孫慧影

【摘要】隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和校園網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，社會對高校學生的實踐能力越來越重視，使建立虛擬實驗室成為可能。針對傳統(tǒng)過程控制實驗教學的限制，學院引入了虛擬實驗室的概念。本文著重介紹了基于校園網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)王虛擬實驗室的特點及設(shè)計思路，概述了虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)框架，對學院過程控制虛擬實驗室的建設(shè)進行了初步探討，在此基礎(chǔ)上對虛擬實驗的前景有了明確的認識，它是一種有效的輔助實驗教學手段。

【關(guān)鍵詞】虛擬教學 校園網(wǎng) 組態(tài)王

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）02-0048-02

一、傳統(tǒng)過程控制實驗教學現(xiàn)狀

知識經(jīng)濟時代的到來，使教育改革的步伐也越來越緊迫，實驗教學改革也是教育改革中非常重要的一部分。為了提高學生學習的主動性和積極性，增強動手能力，有必要將新的計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合理的運用到實驗教學中，對傳統(tǒng)的實驗思維、實驗方法、儀器用具、數(shù)據(jù)處理與誤差分析等方面進行合理的改革，從而培養(yǎng)具有一定探索精神和自己解決問題的學生。這也是虛擬實驗概念應(yīng)運而生的另一個背景。

二、虛擬實驗教學的發(fā)展脈絡(luò)及構(gòu)建虛擬實驗室的相關(guān)技術(shù)原則

虛擬實驗室描述了一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境，致力于構(gòu)筑一個綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境。

虛擬實驗室實質(zhì)上是一個分布式計算機系統(tǒng)，在虛擬儀器中計算機處于核心地位，運用計算機軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)緊密地結(jié)合在一起，形成一種既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器。本研究結(jié)合虛擬實驗教學的現(xiàn)狀以及存在的問題提出基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗教學的設(shè)計思路，并成功的應(yīng)用于實際教學中。

三、用組態(tài)王設(shè)計虛擬實驗室的思路及特點

組態(tài)軟件實際上是一個專為工控開發(fā)的工具軟件。組態(tài)軟件開發(fā)的系統(tǒng)具有與Windows一致的圖形化操作界面，非常便于生產(chǎn)的組織和管理。

組態(tài)王是在PC機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包，它充分利用了Windows圖形功能設(shè)備，界面一致性好，易學易用。它所使用的PC機開發(fā)的系統(tǒng)工程比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，同時還具有功能完備的人機接口界面和面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)環(huán)境，便于高效、快捷地把整個工藝過程構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動畫的形式顯示各個控制設(shè)備的狀態(tài)。

基于校園網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)王虛擬實驗室是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和實訓(xùn)教學設(shè)備的有機結(jié)合，是指在軟、硬件結(jié)合的前提下，用戶通過校園網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬系統(tǒng)，在各種虛擬實驗環(huán)境下，運用各種虛擬實驗儀器、儀表等設(shè)備。它可以最大限度的利用學院有限的硬件資源。學院實訓(xùn)室以組態(tài)王控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，配以小型局域網(wǎng)，通過交換機，采用虛擬儀器和虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)實訓(xùn)了教學設(shè)備的擴展。

虛擬實驗教學的基本特點有：

1.仿真性

實驗環(huán)境、實驗儀器和實驗器件都是通過實驗軟件在計算機里進行仿真，具有高度真實感。學生在計算機上進行實驗操作就如同置身于真實的實驗環(huán)境，對真實的實驗儀器和實驗器件進行操作，并且得到與真實設(shè)備相同的實驗結(jié)果。

2.開放性

由于實驗儀器設(shè)備是基于對真實設(shè)備在計算機內(nèi)的仿真。所以實驗過程不在受實驗場地和時間限制。特別是能將實驗環(huán)境建立在基于局域網(wǎng)的平臺上，任何學生只要在接入校園局域網(wǎng)的任一終端上便能使用虛擬實驗系統(tǒng)。學生可方便地在網(wǎng)上進行任一專業(yè)、 任一課程的實驗學習，并及時獲取與實驗教學及管理有關(guān)的各種信息。有利于實驗教學和設(shè)施利用。

3.靈活性

在虛擬實驗環(huán)境中學生比較容易根據(jù)自己的想法從事創(chuàng)新實驗，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。仿真實驗的引入，讓學生不僅可以充分利用仿真實驗軟件對數(shù)據(jù)采集、儲存、分析、處理傳輸及控制的強大功能，對方案進行論證、 選定和電路的設(shè)計，而且可以隨時改變參數(shù)等來調(diào)整控制回路，使之更好地逼近設(shè)計要求得出較為理想的設(shè)計。

四、虛擬實驗系統(tǒng)平臺的搭建

基于校園網(wǎng)的虛擬實驗室系統(tǒng)的總體目標是設(shè)計實現(xiàn)一個在校園網(wǎng)上的虛擬實驗室環(huán)境，利用校園網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，將所提供的虛擬儀器、實驗項目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上。用戶只需通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，而不需要其它的特殊軟件，就可以登錄到虛擬實驗室的教學服務(wù)器上。教師事先在主頁上列出所有可提供的實驗項目，在相應(yīng)的項目中顯示該實驗的有關(guān)內(nèi)容，并同時提供具體的儀器列表和儀器設(shè)置功能。當學生選擇了某個具體實驗后，首先可利用所提供的實驗內(nèi)容了解實驗過程和實驗?zāi)康囊?，然后開始實驗的具體操作，用戶可以根據(jù)具體實驗的要求來設(shè)置儀器。

學生是網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的最終用戶，每個用戶在系統(tǒng)中都有唯一的ID號，作為其出入虛擬實驗室的通行證，學生可以為自己的ID號設(shè)置密碼，訪問系統(tǒng)的登陸頁面，輸入各自的ID號和密碼，即可成功登陸虛擬實驗室系統(tǒng)，進行遠程實驗的相關(guān)操作。當實驗完成之后，學生可以保存其實驗結(jié)果，并通過網(wǎng)絡(luò)將實驗報告提交給教師。教師作為虛擬實驗室系統(tǒng)的特權(quán)用戶，其主要任務(wù)是管理學生、發(fā)布實驗內(nèi)容、批改學生提交的實驗報告、對實驗報告進行打分和綜合評價并指出其優(yōu)點或不足之處，使學生從評語中對實驗學習有更加深刻的認識。

（一）系統(tǒng)硬件平臺的搭建

虛擬組態(tài)王控制技術(shù)實訓(xùn)室硬件平臺框圖如圖1所示。

虛擬組態(tài)王控制技術(shù)實訓(xùn)室主要有計算機直接數(shù)字實訓(xùn)裝置和仿真實訓(xùn)室組成。

1.直接數(shù)字控制系統(tǒng)實訓(xùn)裝置

直接數(shù)字控制系統(tǒng)實訓(xùn)裝置由現(xiàn)場對象單元、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、控制計算機組成（如圖1）?？刂朴嬎銠C完成控制器的作用，在計算機上安裝一個網(wǎng)卡，可實現(xiàn)與仿真實訓(xùn)室的連接。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)的控制過程：現(xiàn)場的變送器將被測參數(shù)按量程范圍轉(zhuǎn)換成4～20mA的標準電流信號送到模擬量輸入模塊，模擬量輸入模塊將4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換為計算機能接收的數(shù)字信號送到直接數(shù)字控制計算機，計算機進行PID運算后送出數(shù)字控制信號，數(shù)字控制信號經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)能夠接收的4～20mA的模擬信號送出，從而達到控制被測參數(shù)的目的。

2.仿真實訓(xùn)室

仿真實訓(xùn)室實際是一個小型的局域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)至少應(yīng)包含50臺以上的計算機，以保證至少一個班級使用。在各種控制系統(tǒng)的計算機上配備一個網(wǎng)卡，通過仿真實訓(xùn)室網(wǎng)絡(luò)交換機可實現(xiàn)仿真實訓(xùn)室與控制系統(tǒng)的連接。

（二）系統(tǒng)軟件平臺實現(xiàn)功能及搭建

基于校園網(wǎng)的虛擬實驗室需要軟、硬件結(jié)合，最終達到整個真實實驗所有功能的實現(xiàn)，而軟件設(shè)計的難點和重點在于對虛擬實驗室的數(shù)據(jù)庫設(shè)計以及多媒體技術(shù)的使用。虛擬實驗室軟件平臺是整個虛擬實驗室的基礎(chǔ)，它是基于B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的?；谛@網(wǎng)虛擬實驗室有三種人員角色：實驗室管理員、實驗指導(dǎo)老師和學生。他們分別具有不同的權(quán)限。其中學生可以通過虛擬實驗室進行實驗學習、提交實驗報告、提問及查看實驗成績等功能。實驗指導(dǎo)老師可以通過虛擬實驗室進行實驗指導(dǎo)、批改實驗報告、布置實驗內(nèi)容等功能。實驗超級管理員作為實驗室管理人員，具有最高權(quán)限。其主要功能為準備實驗設(shè)備、安排實驗時間和內(nèi)容、發(fā)布實驗內(nèi)容和報告等。

（三）虛擬組態(tài)王控制技術(shù)實訓(xùn)室的基本功能

在組態(tài)王控制技術(shù)實訓(xùn)室中，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和多媒體教學技術(shù)實現(xiàn)以下功能。

1.實現(xiàn)對各種控制系統(tǒng)的組態(tài)和計算機虛擬。當對組態(tài)王控制系統(tǒng)進行組態(tài)時，教師可以利用局域網(wǎng)中的教師機，對學生進行視頻教學，講解組態(tài)王系統(tǒng)的組態(tài)方法和步驟。

2.通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對實訓(xùn)結(jié)果的分析。在傳統(tǒng)教學模式中控制器參數(shù)對控制過程的影響以及控制器的參數(shù)整定等實訓(xùn)內(nèi)容只能在有限的特定的裝置上完成，實訓(xùn)效果差。采用網(wǎng)絡(luò)和虛擬儀器技術(shù)后，在主控計算機上啟動廣播教學軟件，學生可在自己的計算機上觀察分析實訓(xùn)過程曲線，并最后得出結(jié)論。

學院新建的基于校園網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室增強并擴展了實驗教學的功能，為學生提供了一種嶄新的實驗方式。但需在此指出，虛擬實驗只是實驗教學的輔助手段，并不能完全取代實驗的實際操作過程。開展虛擬實驗教學可以起到輔助教師的作用，通過校園網(wǎng)絡(luò)和多種媒體形式的交互式虛擬實驗手段達到形象、生動的實驗教學目的?；谛@網(wǎng)的虛擬實驗室的研究解決了很多實驗條件限制的實驗教學問題，為實驗教學注入了新的活力，讓實驗教學延伸到了一個更廣泛的空間。

參考文獻：

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基金項目：山東科技大學自動化學院名校工程建設(shè)項目：MX-KCJS-6。

山東科技大學研究生教育新計劃項目：KDYC1218。