盛蘇英+周笑語(yǔ)++祡佩佩

摘要： 本文基于南通大學(xué)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套面向開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。系統(tǒng)模擬了一個(gè)突破時(shí)間、空間、區(qū)域限制的交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在校園網(wǎng)內(nèi)可隨時(shí)隨地登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室課堂進(jìn)行同步實(shí)驗(yàn)與互動(dòng)，支持實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享、虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真與同步測(cè)試、實(shí)時(shí)視頻點(diǎn)播與交互討論，提高了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

Abstract： A set of network virtual laboratory system is designed and constructed based on the open experiment teaching practice in Nantong University. The system simulates an interactive experiment teaching and learning environment which breaks through the limitation of time， space and region. Students can log in the network virtual laboratory system， and then carry on simultaneous experiment and interaction with the real laboratory classroom at anytime and anywhere. The designed system supports some functions， such as the sharing of experimental teaching resources， the virtual experiment simulation and synchronization test， real-time video-on-demand and interactive discussion. The quality of virtual experiment teaching is improved to some extent.

關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn)室；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)；視頻點(diǎn)播；虛擬實(shí)驗(yàn)；交互討論

Key words： virtual laboratory；open experiment；video-on-demand；virtual experiment；interactive discussion

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）20-0173-03

0 引言

隨著教育技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限性顯得越來(lái)越為突出，而遠(yuǎn)程教育因其具有遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)交互的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已得到了廣泛應(yīng)用。其中作為遠(yuǎn)程教育核心組成部分的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室引起了人們的極大關(guān)注，其有助于學(xué)校擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)模、降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[1]。那如何科學(xué)、有效地建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，更好為教師和學(xué)生服務(wù)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教育領(lǐng)域與信息化技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本科院校學(xué)生已逐步開(kāi)始利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，同時(shí)本科院校目前正在不斷發(fā)展壯大，多校區(qū)運(yùn)行已經(jīng)是常態(tài)，實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室成為本科院校多校區(qū)實(shí)驗(yàn)課程運(yùn)行的必要的手段。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的面對(duì)面交流，可以保證實(shí)驗(yàn)操作的及時(shí)性，固定的班級(jí)教學(xué)可以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的針對(duì)性，從而也保證了答疑的有效性；而在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式中，由于參與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的人數(shù)增多加之網(wǎng)絡(luò)的距離阻隔，使得虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在操作實(shí)時(shí)性和答疑互動(dòng)性方面存在問(wèn)題，一定程度上制約了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣[2]。

以南通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心為例，雖然之前投入運(yùn)行了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，提供了網(wǎng)上教學(xué)資源共享、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、教學(xué)管理等功能，但由于其缺乏虛擬實(shí)驗(yàn)的功能，學(xué)生必須步入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此從一定程度上制約了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的效果，尤其是隨著啟東新校區(qū)電工電子實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)，電工電子實(shí)驗(yàn)中心對(duì)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的愿望日益迫切。在近兩年啟東新校區(qū)學(xué)生的電工電子實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往會(huì)為了做一次實(shí)驗(yàn)而耗費(fèi)半天的時(shí)間在路上奔波，中心適時(shí)采取兩次實(shí)驗(yàn)集中進(jìn)行的調(diào)整方案，但極易造成實(shí)驗(yàn)太集中而效果不佳的局面。

在此情況下，本文構(gòu)建了一套適用于南通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)讓更多的學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室參與到實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，讓老師更方便地開(kāi)展異地實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并能對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行高效管理，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率，使教與學(xué)起到“事半功倍”的效果。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始?xì)W美國(guó)家就開(kāi)始研究虛擬實(shí)驗(yàn)室[3]，到90年代初期，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始加入了這方面的研究。目前國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究，從虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究技術(shù)上來(lái)分，主要集中在以下幾個(gè)方面：

①基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室——利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景再造，旨在提高場(chǎng)景的真實(shí)性、虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互性以及智能性，創(chuàng)設(shè)出一個(gè)能真實(shí)模擬傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境的虛擬實(shí)驗(yàn)室，提供自然的、多方面的交互方式。浙江大學(xué)的各位學(xué)者在這方面做了大量的工作，實(shí)現(xiàn)了面向遠(yuǎn)程教育的智能虛擬實(shí)驗(yàn)室[4]。

②基于計(jì)算機(jī)支持協(xié)作學(xué)習(xí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室——基于CSCL技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)以協(xié)同實(shí)驗(yàn)PPT瀏覽、在線實(shí)驗(yàn)研討為主的虛擬教學(xué)形式[5]。國(guó)防科技大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)的學(xué)者們通過(guò)CSCL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能夠提高在線學(xué)習(xí)效率和協(xié)作學(xué)習(xí)質(zhì)量，加快協(xié)作學(xué)習(xí)任務(wù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室[6]。

③基于網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室——在現(xiàn)有的視頻會(huì)議系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在普通的實(shí)驗(yàn)室安裝投影、電子白板、麥克風(fēng)、攝像頭等硬件設(shè)備來(lái)共享各種服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7]。

④基于流媒體技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室——基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、多媒體技術(shù)的交互實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，流媒體技術(shù)具有對(duì)視頻音頻數(shù)據(jù)的高壓縮比，能夠在網(wǎng)絡(luò)里穩(wěn)定地進(jìn)行視頻、音頻的傳輸[8]。

目前，西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校把流媒體技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程異步教學(xué)中，但他們只在流媒體技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了文檔上傳、下載以及視頻點(diǎn)播功能，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的虛擬實(shí)驗(yàn)室在線交互功能[9]。

縱觀網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室（特別是基于流媒體的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室）的研究歷程，雖然先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是仍存在諸如以下的問(wèn)題：實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究較少（現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)室大多數(shù)借助于昂貴的硬件設(shè)備，而基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室卻相對(duì)較少）；虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能不夠完善（基于流媒體技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室不具有在線交互功能）；虛擬實(shí)驗(yàn)室缺乏開(kāi)放性；同時(shí)由于互動(dòng)性的缺失，無(wú)法激起學(xué)生的熱情，挫傷學(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的積極性與主動(dòng)性。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文立足于南通大學(xué)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)際情況，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和電氣控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套面向開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。系統(tǒng)模擬了一個(gè)突破時(shí)間、空間、區(qū)域限制的交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在校園網(wǎng)內(nèi)可以隨時(shí)隨地、“隨心所欲”地登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室課堂進(jìn)行同步實(shí)驗(yàn)與互動(dòng)，支持實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的下載、虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真與同步測(cè)試、實(shí)時(shí)視頻點(diǎn)播與交互討論，方便學(xué)生的學(xué)和教師的教。

面向開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，物理拓?fù)淙鐖D1所示，主要包括客戶端、服務(wù)器端和控制器端。

其中，客戶端允許多個(gè)用戶并行登錄網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)；服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)用戶的服務(wù)請(qǐng)求與分析處理，以及與控制端的通信和實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳遞、保存；控制器端主要完成實(shí)驗(yàn)同步測(cè)試與視頻錄制，利用工控機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備、串行口儀器、GPIB接口卡和數(shù)據(jù)采集卡）控制相應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和測(cè)試儀器進(jìn)行某個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭、幕布、投影儀、無(wú)線話筒和中控設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課堂的現(xiàn)場(chǎng)錄制與廣播。

面向開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)模型從功能模塊上劃分為“實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源”、“虛擬實(shí)驗(yàn)室”和“基礎(chǔ)信息管理”三大部分，具體如圖2所示。

①實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源：

提供豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、相關(guān)實(shí)驗(yàn)芯片和部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的視頻，實(shí)驗(yàn)測(cè)試題庫(kù)，以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前，可以通過(guò)觀看視頻（如實(shí)驗(yàn)芯片、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目演示），了解本次實(shí)驗(yàn)用到的芯片、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟，再通過(guò)撰寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告（或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)測(cè)試）對(duì)本次實(shí)驗(yàn)“做什么、怎么做、為什么這么做”三個(gè)問(wèn)題的回答“了然于胸”；學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成后，可以及時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)測(cè)試，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)加深理解。

②虛擬實(shí)驗(yàn)室：

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)、電氣控制技術(shù)和編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了虛擬電路仿真、實(shí)驗(yàn)電路同步測(cè)試、實(shí)時(shí)視頻實(shí)驗(yàn)點(diǎn)播教學(xué)、實(shí)時(shí)視頻實(shí)驗(yàn)廣播教學(xué)、多媒體實(shí)驗(yàn)備課與演示和交互實(shí)驗(yàn)討論等功能。

學(xué)生可以利用EWB、Multisim、Quartus、Labview和Protel等仿真軟件進(jìn)行電路的仿真，并將仿真結(jié)果上傳至系統(tǒng)；學(xué)生可以利用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備、串行口儀器、GPIB接口卡和數(shù)據(jù)采集卡等接口設(shè)備，將仿真電路下載至相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行調(diào)試；學(xué)生也可以通過(guò)工控機(jī)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)K的遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作一樣的效果。

系統(tǒng)支持的視頻點(diǎn)播（Video-On-Demand）和視頻廣播（Video Broadcasting），采用windows Media多媒體技術(shù)，將視頻數(shù)據(jù)壓縮，并利用RTP/UDP協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)集中講解過(guò)程中，利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭、投影儀、幕布和無(wú)線麥克風(fēng)等設(shè)備采集實(shí)驗(yàn)PPT、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)搭試電路，進(jìn)行視頻廣播，讓每一位在線學(xué)生都能如“身臨其境”實(shí)驗(yàn)室般聆聽(tīng)老師的實(shí)驗(yàn)講解；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生如果遇到問(wèn)題，可隨時(shí)視頻點(diǎn)播或查看多媒體備課與演示視頻，跟蹤老師的實(shí)驗(yàn)步驟，及時(shí)排除故障；對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的疑問(wèn)或者難以排除的故障，學(xué)生可尋求“交互實(shí)驗(yàn)討論”，達(dá)到老師“親臨現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)”的效果。

③基礎(chǔ)信息管理：

主要是進(jìn)行學(xué)生、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師以及虛擬實(shí)驗(yàn)室（相關(guān)的工控機(jī)、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、幕布等硬件設(shè)備）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)管理。

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)測(cè)試

學(xué)生可以在學(xué)校任意校區(qū)的任何地方登錄“面向開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)”，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)（視頻觀看、虛擬實(shí)驗(yàn)仿真下載、交互討論等），以及實(shí)驗(yàn)消化鞏固。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)查閱實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，觀看實(shí)驗(yàn)芯片、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目演示的視頻，完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)測(cè)試，及時(shí)、有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇“視頻廣播”子菜單，實(shí)時(shí)觀摩實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的集中講解，相應(yīng)界面如圖3所示，有PPT、實(shí)物接線和實(shí)景講解三個(gè)圖供學(xué)生點(diǎn)擊切換觀看；也可以選擇“視頻點(diǎn)播”子菜單，觀看錄制的實(shí)驗(yàn)集中講解視頻；學(xué)生可以通過(guò)仿真軟件、實(shí)驗(yàn)下載調(diào)試和實(shí)驗(yàn)?zāi)K的遠(yuǎn)程操作三種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，其中第一種方式的界面如圖4所示，學(xué)生選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程→相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊“上傳仿真文件”，將EWB的軟件仿真文件以及仿真結(jié)果上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)保存每個(gè)同學(xué)的仿真文件供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師批閱；學(xué)生間或師生間可實(shí)時(shí)開(kāi)展“交互實(shí)驗(yàn)討論”。

4 小結(jié)

本文構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)為南通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心（乃至全校兄弟實(shí)驗(yàn)中心）提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和學(xué)習(xí)平臺(tái)，一定程度上提高了教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)興趣和學(xué)生實(shí)踐興趣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步提升，形成“良性”發(fā)展。

南通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心的課程主要覆蓋三個(gè)校區(qū)（主校區(qū)、鐘秀校區(qū)、啟東校區(qū)），在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件下，很難有效地達(dá)到幾個(gè)校區(qū)的資源共享與協(xié)同實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的試運(yùn)行，初步實(shí)現(xiàn)了三個(gè)校區(qū)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同步開(kāi)展，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室空間、時(shí)間和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放，方便了師生共享優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。

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