（计算机应用技术专业论文）远程虚拟仿真实验平台设计和构建的研究.pdf

一 塑垩查堂塑：i = 兰笪鎏墨一 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ”h h w _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一一 r5 s t 8 s s 摘要 隧菪闲络授零静笈偻，程代远程教育已缀成为教学中越采越重要的组成都 分。但是在远程教育中，学生和教学机构在地理上处在不同的位置，这使得一些 实验穰媾再到实验室去暹嚣了。灏诧寻我一静霹以逶逑淄络遘行远程实羧筠系统 变得十分迫切。 本文在深入粒分撰了溪有远程盛攘实验系绕( i v 己砖) 在设计秘实瑰主鹭後 缺点后，认为从技术可实现性、系统性能和经济上考虑，基于远程仿真的和f l a s h 技术熬遂程虚拟实验系绞拘建技术是零争易推，“、易实瑷趣，列嚣雩效率鞍裹，实 验效果较好的远程虚拟实验系缆解决方案。针对这种远程虚拟实验的解决方案， 以及在嶷现中鲍种弛阃题，本文对它们避罩亍了深入的分板昶鳃决。透过对整个蜜 验结构和技术蜜现上的分析，设计了实验的体系结构和系统的课程设置，并对具 体的模块如客户端朋醴务器间的网络通讯、实验元器件的面向对缘封装、s p i c e 仿 真器静二避箭重南等、用户认谣等进行了具体的分析设计。同时针对系统实现过 程中的技术难点，本文深入介绍了i v l a b 远程虚拟实验系统在实现上的技术难 点，雹穗f l a s h 客户蕊帮鞭务器鲍通讯、x m l 的瓣轿帮生成、多餍户并发服务 器的构建、数据库的统访问等。在这个基础上，本文最后用个系统实例说明 了i v l a b 远程纛荨薹 实验系统懿实麓环凌和实瑷方法，懿发系统的使用方式。 ，蓑纛睁阚意 塑垩奎兰婴主兰垡丝兰 一一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , d i s t a n c el e a r n i n g i s p l a y i n ga n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei ne d u c a t i o n h o w e v e r ，d i f f e r e n t l o c a t i o n so fs t u d e n t sa n d u n i v e r s i t i e sm a k ei td i f f i c u l tf o rs t u d e n t st od oe x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r i e s t h e r e f o r e i t sv e r yu r g e n tt of i n daw a yt oe n a b l es t u d e n t si nd i s t a n c el e a r n i n gp r o g r a m st od o t h e i re x p e r i m e n t st h r o u g hi n t e m e t i n t r a n e t t h i s p a p e ra n a l y s e s t h e a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t o fs o m ee x i s t i n gi n t e m e tv i r t u a ll a b o r a t o r y ( i v l a b ) s y s t e m sw ef i n dt h a t i ti se f f i c i e n t e c o n o m i c a l ，m a dr e a l i z a b l et ob u i l dt h ei v l a bs y s t e mw i t ht h ef l a s h t e c h n i q u e b a s e do n t h ea n a l y s i so f t h ei v l a b s y s t e ma n d i t si m p l e m e n t i n g t e c h n i q u e w ed e s i g n e dt h es t r u c t u r eo ft h ei v l a bs y s t e ma n dt h ec o u r s es e t t i n g t h e nw e d e s i g n e ds u c hd e t a i l e dm o d u l e sa st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ef l a s hc l i e n ta n d t h es e r v e r ，p a r s i n ga n dc o n s t r u c t i n go fx m l ，b u i l d i n go fam u l t i u s e rs e r v e r , a n d d a t a b a s ea c c e s s f i n a l l yw eo f f e rac a s eo fa ni v l a bs y s t e ma n das i m p l em a n u a lo f t h i ss y s t e m 2 塑坚查耋篓主兰垡燕苎 一一 第一章综述 1 1 远程教育的发展现状和项目应用背景 进入数字化、信息化时代的2 l 世纪以来，科学技术迅猛技展，知识经济初 见端倪，社会避步目掰月异。因此人们对教育的嚣求也目益增加。一方嚣，需癸 有更多的青年人能够接受高等教育，以提高自已的知识水平，适应社会的竞争。 另一方颟，对社会的每个成员更存在黄一个继续教裔和终身学习的共同要求， 以便能够跟上时代发展酌步伐，提高自己的竞争能力。国家教商部制定的“面向 2 l 世纪教育振兴行动计划”中明确将实施现代远程教育工程作为科教兴国的煎 要战臻步骤。 现代远程教育则是建立在计算机、网络、卫星、多媒体等信息技术基础上的 新墼教骞模式。i n t e m e t 静营及搓广应粥摄夫麓搓裹了久船的遴倍效率，西两为 远程教育带来了一个新的发展黧机。基于i n t e r n e t 的远程教育，或者称为网络远 程教育，就是戮邃袁垒球故、凝巽上最大魏计冀貔网终i n t e m e t 为基磷，教嚣逶 过网络将教学信息传递给学生，学生通过联网的计算机接收信息进行学习，在学 习靛过程中，还可以通过网络与教爆帮疑学进孬各静形式熬交浚。 目前我国教育信息化的基础设施的建设己初具规模，中国激育科研网1 9 9 4 年_ 丌始建设，线赡采黑光纤和卫星掘结合，馕网络载性畿徐格比较毫。髓誊“2 l l ” 项目基础设施、现代远程教育工程和“面向2 l 世纪教育行动计划”等工程的建 设，目前已建成主干带宽2 5 g ，支线带宽1 5 5 m ，省级节点3 8 个，连接1 6 0 多 个城市，接入8 9 5 个单位( 主要怒高等学校、部分中小学校和科研单位) ，上网人 数达6 0 0 多万。问时中阁教育卫星系统的改造也已完成，使之成为能播送几十套 数字节瓣静多功能平台，目前醴有三卡多套数字教育节茸上星广播。 教育部从1 9 9 9 年开始到目前已批准了4 5 所大学进行远程教育的试点，到 2 0 0 t 年3 男底稿步统诗，这些学校已深入赘3 1 个省、市、鸯治区，开设了5 1 个专业、就读学生2 0 万、估计2 0 0 1 年底达到4 0 万。教育部还批准成立了3 0 令软俘学茨，专门凑蒡麓息伍建 殳豹较俘天才。萋磷设撅静建设，推动了应用戆 开展，推动了教育资源的建设。目前己建成哲学、经济、农学、法学、教育学、 文学、历史学、理学、王学、医学、警瑷学等髻辩数撬r - g1 8 0 多个，2 1 1 学科镶 像点1 4 0 多个，圈外主要大学镜像点1 0 0 多个，开发和建设了公共服务体系中国 高等教商文献保雄系统。 l j 在醋外，美豳是目前远程教育规模攮大的国家。6 0 的高等学校向全社会提 供各类远程教育，接受远程高等教育的学生约占全耳割在校生学生豹3 2 。此乡 ， 浙江夫学硕士学位论立 还畜2 1 嵩校诗剜在令磊3 年内开曩远程教奁。学历攀位教吝怒美国赢校远程教 育的主要形式。在今厝的几年拦，美国将有7 5 的大学将提供网络教育，5 8 0 0 万名学生涛接受翅络教弯，逶过翻终遴行学习静天数歪戳每年3 0 0 黪速度溪 长。德国有将j 艟一万所学校上网，其中的1 4 开设了网络教育课程。美国政府把 普及网络远程教育圣# 为保证英阉人才壤莠紧跟世界濑漉豹战略瞧举接。在印度， 远程教育己成为印度信息技术行业第二大经济增长点，2 0 0 0 年印度远程教育的 产值达到6 亿美元。据预测，到2 0 0 4 年，印度邋程教育躺产值将达到2 l 亿美元。 韩国的教育网站目前已达到了2 0 0 多个，而且仍在班每天一至两个的速度增加。 据韩圜教育开发院预测，到2 0 0 2 年远程教育将达到5 兆韩元的规模，是现在的 近1 0 0 倍。 就全球范围来看，到2 0 0 0 年为止，世界上已经有1 0 0 多个国家开展了现代 远程教窍，全夔界有8 5 戆大学在弼上稍有自激静蕊菇，萁中麓1 4 掇出了丽络 教育课程。全球大学联盟( g u a ) 估计，亚洲互联网的远程教育市场近期可可 达到6 9 亿至1 0 0 亿美元懿趣骥。1 2 】 可见，随着信息技术的不断飞跃，网络远程教育的舰模在迅速扩大，优势也 在不龄媳完善，装发最躺最终熬势垮会爨翔莓羹每令人瓣纛要，其 暴l 鎏计楚、谦 程内容也将会更加个体化。然而，人们的观念一直是远程教育发展的难点。远穰 教育不可能排斥势取代璇在的学校教寄，它们是秘互孙兹关系。校园提供互动 性的学习环境，而远程教育则使人们能拥有更多的信息，更灵活的学习方式。f 3 ， 实验是教学活动中一个必不可少的过程，很多学习科目都题以实验课程为基 础的，尤其是对于一些实践性较强的学科，例如物理、化学、电子电路等等，实 验对予培养学誊的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的，学生的大部分 实践能力都是通过实验得到的。如果缺少实验动手的机会，课程的教学效果将大 抒季厅扫。然蔼，在远程教育中，出予教学橇构与学生在空闻上的分离，使得学生 无法到学校实验室做具体的实验，这已缀成为了制约远稷教育质量的一个重要因 素e 毽裁在远程教学攘式中特尉濡要建立衣应矮基于网络静虚孩实验系统。近年 来，随祷图形图像技术、仿真技术、网络技术和虚拟仪器技术等的飞速发展，通 过网络爨援建寝熬实验象已经成为可熬，瓣上实验已菠为远程教攀繇竞懿重要方 磁。实践证明，一个好的虚拟实验系统( 尤其是基于w e b 的远程实验系统) 是 人们抉速、廉份地获取各静知识黩技能熬重要方法。i 6 7 】 1 。2 远程虚拟实验发展的现状靼分类 远穰虚拟实验是指在i n t e r n e t 上采用远程控制技术、虚拟现实技术、计算规 6 浙江大学硕士学位论文 仿真技术等实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各 种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取 得的效果。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。 根据在远程虚拟实验中的实验操作对象的区别，虚拟实验系统可以分成远程 控制实验和远程仿真实验两类。以下将分别介绍这两种系统的特点和优缺点，以 及国内外目前的发展情况。 1 2 1 远程控制实验 远程控制实验是指那些让用户远程操作真实的实验设备的方式进行的虚拟 实验。如果要实现这类实验，教学中心的实验室中需要装备能通过网络进行远程 遥控操作的实验设备，并将这些设备在网络上开放以允许用户对它们进行操作。 通过对这些设备的遥控操作，用户可以改变某些实验装置的配置，获取需要实验 数据，最终可以真正地完成一个实验并从中获得充分的实践知识。由于远程控制 实验要求用户能通过网络上的远程遥控完成整个实验，因此它使用的实验设备必 须要能够接受计算机控制和参数配置。因此，这种远程控制实验往往应用在电子、 计算机等课程的实验。 目前，远程控制实验在国外已经获得较广泛的应用。美国麻省理工大学与微 软研究院合作进行的i c a m p u s 计划的一个项目i l a b | _ 8 1 就是一个基于w e b 的远程 实验室。其中的一个项目m i c r o e l e c t r o n i c ew e b l a b ( h t t p ：w w w m t l m i t e d u a l a m o w e b l a b i n d e x h t m l ) 用于进行微电子学和电路设计 课程的实验教学。w e b l a b 允许学生在自己的计算机上设计并修改电路模型，然 后通过一个w e b 接口使用在远程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据， 验证自己的设计。在c o m p a q 公司的设计中心也安装了这套系统，学生可以远程 地进行实时测量并下载数据，从而可以接触最尖端的硬件设计技术。客户端通过 j a v a a p p l e t s 与一台n t 服务器建立连接，服务器通过g p i b 总线访问和控制一台 半导体参数测试仪h p 4 1 5 5 b ，这样学生就可以远程访问这台仪器并进行各种实 验。另一个项目热交换机( h t t p ：h e a t e x m i t e d “) 允许学生通过w e b 控制一台热交 换机的参数和运行状态，从而可以辅助学生进行熟交换理论的学习。萨格勒布大 学的g o r a n 等人也设计了一套远程虚拟实验室【9 】，所不同的是该实验室采用c a n 总线实现对物理实验设各的控制。 加拿大的q u a n s e rc o n s u l t i n g 公司研制的w e b l a b 系统d o 在w e b 上通过远程 控制的方式进行直升机模型的控制实验。实验的控制对象是一个直升机模型，实 验者在异地通过网络来调整控制参数，实现对模型的控制。为了以可视化的方式 浙江大学硕士学位论文 观察系统的动态相应，w 曲l a b 系统使用v r m l 语言描述的三维模型来根据实际 系统传递的数据动画演示仿真实验场景，使用户能清晰准确地掌握实验情况。 新加坡国立大学( n u s ) 的虚拟实验室【1 1 - 1 4 l 允许用户通过i n t e m e t 进行远程实 验，使得用户可以按照自己的安排在任何时间和任何地方进行实验，而需要很少 的空间和人力来维护，也可以实现昂贵的实验设备的共享。虚拟实验室的服务器 端普遍使用l a b v i e w 虚拟仪器软件实现对实验设备的控制，服务器与实验设备 之间通过r s 2 3 2 接口或i e e e 4 8 8 2g p i b 总线进行连接。为了能让用户直观地观 察到实验现象，虚拟实验室采用视频会议技术向用户反馈视频和音频信息，用户 也可以控制摄像头的缩放和视角来获取满意的观察位置。在客户端使用支持j a v a 的w e b 浏览器作为统一的用户界面，其中嵌入的j a v aa p p l e t s 可以显示各个虚拟 仪器的面板和数据，并通过i n t e m e t 与服务器进行通信以传递用户的控制数据和 实验结果。到目前为止，这个实验室已经实现了电路、通信和控制领域的五个虚 拟实验。自从虚拟实验室在n u s 开放以来，已经进行了上千次的实验，取得了 良好的教学效果。卡内基梅隆大学的虚拟实验室| 1 ”、意大利的p o l i t e c n i c od i m i l a n o 大学l l6 j 也使用类似的方案实现远程控制实验。 加拿大蒙特利而的l i c e f 研究中心的h hs a l i a h 等人设计的了一套通用的 远程交互式虚拟电子工程实验系统【1 7 ，1 8 , ”】。这个系统同样使用g p i b 总线连接各 个被控制的实验设备，用l a b v i e w 设计和控制虚拟仪器，并且用视频会议系统 向用户反馈实验的结果。但是，它与前面提到的几个系统的区别在于它提出了一 种通用实验的概念，也就是说，在所有硬件设备不变的情况下，通过软件组件的 重新整合，实现对实验资源的充分利用。例如，作者设计了一个r v l a b x 软件平 台，在此平台上用户可以自行设计虚拟实验的图形用户界面并上载到服务器上供 其它用户调用。这样，即使在不同的地方，学生、老师、技术人员、管理人员都 可以共享他们的经验和资源。 美国的t e n n e s s e ea tc h a t t a n o o g a 大学的j i mh e n r y 设计的网上工程实验室【2 0 j 提供了一系列远程控制实验，如压力控制、液面控制、温度控制、速度控制实验 等。这个远程实验系统是由一台w e b 服务器和五台客户机构成的。每台客户机 上都运行用l a b v i e w 编写的软件，并与一套实际的实验设备相连。当用户通过 i n t e r n e t 访问w e b 服务器时，首先需要选择控制参数，然后w e b 服务器把这些参 数写入文件传送给相应的客户机。客户机收到这些参数后，通过数据采集卡来控 制相连的实验设备完成实验，并把实验数据传回给w e b 服务器。服务器根据这 些数据生成实验结果图返回给用户。国内的北方交通大学电工电子教学基地也研 制了一套类似的远程电子电路实验教学系统w e b l a b t 2 ”。 瑞士的洛桑联邦技术学院( e p f l ) 的自动化实验室也使用远程控制方式实现 了一些自动控制实验，例如随动系统实验、直升机模型实验、倒立摆实验等 2 2 ，2 3 1 。 浙江大学硕士学位论文 学生在客户端上通过网络进行自动控制实验，包括设置参数、控制系统的启停等， 这些控制命令被传送到服务器，并由服务器去控制物理设备。实验结果通过视频 反馈的形式传递给学生，客户端还会根据实验数据给视频图像加上一些标记，使 得学生能更容易地进行观察。在客户端软件的选择上，该实验室对l a b v i e w 、 j a v a 应用程序和j a v a a p p l e t s 三种实现方式在跨平台、性能、发布、安全性、开 发难度和重用性等方面进行了比较【24 1 ，认为j a v a a p p l e t s 在跨平台和安全性方面 具有优势，而对于高性能要求的实验可以使用l a b v l e w 进行开发。 文献 2 5 探讨了真实实验和远程控制实验在教学效果上的差异。实验内容是 离散控制实验，利用p e t r i 网设计控制过程来控制p l c 完成过程控制实验。学生 们被分成两组，一组进行本地实验，另一组在网上通过实验室提供的设计软件进 行远程实验。通过完成实验后对学生进行的问卷调查，论文认为远程实验能被几 乎所有的学生接受，并且可以更令学生满意。 由于远程控制实验允许用户通过网络对实际的实验设备进行控制并获取实 验结果，因此它具备以下几个优势： 1 不受时间和地点的约束。使用远程控制实验，可以使用户在任何时间，任何 地点通过网络进行实验，因此更有利于学生合理地安排自己的学习计划。 2 获得真实的实验感受。远程控制实验是对真实的实验设备的操作控制，因此 用户能充分地体验真实的实验感受。尤其是当使用视频会议技术或网上摄像 机进行多媒体的信息反馈时，这种实验感觉更加清晰直观。 3 可以充分利用实验室资源。由于远程控制实验允许学生灵活地安排学习计 划，因此可以充分发挥已有的实验设备的效用，并且可以实现在不同的实验 室、学校之间的设备共享。同时，由于减少了实验设备的购置，实验室的维 护费用和工作量也大大降低。 然而，远程控制实验所具有的特点也在很大程度上限制了它的应用。主要原 因有： 1 使用学科领域面窄。远程控制实验的本质在于通过联网的计算机对实验设备 进行电子控s o ( e l e c t r i cc o n t r 0 1 ) 。这就使得这种实验类型只能适用于电子电 路、计算机、控制等学科的部分实验。 2 实现成本仍然较高。由于远程控制实验使用的实验设备都应该是能接受电子 控制的设备，如数字示波器、频谱分析仪等，因此这些实验设备都价值不菲， 维护成本也相应提高。 3 只能单用户操作。在进行远程控制实验时，一般情况下只能有一个用户对实 验设备进行远程操作，其他用户最多只能作为个旁观者，否则会导致控制 上的冲突。 从以上分析可以看出，远程控制实验在具有许多突出优点的同时也存在一些 浙江大学硕士学位论文 严格的限制，因此它的适用范围比较有限。 1 2 2 远程仿真实验 远程仿真实验是随着i n t e m e t 技术和多媒体技术的飞速发展而兴起的一种远 程实验技术。进行这种实验时，用户只需要使用本地的电脑，通过网络连接到服 务器，从服务器下载需要的实验数据和软件模块就可以在本地机上进行实验。实 验中使用计算机仿真技术对实验的过程和内部原理进行仿真模拟，通过网络给用 户提供了可视化的实验界面，用户通过鼠标、键盘等交互设备与仿真实验环境进 行交互来完成实验。睇刨 目前，国内外许多大学和研究所都已经开始研制和提供远程仿真实验。例如， 北京大学计算机系设计的基于w w w 的网上虚拟实验室3 w n v l a b 就是一种支 持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架f 2 “。它是一个基于浏览 器和w e b 服务器的虚拟实验室，在该系统中，用户平台采用j a 、，a 编写，用户 可通过界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过i n t e m e t 传送到服务器端。 服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将可信的实 验结果返回客户端。客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计，从而对自己 的能力进行判断。利用该系统，已经初步实现了c a c h e 设计与流水线设计两个 实验。北京邮电大学远程教育学院( w w w b u p t 0 1 c o r n o n ) 的网络课程中就包括了虚 拟物理实验、虚拟电子电路实验等。这些实验是用f l a s h 和h t m l 等技术建设的， 因此可以在网络上传播。北京师范大学现代教育技术研究所研制的e v l a b 系统 6 是一个基于虚拟空间的三维电子线路实验环境。通过e v l a b 系统，学生可以掌握 电子线路实验中常见的仪器操作方法，并对基本实验电路有更加深入的理解。在 实现e v l a b 系统的过程中，采用了q t v r 和v r m l 相结合的作法，通过结合 v r m l 较强的用户交互功能和q t v r 实景建模的功能，可以构建真实感很强的、 具有良好交互性的虚拟实验室。 美国的j o h nc w a l l e r 和n a t a l i ef o s t e r 用屏幕拷贝监视器显示的方法设计了 一个虚拟的气相色谱质谱仪( g c m s ) 28 1 。学生可以在w e b 上使用这个虚拟仪器， 从而可以较快地掌握这种复杂仪器的使用方法，而真实的仪器则能被用来进行更 有价值的实验和获取数据。 澳大利亚r m i t 大学的j o h nb a l l 和k a t ep a t r i c k 设计的虚拟实验用于进行热 传递过程的教学 2 ，可以帮助学生快速地掌握这个抽象的概念。这个虚拟实验 采用传统的预测一观察- 解释的教学方法，一方面可以让学生以实验的方式来描述 和测试他们自己对热传递的期望，另一方面也可以让老师更清楚地了解到学生面 临的困难。这个虚拟实验使用了多种人机交互手段，为学生提供了一个易于使用 塑坚奎篓塑主兰堡燕苎 熬实验学习环壤。 美国c l a r k s o n 大学的r c d o r f 和j a s v o b o d a 用j a v a a p p l e t s 设计的基本电 爨教学漾程e l e c 毂n i et e a c h i n g a s s i s t a n t i 3 1 1 让学生透过臻奏豹方法进行魄潞设谤， 调整了电路参数就可以立即验证实验结果。这个实验课程有助于帮助学生进行旗 零电路愿理的学习。类似骢仿囊实验逐有美国r i c e 大学的s a d o d d s 设计的难 拟示波器实验f 3 2 】，它可以帮助学生初步掌握示波器的使用方法和注意事项e 此外，由凝固e a s tc a r o l i n a 太学、g r e e n v i l l e 大学灏n o r t hc a r o l i n a 大学共 同创建的v r e l ( v i r t u a lr e a l i t ya n de d u c a t i o nl a b o r a t o r y ) 实验窳、由h o u s t o n 大 学和n a s a j o h n s o n 航天中心联合建立的v e t i 。( v i r t u a le n v i r o n m e n tt e c h n o l o g y l 曲o r 甜o r 订实验室等许多研究梳构也都在致力予远程虚拟实验鹃研究工作。 远程仿真实验是一种单纯使用计算机仿真方法进行的实验，对提高远程教学 承平其有寝大懿程逶俸溺，箕优势突澎装现在下面尼方瑟：t z t 1 不受传统谢授、统一教学模式的限制，能为学生提供更深、更广的实验教学 蠹昝。 2 在传统的迸程网络教学中，常常因为实验设备、场地、经费等方面的原因， 巍该开设麴毫年多教学实验燹弦逡纷，毒瑗远程爨囊实验援零，可以瓣决这方 面的问题，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得接近真实实验的体 会。 3 避免真实实验或搡作所带求的各种危险。 4 彻底打破空间、时间的艰制。学生毕业后仍毙通过计算枫网络现固、更毅翻 掇高知识、技能，从而可实现对离校学生的继续教育和终搿教育。 下袭是远程控制实验和远程仿真实验的比较 比较颁目远程控制实验远程仿凑实验 需要使用的硬件设备较多较少 i 对共宰实验的支持较好葑 i 实验的真实感好较好 l 焉户交互匏支簿静较簿 实验教学效果好较好 系统维护工裕萋较大较小 可以应用的学科较少较多 表1 1 远程靛制实验与远程仿真实验的眈较 哞。3 问题的搓出和本文的主要工作 本文是蕺拣爨家8 6 3 矮霹“蠲络蠹撼实验”霹吾震开熬。奉文秘主要饪务是逐 浙江大学硕士学位论文 过对现有远程虚拟实验系统实现方法的比较，通过实践找到一种有效的远程虚拟 实验平台的解决方案，主要是要求对电路实验( 模拟电路、数字电路) 找到一种有 效可行的解决方案。并为此建立一个可实用的电子线路远程虚拟实验示范系统。 其中的关键性问题包括远程虚拟实验( i v l a b ) 系统模型的建立，远程虚拟实验 系统体系结构的确立，远程虚拟实验系统服务器的建立，远程虚拟实验客户端的 设计开发，服务器和客户端的通讯和安全性问题，虚拟实验的交互性研究等。 本文所做的工作主要有： 1 根据远程虚拟实验的应用特点和在实际中的使用情况，设计了该系统的服务 器和客户机的体系结构。作为一个完整的实用的远程虚拟实验系统，其体系 结构很大程度上决定了它的性能和应用范围，以及是否易于发布和维护。 2 远程虚拟实验系统的服务器端是整个实验系统能否稳定运行，仿真能否快速 有效，以及能否适应复杂网络环境下运行的关键。本文对如何构建一个多用 户并发的、反应速度良好的远程虚拟实验服务器进行了大量工作。 3 本文是采用在电路仿真程序s p i c e 之上进行可执行代码层次上的二次开发来 实现对电路的实时仿真的。如何将s p i c e 纳入我们的整个系统并很好的利用 是一个关键。我们使用面相对象的方法对电路数据进行封装，很好的解决了 和s p i c e 程序的接口问题。 4 根据远程虚拟实验系统的使用环境和使用对象，合理的选择了系统客户端的 实现方法。 5 对于一个网络虚拟实验系统来说，如何解决服务器端和客户端的通讯是一个 关键问题。本文采用了x m l 技术对通讯协议进行了封装，在服务器端编写了 自己的x m l 解析程序，从x m l 直接生成了电路对象。对实验的结果，也用x m l 进行了封装。有效的解决了信息的传递问题。 6 由于虚拟实验是一个一个分别开发的，为了使系统有模块划分和便于维护， 在开发过程中我们采用了x m l 封装和模块化设计的思路，使重复开发降到最 低，提高了开发的效率。 第二章系统的设计 2 1 系统的设计目标 作为一种在远程教育中起到重要作用的实验教学辅助手段，我们对i v l a b 远程虚拟实验系统有一些基本的要求，这也是我们系统的设计目标。 1 w e b 发布和网络通讯的支持 浙江大学硕士学位论文 作为一个远程虚拟实验系统，支持网络功能是其最基本的要求。在远程教学 中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开 设的教学实验无法进行。i v l a b 系统支持网络的特性使得用户做实验的时候不再 受到地域的限制。只要有能上网的计算机和一个浏览器，用户就可以通过网络连 接到服务器进行实验。使用w e b 浏览器作为统一的人机界面，可以使用户不通 过学习就能熟练使用实验客户端，快速地掌握实验系统的使用方法，缩短用户熟 悉实验操作的时间。 支持网络传输给i v l a b 系统带来的另外一个好处是用户还可以随时将实验 的成果保存到服务器上，下次即使是在不同的计算机上也可以载入上一次的结果 继续实验。 2 良好的交互性能 作为一个远程虚拟实验系统，由于没有教师在一旁的指导，因此需要i v l a b 系统具有良好的可操作性。在实验过程中，用户能够对实验环境中的虚拟实验设 备进行操作来完成各个实验步骤。在实验进行过程中，用户可以利用的鼠标、键 盘等输入设备，对实验的器材进行选取和参数设最，并且系统对用户的操作要有 实时的响应，在学生完成实验后实验结果要能准确快速的显示，而且用户可以实 时调节一些器材的参数，并通过一些设备如示波器等观察实验的状况，从而很好 的融入实验并最终完成实验。 3 充分的仿真能力 由于i v l a b 系统是一种不用实际实验设备而完全用计算机对实验进行仿真 的网上虚拟实验系统。它根据真实实验的内在原理，在知识库中保存了实验的规 则和各种仪器器材的参数的数学模型。在实验进行过程中，根据这些模型和规则， 将实验仪器各种参数经过封装后传入服务器端的仿真器进行仿真，仿真的结构被 传回客户端按照真实实验的要求进行显示。因此，用户通过虚拟实验，可以基本 掌握实验的内涵，并对实验的操作过程有一个很好的练习。并且网上虚拟实验能 够允许学生自己去尝试课堂上由于经济或安全原因而不允许进行的实验方法，并 给出实际的结果，从而培养学生创造性的思维方式。 4 尽可能体现实验的真实性 在i v l a b 系统中，虚拟实验系统不会给所有的用户一个千篇一律的实验结 果。因为在真实的实验中，由于设备参数的差异、仪器灵敏度和使用上的差异会 导致实验结果的随机性。因此在我们的i v l a b 系统中，用户不同的实验操作顺序 , n 3 v n 的用户所构建的实验电路参数都会有随机的偏差。例如，在电路实验中的 电阻阻值即使是同一标称也会有细微的偏差，以符合真实电阻的情况。这样不同 的用户进行实验的结果就是不确定的。这种不确定性可以让实验显得更真实，而 不仅仅是一个演示实验。 浙江犬学硕士学位论文 5 完善的实验帮助手段 用户在使用i v l a b 系统的进行实验时，必然会碰到很多的问题，并且由于是 远程实验，教师可能并不在身边，无法直接询问。因此，远程虚拟实验系统有必 要给用户提供充分有效的帮助信息，来引导用户顺利完成实验。这些问题，有些 是跟用户所进行的实验有关的，例如对实验内容的不理解，或者是缺乏相关知识 等。还有些问题则是由实验的虚拟性所引起的，如对i v l a b 系统不熟悉，或是由 于初次接触虚拟实验技术，使用户的正常思维受到了一定的影响。i v l a b 系统应 该通过多种方式给用户提供实验帮助信息。这些帮助信息，包括对用户所进行的 虚拟实验的内容、操作步骤、实验相关知识等，还有与i v l a b 系统本身有关的操 作帮助信息。良好的帮助系统对用户顺利完成实验，掌握重要的知识具有非常重 要的作用。 2 2i v l a b 系统总体设计方案 2 2 1 远程虚拟实验室实现技术的选择 远程网络虚拟实验室的构建方法有多种，各有有缺点，选取何种实现方式 要根据目标的不同来确定。在现有的技术中，有三种技术被较多的用于构建网络 虚拟实验室，它们是以v r m l 为代表的虚拟现实技术、a c t i v e x 技术和f l a s h 技 术： 1 基于v r m l 虚拟现实技术的远程仿真实验 虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技 术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备， 或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，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。目前多用于建筑c a d 设计、军事模拟与民用培训、科学研究和计算的可视 化、娱乐业及医学。在教学领域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，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角 色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将 起到积极的作用【3 5 蚓。 v r m l 即虚拟现实建模语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) ，于1 9 9 4 年提出，1 9 9 6 年发布了v r m l 2 。v r m l 具有相对简单易用性、完善的外部接口、 真正的三维效果等特点。 v r m l 技术适宜构建虚拟实验中的所谓“硬件”部分，在实验数据处理方面 尚有不足，需要与其他编程语言结合才能完成数据的处理。而且基于v r m l 虚 1 4 浙江大学硕士学位论文 拟现实的远程虚拟实验在制作上较为复杂，门槛较高；而且客户端需要有大量专 业的设备( 如头盔、触觉手套等) 进行辅助操作，一般用户很少有这类专用设备， 附加成本较高；并且运行v r m l 对客户端计算机的性能要求很高，否则效果就 会很差。这几点制约了它的发展，不利于大面积的推广普及。 2 基于a c t i v e x 技术的远程仿真实验 a c t i v e x 技术是m i c r o s o f t 为适应网络发展的需要而将o l e 技术再i n t e m e t 上的重定义，a e t i v e x 技术是通过构建a c t i v e x 控件进行应用的，而a c f i v e x 控 件是基于c o m 和d c o m 模型的通用组件。可以利用v b ，v c + + ，d e l 【p h i 等任 何一种支持c o m 规范的开发工具来进行a c t i v e x 控件的开发。虚拟实验实际上 就是根据一定数学模型关系而建立的专业a c t i v e x 控件，其开发过程与传统应用 软件开发过程相似，所以生成的自定义a c t i v e x 组件功能强大。 利用a c t i v e x 技术建立的虚拟实验室( a c t i v e x 组件) 需要编译成网络发行 文件包，并进行数字签名，通过镶嵌在网页中运行。在客户端第一次运行时，需 要在注册表中进行注册，给不熟悉的用户带来了不便。并且a e t i v e x 控件只能运 行于基于m i c r o s o f t w i n d o w s 的操作系统，移植性和通用性比较差。而且a e t i v e x 的安全性一直存在问题。 3 基于交互式f l a s h 技术的远程仿真实验 f l a s h 作为一种矢量多媒体技术是为创作网络交互式动画所开发的，由于其 采用了矢量图形技术，所生成的动画体积很小，可直接在网络上运行。f l a s h 现 在已经成为制作高压缩、基于矢量的网络内容的行业标准，据统计有9 8 3 的网 站用户使用m a c r o m e d i af l a s hp l a y e r ，也就是说全球有超过四亿一千四百万的网 络用户通过m a c r o m e d i af l a s hp l a y e r 无缝观看用m a c r o m e d i af l a s h 制作的内容 ”“。随着f l a s h 新版本( f l a s hm x 和f l a s h p l a y e r6 ，0 ) 的发布，f l a s h 的应用领 域得到了极大的扩展，使用f l a s h 设计的内容可以在任意浏览器、系统平台和 支持m a c r o m e d i af l a s hp l a y e r 的设备上使用。它是可以在i n t e m e t 上分发的最广 泛的丰富客户机技术。m a c r o m e d i a 公司正在和广大的硬件制造商、操作系统开 发商和浏览器提供商协作，确保其m a c r o m e d i a f l a s h p l a y e r 可以跨越主流桌面系 统和设备平台。 其f l a s hm x 版本中的脚本语言( a c t i o n s c 邱t ) 功能强大，具备一般高级语 言的特性，最新的f l a s h m x 2 0 0 4 版完全支持面向对象技术，通过对它的编程可 开发出具有很强功能的交互式网络动画。这就意味着，当特定的事件发生时动作 控制着对象，这种特性特别适合交互式虚拟实验室的建立。而且自从f 1 a s hm x 之后，a c t i o n s c r i p t 提供了叫做x m l s o c k e t 的组件，它支持将x m l 对象通过 s o c k e t 发送出去，并可以从服务器接收数据，这为客户端直接与服务器通讯提供 了条件，也为实时的仿真提供了可能。 浙江大学硕士学位论文 该技术用于网络远程虚拟实验室的开发具有开发速度快，界面美观视觉冲击 效果强，体积小。不需要安装，可直接在浏览器中进行操作，图形可无极放大不 失真等特点。 在f l a s h 中通过场景变换可设计不同界面，通过电影片断的调用、隐藏可显 示不同过程。f l a s h 动画支持物体拖动操作可用于虚拟实验室中物体的移动，如 电路布线时电线的移动、仪器的移动等。对于实验的结果也可以用动画的方式显 示，比如在示波器上用画曲线的方式显示电路中某点的波形等。因此用f l a s h 制 作的虚拟实验交互性非常强。 下表是三种远程虚拟实验构建方式的性能对比 比较项目v r m l 技术a c t i v e x 技术f l a s h 技术 功能中等强中等 交互性强强较强 界面美观性 强中等强 客户端要求软硬件要求高 r m d o w s 平台 无特殊要求 开发难度同一般一般 i图形特性实时生成 位图矢量图 l观看方式v r 播放器需安装直接播放 制作方式v r 编程c o m 编程十图形图形设计+ 脚本语言 实现效果三维交互二维交互二二维交互 【软件大小小人小 在我们构建远程虚拟实验时，主要是根据以下几点来选择所用的虚拟实验实 现方式的： 1 较低的系统资源要求 i v l a b 作为一个教育辅助系统，需要能够广泛地推广使用，因此系统对软硬 件要求要尽可能的低。基于v r m l 的虚拟现实技术虽然虚拟效果比较好，但是 对系统的要求太高，当前最好的p c 才勉强跑起来；设备也比较昂贵，很难大量 购置。 2 强大的用户交互能力 i v l a b 作为一个网上虚拟实验系统，一个最基本的要求就是有良好的可操作 性。v r m l 和a c t i v e x 在交互性上可谓不相上下，f l a s h 在这点上稍差，但通过 编程其交互性足够适应大多数实验的要求。 3 强大的平台适应性 对于远程虚拟实验来说，用户分布在广大的区域，可能使用不同的操作系统， 不同的浏览器。所以系统客户端要能够具有跨平台的特性。在三种技术中，f l a s h 浙江大学硕士学位论文 具有完全的平台无关性，在浏览器当中就能播放；a c t i v e x 只能在微软的w i n d o w s 平台上才能使用；v r m l 则要安装不同的播放器才能实现跨平台。可见f l a s h 是 实现跨平台的远程虚拟实验系统的理想选择。 4 网络性能优异 作为一个网络虚拟实验系统，服务器端和客户端需要进行大量的通讯以完成 仿真实验。在三种技术中，v r m l 技术本身不具有网络功能，必须借助于其他 语言( 如j a v a ) 实现网络功能；a c t i v e x 技术通过d c o m 进行网络通讯，效率 十分好；f l a s h 技术的a c t i o n s c r i p t 脚本语言中的x m l s o c k e t 具有进行s o c k e t 通 讯的能力。 5 与其它编程语言的接口 一个软件系统如果具有良好的和其他编程语言的接口，则可以极大的扩展系 统的功能，降低系统实现工作的难度。三种技术中，v r m l 技术拥有和j a v a 或 j a v a s c n p t 等之间的接口。a c t i v e x 技术则可以和所有支持微软c o m 技术的语言 进行交互，比如v c ，v b ，d e l p h i 等。f l a s h 技术可以很容易的和j a v a s c r i p t 之类 的客户端脚本进行交互，并且具有x m l s o c k e t ，可以通过s o c k e t 通讯和任何支 持s o c k e t 的语言进行通讯。可见在和其他编程语言的接口上这三种技术各有特 点。 6 技术的可实施性 一项技术的是否容易实施对于一个软件的开发至关重要，一种使用广泛、在 实施过程中容易获得帮助的技术，对项目的成功具有极大的帮助。v r m l 技术 由于门槛较高，其普及程度远远不及a c t i v e x 技术和f l a s h 技术。a c t i v e x 技术 是微软主推的一种网络组件技术，可以很