（电力电子与电力传动专业论文）网络虚拟实验室的构建技术研究及系统设计.pdf

湖北_ t - 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n tt e a c h i n gh a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nh i g he d u c a t i o n i t sa k e ym e a s u r et oi m p r o v et h es t u d e n t s a b i l i t yo fc r e a t i v i t y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fm o d e me d u c a t i o n ，d i s t a n c ee d u c a t i o nt h r o u g hn e t w o r kh a sb e e nd e v e l o p e da n d p o p u l a r i z e dr a p i d l y , i nw h i c he x p e r i m e n t a le d u c a t i o ni saw e a kp o i n t s o ，a ni m p o r t a n t t a s kf a c e du sa n dn e e d e dt os o l v e ；g e n t l yi st oc o n s t r u c tan e wm o d eo fv i r t u a l l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n ti nt h ei n t e r n e t ，w h i c h i su n t r a d i t i o n a la n dn o tl i m i t e dt ot h e r e g i o na n dt i m e a sa ne s s e n t i a la n db e n e f i c i a ls u p p l e m e n tt ot h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n t v i r t u a l e x p e r i m e n t sn o to n l ys a v ea1 0 to fe d u c a t i o nf u n d s ，b u ta l s oe x t e n dt h ee x p e r i m e n t si n t i m ea n ds p a c ee f f e c t i v e l y n i st h e s i sd i s c u s s e st h er a t i o n a l e t e c h n o l o g i c a lr o u t ea n da p p l i c a t i o nd e s i g ni n t h ec o n s t r u c t i o no fw e b - b a s e dv i r t u a ll a b o r a t o r y ( v l ) h a s ，e m p h a t i c a l l y , i n t r o d u c e d i m p l e m e n t a t i o no f ”t h ew 曲一b a s e dv i r t u a ll a b o r a t o r yf o r e l e c t r i ce x p e r i m e n t ”i n d e t a i l f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o np o i n t so u tt h ev l f sb a s i cc o n c e p t i o na n dp r i n c i p l e m a i n f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv l g i v e st h et e a c h i n gm o d e la n dc o m p o n e n t so fv i r t u a l e x p e r i m e n t sf r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h e o r ya s p e c t t h ea d v a n t a g e s o fv la r e m e n t i o n e d f r o mt e c h n o l o g ya n dm e t h o d a s p e c t ，t h i s t e x td i s c u s s e st h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i n gm e t h o d sa n dr e a l i z i n gt e c h n o l o g i e st od e v e l o p m e n tt h ev l s ，a n dg i v e st h e i r c o m p a r i s o n s t h e np r e s e n t sam e t h o df o rv lb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t t h ev l ， f r a m ei sd e s i g n e dw i t hah a r d w a r ep l a t f o r mo fu s b 一6 0 0 8d a qc a r dp l u st e s tc i r c u i t r y a n das o f t w a r e d e v e l o p i n g t o o lo fl a b v i e w s e v e r a lv i r t u a l e x p e r i m e n t sa r e i m p l e m e n t e d i nn e te x p e r i m e n t s ，w ec o n n e c ti n s t r u m e n t sw i t hc o m p u t e r s ，a n do nt h ec l i e n t c o m p u t e r s w es i m u l a t et h ei n s t m m e n t s s u r f a c ea n do p e r a t i o nw i t ht h eh e l po fs o f t w a r e a no p e r a t o ru s e sam o u s et oc o n t r o lt h ed i s t a n c ei n s t r u m e n t s t h e nh ec a no b s e r v ea n d r e c o r d st h et e s tr e s u l t s i ts h o w so fc o n v e n i e n tu s a g ea n de a s yv i r t u eo ft h ew 曲b r o w s e rb o u n di nw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m b yu s i n gt h es c h e m e t h ee f f i c i e n c yo fd e v e l o p i n gt h ev lc a nb e i m p r o v e dm a r k e d l y k e y w o r d s ：v i r t u a ll a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te l e c t r i ce x p e r i m e n t i l 佩嘉童工案火萼 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互酋纠日期：妒 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：王聋纠 u 日期：矽辞月日 指导教师签名： 日期：谢年 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章引言 随着通信手段的同益先进与互联网络的r 趋普及，网络教学作为一种现代化 的教学手段，越来越多地被高等院校和大专院所采用。网络教学作为远程教育的 一种形式，充分依托了计算机技术发展的成就，相比传统的广播电视教学而言， 具有信息双向传递，交互性、可操作性强等优点，并且无论是图、文、声、动画 等多媒体信息还是数据存取、加工和处理等，均实现了数字化，这是广播电视教 学所无法比拟的。 网络教育发展的关键是提高学习资源质量，包括教学内容和教学课件的制作 与开发、虚拟实验室的建立等。而学习者如何通过网络进行实验则是一个比较困 难的问题i l j 。而实验教学环节是理工类课程教学的一个重要组成部分，是教学活动 中一个必不可少的实践环节。实验教学可以加深学生对所学理论知识的理解，增 强学习的兴趣，锻炼学生的实践动手能力，在实践中发现问题、分析问题和解决 问题的能力。在大力倡导素质教育的今天，实验教学环节对于培养学生的综合素 质和实践技能是至关重要的。因此，开发网络虚拟实验室，“实现远程的虚拟及硬 件实验”已经成为一些大专院校发展网络教学、开展实验教学改革的一项重要内 容。 另外，近年来随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模扩大方针实施 以来，学生规模急剧膨胀也使普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。学生人 数成倍的增加，造成实验室设备和规模难以满足需要。而且实验室原有硬件设备 有的已经老化，有的在技术上己经落后，在实验经费紧缺的情况下，学校财力难 以承受大量购置常规仪器仪表的沉重负担。同时由于基础实验室是面向所有的工 科专业，教学任务异常繁重，实验室的条件常常只能按教学大纲的要求安排学生 做一些简单的验证性实验，学生很少有机会去反复熟悉仪器仪表的使用，更少有 机会去做设计性实验。这对鼓励学习积极性，培养创新精神和实践动手能力都十 分不利。 开发研制网络虚拟实验室也可以缓解实验仪器设备不足等问题的压力，对加 强实验教学，提升实验教学对学生创新能力和实践能力的培养，同时降低实验教 学对客观物质条件的依赖都有积极的促进作用。 湖北工业大学硕士学位论文 基于网络的虚拟实验作为一种新型的实验类型，具有比传统实验更为灵活多 样的表现形式，在提高学生素质，促进实验教学技术手段创新发展等方面将发挥 重要的作用，必将有力地推动教学内容与教学方法的深刻变革，是实验教学技术 的发展方向。 1 2 国内外的虚拟实验室研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 从1 9 8 9 年虚拟试验室概念的提出至今已有1 7 年的时间，虚拟实验室以其诱 人的应用前景吸引了各国大批专家学者的注意力，目前已经取得很大的成果。 虚拟实验室的研究，国际始于2 0 世纪8 0 年代末。麻省理工学院的w e b l a b 是 一个在线实验室，于1 9 8 8 年开发并投入使用；9 0 年代，美国政府投入巨大财力在 海洋学、天体物理学、分子生物学以及核科学四大领域建造了各自的虚拟实验室 作为示范工程，丌展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。同时在各国各大 高校也在进行虚拟实验室的研究。代表性的成果有： ( 1 ) v s l ( v is u a ls y s t e m sl a b o r a t o r y ) 虚拟系统实验室 始建于1 9 8 9 年，由c e n t r a lf l o r i d a 大学教育训练研究院建立，其目标旨在 提高计算机图形的艺术表现力以及改进仿真过程中的人机接口设计。目前，该实 验室正在丌展多项与虚拟实验相关的支撑技术研究，如虚拟实验环境中的网络及 并行计算技术、复杂实验环境的实时物理仿真技术、低价图形仿真技术等：己取 得了大量的研究成果，如设计并开发了第一例实时动态虚拟环境、第一例 v r 3 d c a d 虚拟设计系统等。 ( 2 ) l a a p h y s i c s ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s ) 物理实验室”1 该项目获得美国教育部资金资助，由美国北卡罗来那大学g r e e n s b o r o 分校研 制。项目的目标是在网上建立一个开放的、自由的物理课程实验室，并提出了“随 时随地学习物理”的口号。系统通过j a v aa p p l e t 模拟各种实验设备( 测量设备与 被测对象) ；能虚拟教师和虚拟学习伙伴进行交流( 教师进行指导、问答、评判， 学习伙伴讨论，并能够给出意见) ；具有聊天室和b b s ( 与授课教师、同班同学交流) 以及评分系统( 通过数据库对学生操作的记录讲行评判) 。系统可运行在w i n d o w s ( x p 2 0 0 0 ) 或m a c i n t o s ho s x 平台。 ( 3 ) m o d e ls c i e n c e 的m o d e lc h e m l a b 实验室” m o d e lc h e m a b 是面向大学和中学普通化学的虚拟实验室。1 9 9 4 年就推出了第 一版，现在( c h e m l a bv 2 3f o rw i n d o w s ，c h e m l a bv3 0 3f o rm a co s x ) 己经发 湖北工业大学硕士学位论文 展的比较成熟完善，影响很大。可以进行多种实验的模拟，诸如，酸碱滴定、沉 淀、反应动力学、比重测量等等。用户可以自己编订实验，并且通过m o d e ls c i e n c e 的网站进行评价发布。 ( 4 ) e 1 e e t r o n i ct e a c h i n ga s s i s t a n t 实验室。“ 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 aa p p l e t s 设计的基本 电路教学课程e l e c t r o n i ct e a c h i n ga s s i s t a n t 让学生通过仿真的方法进行电路 设计，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 进行基本电路原理的学习。 ( 5 ) v e t l ( 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 yl a b o r a t o r y ) 实验室“1 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。该实验室主要致力于虚 拟现实技术在教育、训练、科学和工程数据可视化领域的研究和开发工作，目前 已经取得了多项研究成果，主要有：1 ) 开发了一组功能强大的软件工具，非专业 程序设计人员即可利用这些工具来创建多感知的、连接到特定硬件上的三维环境； 2 ) 开发了多个虚拟现实宇航培训系统和对分散在各地的军事人员进行培训的系 统；3 ) 研究虚拟现实技术在科学教育领域的应用，该项研究的最终目标是确定虚 拟现实教育系统的设计原则。目前，该实验室的主要目标是创建一个具有高度交 互性的智能虚拟环境。 ( 6 ) 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 ) 实验室”1 v r e l 实验室始建于1 9 9 2 年，由美国e a s tc a r o l i n a 大学、g r e e n v i l l e 大学和 n o r t hc a r o l i n a 大学共同创建。v r e l 倡导把虚拟现实技术应用于教育和训练领域， 主要目标有：1 ) 确定适合于教育和训练领域的虚拟现实应用；2 ) 在世界范围内收 集虚拟现实技术在教育领域的应用信息；3 ) 考察虚拟现实技术对教育和训练的影 响；4 ) 尽可能广泛地发布信息。 ( 7 ) b i o i n t e r a e t i v e 系列软件”1 b i o i n t e r a c t i v e 是由h o w a r dh u g h e s 医学院( i n m i ) 开发的用于生物学课程的 虚拟实验系统。用户界面非常吸引人，采用场景切换的方式进行实验，有完整的 辅助学习体系，基于m a c r o m e d i as h o c k w a v e 技术开发。 此外，还有美国卡内基梅隆大学的i r y d i u m 化学实验室8 1 ，麻省理工学院 ( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 同微软公司合作推出i - - l a b 项目， 新加坡国立大学( t h en a t i o n a lu n i v e r s i t yo fs i n g a p o r e ) 先后实现了频率调 制、示波器、直升机仿真、机器人足球等六个网络虚拟实验，英国牛滓大学的化 学vl 9 】，德国r u h r 大学网络虚拟实验室，意大利的n e p t u n ec o u s o r t i u m 计划等 v l 的研究，国外v l 的发展较快，技术成熟，值得我们借鉴。 湖北3 - 业大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 与国外相比，国内在虚拟实验丌发方面也有了一些进展。从目前可查到的信息 看，国内清华大学、北京大学、上海交通大学、华中科技大学、海军航空工程学 院等高校己陆续设立了自己的网络虚拟实验室。有些虚拟实验室已经在学校内部 的实验教学中丌始使用，并取得了一定的成绩和经验。但是虚拟实验室的开发和 应用还有很多方面有待于迸步研究。 ( 1 ) 北京大学计算机系设计的基于w w w 的网上虚拟实验室3w n v l a b ”0 1 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。系统采用j a v 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 r n e t 传送到服务器 端，服务器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。 该系统己经初步实现了c a c h e 设计与流水线设计两个实验。 ( 2 ) 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o “，是一个基于虚 拟空问的三维电子线路实验环境。通过该系统，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。系统采用了q t v r 和v r m l 相结合的方法构建。 ( 3 ) 中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套 虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”“。该软件将计算机技术、虚拟现 实技术与物理实验教学有机结合，使物理实验教学进入一个全新领域。 ( 4 ) 华中科技大学机械学院建立了一个工程测试网上虚拟实验室“4 3 ，实现了 测试技术课程网上仿真实验，学生可以通过联网计算机终端来进行仿真实验。系 统采用j a v a 技术与虚拟仪器技术结合开发。 ( 5 ) 华中科技大学计算材料科学与测量模拟中心( c c m s ) 与美国国家仪器公 司共建的“中美v i 联合实验室”1 。“v l 联合实验室”为电子科学与技术系提供 本系专业实验平台，并面向全校开放。己获得财政部教育部“跨学科分布式网络 合作实验教学互动基地建设项目”支持，共同组建跨学科、跨院系、跨时空、跨 平台网络虚拟实验室，构建面向全校开放式分布式网络合作实验教学互动基地。 ( 6 ) 海军航空工程学院青岛分院研制的“微机接口网上虚拟实验室”“，系 统基于a c t i v e x 技术，采用v x d 编程构建了一个虚拟微机接口实验室，使学生可 以做微机接口电路的各种实验。 1 2 3 虚拟实验室的发展趋势 虚拟实验室的发展趋势主要有以下三个“6 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 虚拟现实技术与仿真技术的有机融合。引入虚拟现实技术和使用数字化仿 真工具，使操作者与虚拟仿真环境有着全面的感官接触与交融，使操作者有身临 其境之感，用户使用虚拟原型交互仿真界面对虚拟原型进行操作，达到最好的沉 浸感以及实验效果。 ( 2 ) 提高虚拟实验室的“自适应性”。“自适应实验”即指能修f 自己的特征 以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者 提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。其基本特征是能从环境中获 取信息，并能自动改善其性能。 ( 3 ) 增加协作性。科学实验是一种协作性的活动，与同伴合作的协作精神是实 验过程中一个至关重要的因素，因此基于协作虚拟原型的协同设计方法将成为协 同设计实现的一种重要思路。 1 3 本文主要内容和研究意义 1 3 1 研究内容 本文共分为六个章节，第1 章对国内外虚拟实验室的研究状况作了回顾，同 时介绍了网络实验室的开发背景和意义。第2 章从理论层面讨论了虚拟实验室的 基本概念，构建的理论依据，功能定位和基本原则，虚拟实验的教学模型，并分 析了网络虚拟实验室的主要特点及其优势。第3 章介绍了网络虚拟实验室的5 种 构建技术，并对它们进行了比较，指出了采用虚拟仪器技术和l a b v i e w 软件开发 的优势和特点。第4 章对基于虚拟仪器技术的网络虚拟实验室的开发环境作了简 单说明。第5 章介绍了的网络虚拟实验室的总体结构，包括硬件部分结构，以及 软件部分设计，其中重点介绍了虚拟实验的开发。第6 章是结论及发展展望。 1 3 2 研究意义 计算机科学、微电子和网络技术的发展，以及网络功能的不断扩充和完善， 使得计算机、网络与仪器的结合变得十分紧密，为实现真正意义上的硬件资源共 享提供了技术支持。基于此类技术产生的远程虚拟实验室系统以其资源共享性、 互动操作性、安全性等优点，在智能化程度、处理能力、性价比、可操作性等方 面都具有明显的优势。 从实际意义上来说，在高等工程教育中采用虚拟实验室，可以从根本上实验与 实习经费严重短缺问题，以及迅速膨胀的学生规模与实验基础设施和实验开出规 湖北工业大学硕士学位论文 模滞后发展的严重比例失调问题。同时，利用虚拟仪器技术与计算机网络相结合 还可以实现对仪器设备的远程、分布式控制，在教育、科研等领域中具有广阔的 发展空间和应用前景，是实验教学的一个新的发展方向。通过计算机网络实现教 育资源共享，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。 网络虚拟实验室的远程教育模式能够灵活地给用户提供不同的实验教学内 容，排除传统实验时问、空间的限制，用户还可以根据实际情况确定学习内容和 安排学习进展，从而可以最大限度的满足用户的不同需要。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章网络虚拟实验室的理论研究 2 1 虚拟实验室的定义 1 9 8 9 年美国弗吉尼亚大学的w i 儿i a mw u l f 教授提出了虚拟实验室( v i r t u a l l a b o r a t o r y ，简称v l ) 的概念，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境，也 称为合作实验室( c o l l a b o r a t i r el a b o r a t o r y ) 。v 【致力于构筑一个综合不同工具 和技术的电子化、网络化科学研究集成环境，以供科学家们有效地利用地理上分 柿的各种资源( 数据、信息、没备、人力) 从事科研活动“1 。 联合国教科文组织( u n e s c o ) 采用己被广泛接受的虚拟实验室( v i r t u a l l a b o r a t o r y ) 的定义是：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布 式信息通讯技术产生并发布结果的电子工作室( v l sa r ee l e c t r o n i cw o r k s p a c e s f o rd i s t a n c ec 0 1 a b o r a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o ni nr e s e a r c ho ro t h e r c r e a t i v ea c t i v jt y ，t og e n e r a t ea n dd e l i v e rr e s u l t s u s i n g d i s t r i b u t e d i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ) 1 。 本文涉及的“虚拟实验”是指利用计算机技术与互联网技术，把一系列软件 和硬件有机结合起来，从而实现对真实实验操作和实验结果的计算机模拟。 2 2 虚拟实验室构建的理论依据 2 2 1 建构主义理论对虚拟实验的指导 建构主义理论认为，学习者要完成对所学知识的意义建构，即达到对该知识 所反映事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间联系的深刻理解，最好的办 法是让学习者到现实世界的真实环境中去感受、去体验，即通过直接经验来学习， 而不是仅仅聆听别人( 教师) 关于这种经验的介绍和讲解”。 建构主义理论强调了与新知识相关的“真实环境”的重要作用。由于教学实 验是现实情境的模拟和再现，因而在教学过程中，实验教学应承担起构建学习者 学习过程“真实环境”的重任。因此，实验教学不仅仅是理论课教学的补充和附 属，而且是引导学生进入理论学习、帮助学生完成对新知识意义建构的基础。然 而，完全意义上的“真实环境”很难在教学中提供，可以采用虚拟实验室来弥补 这个不足。 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 2 建构主义理论对虚拟实验教学的启发 建构主义的观点对虚拟实验教学有重要的理论指导意义： ( 1 ) 相信学生的创造能力和探索精神。 建构主义者认为，学生是具有创造能力的主体，在学习过程中要充分尊重学 生。在传统实验教学中，学生往往处于被动的客体地位，而虚拟实验可以为学生 提供自主选择的机会，学生不仅变成了实验的真正主体，而且更具有创造性和协 作能力。在实验过程中，相信学生在一定程度上有能力去主动完成实验，揭示实 验本质，发现并创造出知识，培养学生的创新精神和实践能力。 ( 2 ) 给学生提供充足的学习资源 基于网络的远程虚拟实验给学生提供了丰富的i n t e r n e t 资源及丌放的实验环 境，获得实验操作及实验方法的训练。在实验的过程中，有利于学生发展理性的、 批判的思想方法，体验学者研究的苦衷与愉悦，从而培养发现、探究的能力。 ( 3 ) 体现分层教学的特点 在实验项目选择、实验内容扩展上虚拟实验更能体现分层次、可自主延伸、 开放式的特点，以利于对学生创新能力的培养。 2 3 网络虚拟实验室的功能定位和基本原则 2 3 1 功畿定位 网络虚拟实验室究竟应该如何定位昵? 关键是认识和处理好“虚拟实验室”和“真实实验室”( r e a ll a b o r a t o r y ， 简称r l ) 或者“传统实验室”( t r a d i t i o n a ll a b o r a t o r y ) 之间的关系。前者是后者 的一种补充、完善和扩展，后者是前者的基础，是硬件条件的支撑。两者互有优 势，互为促进，相辅相成。“虚拟实验室”不能完全代替“真实实验室”，无论虚 拟环境如何逼真，操作过程如何一致，实验的体验总有差别。但是，“虚拟实验室” 因其实现手段和保障方式上的不同，它可以实现“实物实验室”难于做到或难于 保障的实验项目和功能。因此，“虚拟实验室”不应该被看作是“实物实验室”的 替代品或竞争者，而是对于后者的扩展，而且在可承受的成本范围内提供了完全 依赖“实物实验室”不能实现的功能。“2 。 2 3 2 建构主义理论指导下的虚拟实验教学组织的基本原则 虚拟实验室实质就是数字化的仿真技术以及测量技术在实验教学中的应用， 湖北工业大学硕士学位论文 是个实验教学系统，是以每个实验内容为核心建立起来的仿真实验及其仿真的 实现。在建构主义理论的指导下，应着重考虑如何利用虚拟实验为学生创设“真 实的”学习情境。因此，网络虚拟实验室建设应坚持以下j l 个原则： f 1 、开放性和交互性 建构主义理论强调以学生为中心，认为学生是认知的主体，是知识意义的主 动建构者。丌放实验条件，可以构造自主学习环境，为学生的意义建构提供帮助。 虚拟实验的开放性表现为两个方面：一是资源开放。网络虚拟实验室储存了 大量的实验模式、各种虚拟实验仪器仪表、各种实验器件或构件、各种虚拟实验 环境、各种实时仿真软件包等，实验者可根据自己的实验需要自由地选择使用。 二是网络虚拟实验室是一个开放的实验平台。实验者也可根据自己的实验需要， 自行构建实验环境、实验模块、实验仪器等，随意地增加网络虚拟实验室的各种 “库”，使得网络虚拟实验室是动态的，具有可持续发展性，从而使网络虚拟实验 室具有良好的灵活性。 虚拟实验教学提供开放式的实验教学外，还必须提供交互式的、反馈及时的 教学。交互的灵活性和多样性是评价虚拟实验室的重要指标。虚拟实验是仿真技 术、多媒体技术、虚拟现实技术等计算机技术的有机组合应用，特别是多媒体计 算机具有图文并茂、丰富多彩的人机交互方式，可以使得虚拟实验具有良好的交 互性。网上交流和答疑也是一种交互手段，学生可以在网上交流学习经验、实验 方法以及发布实验方案等，也可以在固定时间与授课教师或专家进行咨询及答疑。 ( 2 ) 1 程化与智能化 网络虚拟实验室是实践性教学环节的重要组成部分，因此，虚拟实验必须强 化实验环境、实验方法、实验步骤的工程化，逐步培养学生具有强烈的工程意识。 同时，网上虚拟实验的仿真过程要具有实时性，与用真实实验设备进行实验一样， 体现实验过程的工程化。 智能化网络虚拟实验具有自组织、自修复、自学习、自寻优、自规划、自搜 索、咨询、记忆、联想与推理等功能，也具有较强的容错性、可扩充性和自适应 能力。 ( 3 ) 探索性与综合性 布鲁纳的“发现学习”原理强调调动学生学习的主动性，主张让学生通过“发 现法”来掌握学科的基本结构，探索式进行学习，由此培养学生学习和探究的态 度、推理和预测的习惯、独立解决问题的能力。基于此，可以建立探索实验环境， 让学生主动参与实验教学过程，自己去设计实验，自行观察、分析和总结实验现 象，发现实验结果，培养探索与成功的喜悦感。 9 湖北工业大学硕士学位论文 网络虚拟实验室的综合化包含实验内容的综合化和实验功能的综合化，不仅 能满足实验大纲所要求的实验需要，而且能对实验结果进行自动记录与评判，指 导学生对实验的纠f 方法；不仅能进行实验教学，而且能对实验的数量、质量等 进行记录与评估，对虚拟实验室实施管理。 2 3 3 虚拟实验开发的基本要求 虚拟实验应该为学生提供一个系统的完整的实验条件和环境，因此，虚拟实 验应符合以下五点基本要点： ( 1 ) 按照实验教学内容的要求，为学习者提供逼真的界面友好的实验环境。 ( 2 1 在逼真的实验环境下，按有关实验要求，能对所要用到的仪器、相关的器 材任意使用、操作。 ( 3 ) 依据具体实验内容中的理论模型，或建立与教学内容相适应的实验教学模 型，采用计算机建模与仿真技术，实施整个过程的实时仿真。 ( 4 ) 能对实验中产生的各种数据进行实时的记录、分析，然后自动产生实验报 告，并提供完善的实验报告管理功能。 ( 5 ) 具有围绕实验教学环节所需要的其他辅助功能，如实验指导体系( 实验目 的、要求、原理、内容、步骤等的讲解) 、以及实验仪器、设备使用的在线帮助、 网上答疑讨论、评价测试体系等。 2 4 网络虚拟实验室的实验教学模式 2 4 1 传统实验教学模式 传统实验教学的基本模式是单向的实验教学模式，如图2 - 1 所示。 传统实验教学有利于组织课堂教学，教师易发现问题，及时纠正和解决问题； 重视演绎推理，强调理论对实践的指导作用，强化常规训练。 但是其不足在于：实验环节以教师为主，学生按部就班，处于被动学习的地位， 往往是老师讲，学生做，得到数据就完事：没有调动学生学习的主动性，不利于 学生思维能力的培养。 同时传统实验教学模式受到实验室硬件条件的制约，在开放时间方面也受到 限制，学生自主性差，容易对实验失去兴趣，达不到实验教学效果。 1 0 湖北z - 业大学硕士学位论文 教 师 学 生 2 4 2 虚拟实验教学模式 图2 一l 传统的实验教学模式 在虚拟实验教学环境下，上述的不足已基本得到解决，学习者的学习行为由学 习者个人来决定，具体如图2 2 所示。从图中可以看出，学习者可以自主选择实验 项目，并将自己对实验项目的意见反馈给教师，在整个实验学习过程中可以在虚 拟实验平台上进行学习、讨论，而且整个实验学习过程是循环可逆的，学习者可 以重新再学习，直到达到自己满意的学习结果。反过来，教师也可以通过学生的 反馈不断改进和完善虚拟实验系统，甚至可以鼓励学生自己学习虚拟实验的开发 工具，自己设计虚拟实验，极大地激发学生的求知欲和创新精神。 教 师 学 生 2 4 3 虚拟实验构成要素 图2 - 2 虚拟实验的教学模式 虚拟实验设计建立在真实实验过程以及实验教学的基本规律之上，由实验界 面、实验情景、实验模拟与仿真、结果评价等部分组成。 2 4 3 1 实验界面 在虚拟实验室中，实验项目必须通过用户界面显示，实验者必须通过用户界 面与虚拟实验系统进行交互作用。因此，构建界面友好、操作便捷、逼近物理原 湖北工业大学硕士学位论文 鼍! ! 曼鼍曼詈詈詈詈詈篁ii i 詈詈曼鼍皇鼍! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! 詈皇鼍! ! 詈! 詈詈! ! ! ! ! ! ! ! 型的人机界面是虚拟实验室要解决的首要问题。通过虚拟实验的界面既要使实验 者感觉到处于解决实际问题的情境中，又要体会到发现实验问题和寻求解决实际 问题方案过程的成就感。虚拟实验室的“真实性”可以丰富实验者在虚拟情境中 的真实体验，使实验者有“身临其境”的感受。 2 4 3 2 实验情景 知识依赖于具体情境，脱离具体情境的抽象的知识对学生来说是没有吸引力 的。虚拟实验室应根据实验者的具体情况显示实验目的与要求、实验原理等信息， 设置实验内容和实验对象。 2 4 3 3 实验模拟与仿真 在虚拟实验的模拟与仿真阶段，实验者通过观察实验现象、分析实验结果、 处理实验数据、体会实验过程，并根据反馈信息调整实验策略、澄清实验问题、 检验实验者的假设和实验方案，这将有助于提高学生对实验过程的反应能力以及 对因果关系的敏感性。 2 4 3 4 结果评价 通过虚拟实验，实验者可以分析实验的进程，总结自己对实验的感受，以判 断自己对理论的掌握和分析解决问题能力的提高。同时，把虚拟实验情境与真实 实验环境相比较，把虚拟实验和实际应用相联系，使得实验者可以把在虚拟情境 中掌握的解决问题的方法运用于实际环境之中，培养解决实际问题的能力。 2 5 网络虚拟实验室的主要特点及其优势 2 5 1 主要特点 网络虚拟实验室以现代教育思想为依据，以现代教育技术手段为支撑，以计 算机实时仿真为核心，在教学实践中表现出以下四个特点： ( 1 ) 自主性 虚拟实验与传统实验有一个共同的要求，即都是按照实验教学计划的实验大 纲进行的。但虚拟实验与传统实验相比，有一个明显的区别，虚拟实验项目的实 验框架是不固定的，实验者可以依据实验大纲，根据自己的需要，利用虚拟实验 室的实验模型库，自由组合实验框架，自行设计实验步骤和实验方法，表现出实 验者对实验的高度自主性，同时，实验者可以利用虚拟实验室所具有的丰富的辅 助功能，对实验仪器仪表、常规实验方法与步骤等进行自主学习、自主练习，同 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 样也表现出实验者对实验的高度自主性。 ( 2 ) 共享性 网络虚拟实验拓宽了教学实验的时空观，传统的教学实验一般因实验室的空 问、实验仪器的数量、实验指导教师的人数等的限制，实验只能分组进行，因而 学生实际用于实验的时问是有限的，接触实验设备和仪器的机会是很少的，从而 使得实验的使用效率很高，但学生受训效果很差，教学效果也不理想，但网络虚 拟实验室是建立在网络上的，本身不受场地的限制。同时，出于在虚拟实验室中 将实现“软件即仪器”、“软件即元器件”，虚拟仪器和虚拟元器件在网络上将得到 最大限度地共享。 ( 3 ) 高效性 虚拟实验方法省去了大量的基于实物实验的简单劳动，实验者可以在实验研 究本身多花精力。网络虚拟实验室具有良好的在线帮助和学习功能，从而可以帮 助使用者迅速掌握实验研究本身和达到实验研究的具体目标和要求，大大提高学 习和研究的效率。经过虚拟实验的先期训练，使学生的实验目的性、操作的熟练 性等有了很大的提高，再进入传统的实验室时的效率将大大提高。虚拟实验在不 同地域、不同终端上可同时进行，拓宽了实验室的空间，增加受训人员的实验有 效时数，也提高了实验效率。 ( 4 ) 协同性 协同性是虚拟实验室适应网络教育与创新教育发展所呈现出的一个新特点， 协同实验室成为近年来虚拟实验室的发展方向。协同虚拟实验室就是在w e b 中创 建出一个可视化的共享虚拟实验环境，其中每一个可视化的虚拟对象代表一种实 验对象。协同虚拟实验室通过对每个实验课程所提供的教学资源进行科学有效的 组合设计，实现网上实验教学和协同实验的目的。 2 5 2 优势 基于网络的虚拟实验作为一种新型的实验类型，在提高学生素质，促进实验 教学技术手段创新发展等方面将发挥重要的作用。具体而言，网络虚拟实验主要 具有以下优点： 第一，突破传统实验对时空的限制。传统实验教学模式是近距离性的，而网 络虚拟实验教学能够突破时空限制。无论是学生还是教师，都可以自由地、随时 随地上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验。 第二，实现实验组数无限扩展和实验的“零”维护保障。上网的计算机无须 添加其他硬件设备和作专门的维护工作，就可以通过网络虚拟实验教学系统任意 湖北工业大学硕士学位论文 选择实验项目进行实验操作，为实验保障和实验开展提供较大的方便。 第三，实现实验教学的一体化。网络虚拟实验室除了能进行“实验”外，在 教学上还能够同时满足以下教学环节的需求：实验预习环节、教师讲授环节、实 验数据检验与分析环节、实验报告环节、教学考核与教学评价环节、实验中的相 互交流与讨论等等。整个实验教学的过程均可在网上实现和完成。 第四，易于开设新型实验项目。丌设反映新技术新成果的发展应用以及其他 新型实验是网络虚拟实验室又一重要应用形式，这种类型实验由于内容新颖、应 用性较强，实验室往往无法及时丌出。通过网络虚拟实验，可将相应的网络资源 进行组合，丌发相应的实验内容，甚至包括一些障碍性、破坏性、综合性和研究 性的实验。 湖北3 - 业大学硕士学位论文 第3 章网络虚拟实验室的构建技术 3 1 构建网络虚拟实验室的技术方案 目前虚拟实验室的系统没计方案从实现技术的角度可分为两大类：一类是软 件结合硬件的方式，以虚拟仪器技术为代表；另一类是纯软件方式，以v r m l 技术、 j a v a 技术等为代表。二者在客户端采用的技术基本是相同的，最大不同的是前者 在服务器端加入了真实的硬件设备来完成仿真过程，而前者则采用软件模拟的方 式来完成仿真过程，在功能上是等效的。 3 1 1 基于v r m l 技术 v r m l ( 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 ，虚拟现实建模语言) 是一种三 维场景的描述性语言，也是在i n t e r n e t 网上实现虚拟现实的关键性技术”。其基 本原理是用文本信息描述三维场景，在i n t e r n e t 网上传输，在本地机上由v r m l 的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是v r m l 规范。正是这种思想 使得在i n t e r n e t 上传输很少的数据，就可以在w e b 上实现三维虚拟场景浏览成为 可能。j a v a 技术和v r m l 技术之间的关键区别就在于v r m l 可以生成网络上的三维 场景。虽然j a v a 技术现在支持三维场景的创建，但是使用j a v a3 d 创建虚拟场景 不是那么容易的事情，和v p 锄l 相比它的开发周期较长，也没有v r m l 技术那么成 熟。用v r m l 实现与i n t e r n e t 虚拟现实交互有下面几个好处：丰富了媒体表现形 式、具有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v r m l 融合到网络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。 v r i l 技术适宜构建虚拟实验室中的所谓“硬件”部分( 虚拟实验场景) ，在实 验数据处理方面尚有不足，需要与其他语言结合才能完成数据处理。而且，基于 v r m l 虚拟现实的虚拟实验在制作上较复杂，并且运行v r m l 对客户端计算机的性能 要求很高。 3 1 2 基于j a v a 技术 j a v a 是最重要的一种网上通用语言。j a v a 具有简单、面向对象、分布式、解 释型、健壮、安全以及可移植等多种特性，其跨平台的特性满足了“网络计算” 湖北工业大学硕士学位论文 的思想。使用j a v a 开发的程序具有两种层次上的可移植性能，即源代码级可移植 性和二进制级可移植性。j a v a 不仅是一种语言，还是一个动念代码系统，它对运 行对象来况是一个可移植的虚拟机( j v m ) 。j a v a 虚拟机的存在使得这种可移植性 成为了可能。j