗教學(xué)項目，完成綜合性、設(shè)計性實驗方案，并可通過網(wǎng)絡(luò)進行方案討論，提交實驗報告。在虛擬實驗室中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識，科學(xué)的指導(dǎo)和敏捷的反饋。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的優(yōu)勢

長期以來困擾我院實驗教學(xué)發(fā)展原因，從表面上看，主要問題在于實驗教學(xué)經(jīng)費投入的嚴(yán)重不足，實驗教學(xué)儀器設(shè)備緊缺和老化，實驗教學(xué)用房面積缺口較大，實驗教師隊伍不穩(wěn)定，不能滿足當(dāng)下各系的學(xué)科專業(yè)發(fā)展和實驗教學(xué)質(zhì)量的提高。但從深層次上看，真正制約的瓶頸是，我們的教育思想和教育觀念不夠解放，現(xiàn)代化的教學(xué)資源不能充分利用。虛擬實驗室的建設(shè)不乏為當(dāng)下我院實驗教學(xué)質(zhì)量的提高提供了一個有效的問題解決方案。

2.1 節(jié)省了實驗教學(xué)經(jīng)費的投入?；跀?shù)字化校園的虛擬實驗室建設(shè)，大大節(jié)省了實驗室建設(shè)中人力、物力和財力的投入，降低了實驗教學(xué)成本。實驗儀器、實驗耗材都是通過虛擬技術(shù)實現(xiàn)。實驗教學(xué)的改革、實驗項目的調(diào)整、實驗方案的優(yōu)化，再也不受實驗設(shè)備性能的制約，有效解決了傳統(tǒng)實驗室中設(shè)備功能缺乏、性能老化，更新補充不到位等問題，從而影響整過教學(xué)的正常開展。

2.2 提高了實驗教學(xué)的安全系數(shù)。學(xué)生在實驗室進行實驗時可能會由于操作不慎或其他原因，使得人身安全或者儀器設(shè)備安全受到威脅甚至造成損失。在各種電子實驗中，低壓電路實驗經(jīng)常會因為設(shè)備原件的老化，造成短路，損壞儀器或芯片；而高壓電路則會發(fā)生設(shè)備漏電，造成觸電事故。對于一些化學(xué)化工的高危險類實驗，我們不會親自去體驗，但通過虛擬可進行模擬仿真，強化實驗現(xiàn)象。

2.3 改善了實驗教學(xué)的教學(xué)環(huán)境。首先網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室比傳統(tǒng)實驗室更具有開放性，他有效地打破了時間和空間的界限，學(xué)生可以靈活安排自己的實驗時間，也可以根據(jù)專業(yè)、興趣、愛好，對自己完成的綜合設(shè)計性實驗方案進行實驗。其次，他使實驗方案、實驗效果的最優(yōu)化成為可能，學(xué)生不再因受實驗設(shè)備和耗材等限制，方便、快捷、及時地對某一實驗項目進行反復(fù)比較實驗。

2.4 優(yōu)化了實驗教學(xué)資源。虛擬實驗室建設(shè)可以充分發(fā)揮現(xiàn)有實驗教學(xué)資源的功能和應(yīng)用，通過ORACLE集群、虛擬主機集群、服務(wù)器集群、計算機云技術(shù)等措施，共享教學(xué)資源，運用IPS入侵防御系統(tǒng)設(shè)置策略，確保系統(tǒng)的安全。就當(dāng)下，也在很大程度上緩解了實驗用房緊張，保證了整過教學(xué)計劃有序執(zhí)行。

2.5 降低了實驗教師和實驗技術(shù)人員的工作量。傳統(tǒng)實驗室的實驗教學(xué)，受到教學(xué)時間和課時量等多種因素限制，管理、技術(shù)人員也不可能及時對現(xiàn)場出現(xiàn)故障的設(shè)備進行維護、維修完畢，實驗指導(dǎo)教師更不可能將各種可能發(fā)生的實驗情況一一羅列出來。學(xué)生通過虛擬實驗，不僅擴大了實驗的時間和內(nèi)容，而且在過程中很多實驗現(xiàn)象和問題，自己就迎刃而解了，再進入傳統(tǒng)實驗室，那叫一個字——順！同時實驗?zāi)康囊哺用鞔_。

3 軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗應(yīng)用實例

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬實驗中心主頁，輸入個人信息，經(jīng)過用戶認(rèn)證，進入虛擬實驗室，選擇實驗教學(xué)模塊和具體的實驗項目，開展實驗。以下為電子技術(shù)實驗課程中的三極管放大電路虛擬實驗。

在模擬電子技術(shù)課程中，三極管放大電路的直流分析和交流分析是教學(xué)中的重點和難點，學(xué)生在學(xué)習(xí)初期，由于剛接觸，概念抽象，認(rèn)識模糊，尤其對放大電路失真的原因、關(guān)系、本質(zhì)理解不深。在虛擬實驗室該實驗項目界面，學(xué)生首先根據(jù)實驗設(shè)計方案，從器件庫中“取出”所需的各種電子元件，在界面“測試電路區(qū)域”構(gòu)建出實驗電路（圖示），加電后，在設(shè)備庫中選擇萬用電表，測試靜態(tài)工作點電壓。選擇信號發(fā)生器和示波器，可方便測出上圖所示中該電路對信號的不失真放大倍數(shù)。改變基極偏置電阻值，從而改變靜態(tài)工作點，導(dǎo)致飽和失真與截止失真的因果關(guān)系一目了然，如圖所示。全部實驗數(shù)據(jù)整理后，形成實驗報告，在網(wǎng)絡(luò)上直接上傳提交，經(jīng)教師批閱后，獲得實驗成績。

由于進入虛擬實驗室必須是實名登錄，他與全校的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)共享全部的信息資源，實驗的結(jié)果是有網(wǎng)站自動生成，所以學(xué)生無法對此實驗的過程和結(jié)論進行復(fù)制和修改，有效避免了少數(shù)學(xué)生拼湊實驗結(jié)果、抄襲實驗報告的現(xiàn)象。

4 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的建設(shè)思路

虛擬實驗室的建設(shè)應(yīng)以數(shù)字化校園為依托，作為傳統(tǒng)實驗室建設(shè)的補充和完善，形成獨立性與統(tǒng)整性、學(xué)際性與開放性、主體性與合作性、現(xiàn)實性與靈活性的有機統(tǒng)一。第一，在虛擬實驗室的技術(shù)總體設(shè)計上，要符合“主體的主動性、結(jié)論的可計量性、結(jié)論的客觀性、過程的可重復(fù)型和實驗內(nèi)容與結(jié)論的連續(xù)性（因果關(guān)系）”這一實驗的基本屬性。第二，在實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗項目設(shè)計上，使之不僅與專業(yè)教育相結(jié)合，同時與就業(yè)市場相結(jié)合，形成由“基本實驗-綜合實驗-設(shè)計實驗-畢業(yè)設(shè)計實踐”的由淺入深，由易到難，由簡單到綜合，一體化多層次模塊式的實驗教學(xué)體系結(jié)構(gòu)。第三，在實驗教學(xué)管理上，通過開放式的管理平臺，構(gòu)建出多元化的實驗教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控主體體系和多層面的實驗教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控客體體系，形成對實驗教學(xué)質(zhì)量多要素、多角度、多層次、多形式的監(jiān)控，運用實驗教學(xué)統(tǒng)計、評價子系統(tǒng)，從而及時、全面、準(zhǔn)時、系統(tǒng)地掌握實驗教學(xué)的運行。第四，在建設(shè)的步驟上，要結(jié)構(gòu)科學(xué)，系統(tǒng)開放，逐步擴充。首先要能滿足新建專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、實驗報告等實驗基本環(huán)節(jié)的急需，然后在功能上逐步擴充、性能上進一步完善，面向各學(xué)科專業(yè)有計劃進行推廣。在學(xué)校財力、人力允許的情況下，啟動儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室建設(shè)，探索遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室項目，直至建設(shè)成我院的校級“網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗中心”，面向企業(yè)、科研和社會進行有償服務(wù)。

5 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的建設(shè)方案

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室建設(shè)是基于數(shù)字化校園建設(shè)的項目基礎(chǔ)之上，子項目的框架結(jié)構(gòu)為如圖所示：采用瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)和應(yīng)用（BSDA，Browser/Server/Database&Application）結(jié)構(gòu)，由客戶端、網(wǎng)頁服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端以及實驗儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認(rèn)證管理、開放式交互實驗環(huán)境以及動態(tài)網(wǎng)頁的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫的主要作用則是配合用戶帳戶的管理、動態(tài)網(wǎng)頁的生成以及實驗數(shù)據(jù)的存儲和管理。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，主要由模擬仿真和實時測量兩個部分組成，如圖所示。模擬仿真部分，主要完成驗證型、原理演示型實驗，使用LabVIEW自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，直接在Web服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的www網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，進行實驗，此部分是我院虛擬實驗室建設(shè)的第一步。

實時測量部分，主要完成大型儀器設(shè)備的共享型，遠(yuǎn)程控制型的教學(xué)、科研實驗。他有一個多媒體輔助模塊，是對實際實驗平臺界面的虛擬呈現(xiàn)，讓學(xué)生在進入實時測量模塊之前來操作，用來檢驗學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實驗內(nèi)容，熟悉具體的實驗步驟；另一個是實時測量模塊，它是實時測量部分的核心，負(fù)責(zé)本地實驗數(shù)據(jù)的采集，并按遠(yuǎn)程用戶的操作要求進行分析、存儲以及顯示，可使用LabVIEW的網(wǎng)頁發(fā)布功能來實現(xiàn)，也可使用基于LabVIEW編程的Application Server模塊與客戶端API模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信，完成遠(yuǎn)程實驗。

6 結(jié)束語

一流的大學(xué)必須有現(xiàn)代化的教學(xué)、科研實驗室。與傳統(tǒng)的實驗室相比，現(xiàn)代化的教學(xué)、科研實驗室建設(shè)方向為：（1）現(xiàn)代化儀器設(shè)備本身應(yīng)是可編程的，功能上很大程度可由使用者自行定義和設(shè)計，便于開展研究性和設(shè)計性的實驗。（2）各種測量儀器設(shè)備不應(yīng)是彼此間相互孤立的，必須能與計算機相連，組成一個以計算機為中心的測量系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)應(yīng)為開放式的，能夠通過校園網(wǎng)形成一個網(wǎng)絡(luò)化的儀器與測量環(huán)境，共享實驗數(shù)據(jù)。（4）實驗室的管理應(yīng)是科學(xué)、透明和規(guī)范的，通過有效的管理，提高經(jīng)費投入效益，提升實驗教學(xué)質(zhì)量。我院“十二·五”規(guī)劃中明確了學(xué)校發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)：“辦合格，有特色，上層次”，則在實驗室的建設(shè)和規(guī)劃上，我們必須提煉出行之有效建設(shè)方案。

參考文獻：

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ON THE CONSTRUCTION OF VIRTUAL LABORATORY IN DIGITAL CAMPUS ENVIRONMENT

LIU Dong-sheng WANG Li-sen
（Basic Experimental Teaching and Training Center of Chaohu University,Chaohu Anhui 238000）

This article introduces the connotation and advantages of network virtual laboratory,gives application examples and explores the ideas and programmes on the construction of virtual experiment center based on thinkings of the application of educational technology, virtual instrument and equipment and digital campus in experimental teaching and research, considering the reality and development objectives of our college.

virtual experiment；digital campus

book=157,ebook=12

G434

：A

：1672-2868（2012）04-0157-04

責(zé)任編輯：陳 鳳

2012-01-20

劉東生（1963-），男,安徽肥東人。巢湖學(xué)院基礎(chǔ)實驗教學(xué)與實訓(xùn)中心高級實驗師，研究方向：教學(xué)資源開發(fā)利用。