（农业电气化与自动化专业论文）远程虚拟实验室的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着高校招生规模的扩大，当前教学资源已满足不了教学需求，以理工科必修基础课程 电子电路为例，实践要求较高，实验室条件虽在不断改善，但实验人数众多。时间、空间及 设备数量均满足不了实际需求，不利于学生实践能力的培养；另外，近年来我国远程教育发 展迅速，但实验教学效果不理想。随着计算机技术、虚拟仪器技术的发展，虚拟实验室应运 而生。虚拟实验作为传统实验的必要有益补充。既能节约大量教育经费，也使实验在时间和 空间上得到有效延伸，在教育、科研等领域中具有广阔的应用前景，是实验教学的一个新的 发展方向，也是当前研究的热点课题之一。 本文在分析国内外虚拟实验室研究现状及虚拟仪器开发技术的基础上，将虚拟仪器技 术、数据库技术、e d a 仿真技术和j 2 e e 技术应用于虚拟实验室的开发，构建了基于网络的 虚拟实验室系统，为用户提供了集虚拟实验及虚拟实验室管理、实验教学、实验编辑和教学 机构管理于一体的网络化实验教学平台。论文对虚拟实验室系统的实施方案进行了研究，采 用b s 体系结构，提出并建立了基于网络的虚拟实验室框架模型：研究了虚拟仪器程序的设 计及其网络化技术，以n i 的l a b v | e w 8 2 0 为虚拟仪器软件开发工具，完成了信号发生器、 示波器、滤波器以及频谱分析仪的设计；支持远程网络实验，利用h t m l 语言实现了虚拟仪 器的网络发布；设计并实现了实验室信息管理系统，可对实验室系统中的实验内容、实验数 据等信息进行有效的网络化管理，实现了从辅助教学、自主实验到实验报告的网上提交与批 阅的全程操作与管理。 本文研究并构建的基于网络的虚拟实验室，实现了远程控制、资源共享和数据共享，不 仅可以节省大量仪器殴备的经费投入，而且为教学提供了一种全新的现代化教学手段，彻底 打破了传统实验模式，有助于学生创新能力的培养。系统具有良好的开放性和灵活性，可以 在今后的实际使用中根据需要不断增加新的功能，以适应实际需要。 关键词：远程教育：虚拟实验室；虚拟仪器；l a b v i e w ；实验教学 v a b s t r a c t t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h en e t w o r k v i r t u a lla b o r a t o r y a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n s i o no ft h en u m b e ro fs t u d e n t si nh i g hs c h 0 0 1 t h ec u r r e n tt e a c h i n gr e s o u r c e s h a v ef a il e dt om e e tt h et e a c h i n gn e e d s ，f o re x a m p l e ，e l e c t r o n i cc i r c u i t sw h i c hi sc o m p u l s o r yb a s i s o fs c i e n c ea n de n g i n e e r i n gc o u r s e sr e q u i e sah i g h e rp r a c t i c e ，a l t h o u g hi t sl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s c o n t i n u et oi m p r o v e ，t h el a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sh a v el e a dt ot i m e 、s p a c ea n de q u i p m e n t sb e f a i l e dt om e e tt h ea c t u a ld e m a n d s 。t h i ss i t u a t i o ni sn o ti n e f f e c t u a it h ec u l t i v a t i o no fc r e a t i v ea b i l i t y o fs t u d e n t s ；a l t h o u g hi nr e c e n t y e a r s c h i n a sd i s t a n c ee d u c a t i o nh a v ed e v e l o p e dr a p i d l y , e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gc o u l d n o tg e tt h ed e s i r e dr e s u l t s v i r t u a i l a b o r a t o r ya p p e a r sw i t h t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u ea n dv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u e a sa ne s s e n t i a la n d b e n e f i c i a l s 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 s ，v i r t u a le x p e r i m e n t sn o to n l ys a v eal o to f e 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 nt i m ea n ds p a c ee f f e c t i v e l y i th a st h ev a s t a p p l i e df o r e g r o u n di nt h ee d u c a t i o na n dr e s e a r c hr e a l m v i r t u a ll a b o r a t o r yi san e wd e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h ee x p e r i m e n tt e a c h i n ga sw e l la sa na c t i v er e s e a r c ht o p i cr e c e n t l y i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h er e s e a r c hs t a t u so fv i r t u a ll a b o r a t o r ya th o m ea n d a b r o a da n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 、 d a t a b a s et e c h n o l o g y 、e d as i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dj 2 e et e c h n o l o g ya r e a p p l i e d i nt h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a ll a b o r a t o r y , t h en e t w o r k - b a s e dv i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e mi sb u i l t ，w h i c h s u p p l i e su s e r sa l ln e t w o r ke x p e r i m e n te n v i r o n m e n tt h a tc o l l e c t sv i r t u a le x p e r i m e n t 、v i r t u a l l a b o r a t o r ym a n a g m e m e n t 、e x p e r i m e n tt e a c h i n g 、e x p e r i m e n te i d i t o ra n dt e a c h i n go r g a n i z a t i o n s m a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , t h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e mi s s t u d i e d ，a n dt h ef r a m em o d e io ft h ev i r t u a il a b o r a t o r yi s p u t f c l r w a r da n db u il to nb s a r c h i t e c t u r e t h ed e s i g no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) p r o g r a ma n di t sn e t w o r k e dt e c h n o l o g ya r e s t u d i e d ，t a k i n gl a b v i e w 8 2 0a st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l ，as e r i e so fv ia r ed e v e l o p e d ，s u c ha s t h es i g n a lg e n e r a t o r 、o s c i l l o s c o p e 、s p e c t r u ma n a l y z e ra n ds oo n ，a l s ot h ev 1i sm a d ea st h eh t m l p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h ep u l i s h e dt os u p p o r tt h er e m o t en e t w o r ke x p e r i m e n t as y s t e m m a n a g e m e n tp l a t f o r mb a s e do nt h ed a t a b a s ei sd e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n tc o n t e n t 、e x p e r i m e n td a t a a n di n f o r m a t i o no ft h el a b o r a t o r ys y s t e ma r em a n a g e db yt h em a n a g e m e n tp l a t f o r m i nt h i sp a p e r , aw e b b a s e dv i r t u a ll a b o r a t o r yh a v eb u i l t ，a c h i e v i n gal o n g - d i s t a n c ec o n t r o l ， r e s o u r c es h a r i n g ，d a t as h a r i n g i tc a nn o to n l ys a v eal o to ff u n d so fe q u i p m e n t ，b u ta l s op r o v i d ea n e wt e a c h i n gm o d e lt h a tb r e a kt h et r a d i t i o n a lm o d e l ，h e l ps t u d e n t sc u l t i v a t ei n n o v a t i o nc a p a b i l i t y t h es y s t e mh a sg o o df l e x i b i l i t ya n do p e n n e s s ，c a nb ea d d e dn e wf u n c t i o n sc o n s t a n t l ya c c o r d i n gt o v i i 东北农业人学工学硕上学位论文 n e wn e e d st om e e tt h ea c t u a ln e e d s k e yw o r d s ：d i s t a n c ee d u c a t i o nl a b o r a t o r y ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；e x p e r i m e n tt e a c h i n g c a n d i d a t e ：x i a or u x i n g s p e c i a l t y ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f f a n gj u n l o n g v i i i 硕士生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 垫邀直墓丝盂墓挂剔虚明的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名偶留。吃 日其f j ：祷月加 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，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磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) l ， 学位论文作者签名：讯拉d 芎日期：诽月，胡 学位论文作者签名：。阪驾u 日期：h 西侔月，胡 签名：段么妣日期舴伽日 绪论 1 绪论 本章对远程虚拟实验室进行综合阐述，并对相关领域文献进行总结评述，然后介绍了远 程虚拟实验室在国内外研究现状，及其在国内的发展前景，最后简要说明了本文要开展的工 作。 1 1 虚拟实验室概述 科技发展与教育密切相关，而教育水平的高低，特别是理工类，在很大程度上依赖于实 验。但在目前，教学中的实验部分存在很多不足。首先，实验设备的质量和数量存在大量不 足。其次，在现实生活中，有些系统并不存在，不可能在原型上做实验：或者即使实际中存在 这些系统，往往在这些原型系统上做实验太昂贵、太危险或是可能发生严重的破坏( l u i g i n o b e n e t a z z o ，2 0 0 0 ) 。另外，远程教育不断发展，虽然它使更多的人有机会直接在家中接受教 育，但完成远程教育中的实验内容成为难题。因为不可能让每个受教育的人都将实验设备购 到家中。 网络技术的迅速发展及其广泛应用，使之成为各种信息的载体。虚拟仪器技术、远程测 试技术、分布式系统交互式教育环境的发展，极大的改进了传统教育方式和传统实验方法。 将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术通过数据交换共享结合起来建成的虚拟实验室逐渐展 现在我们面前。它通过将网络技术与仿真和虚拟仪器技术相结合，为远程教育的实验课程提 供了解决方案。 这种远程教育模式具有数据共享、软件共享、远程控制仪器实时操作等优势，又有虚拟 仪器成本低、功能全等优点，又能完成远程教学跨越地域的要求，( h j w s p o e d l e r ，1 9 9 9 ) 有利于充分利用教育资源、使某一学科的先进教学方法和优越的实验室条件被广泛利用的特 点。而且具有更高的灵活性，不再受传统的面对面的传统教学模式的限制，从而可以节约大 量的基础设施建设的重复投资，有利于改善办学条件和提高教学水平，在改革传统教学方法、 教育资源共享、提高教学水平、节约投资等方面具有重要意义，因而必将成为2 l 世纪世界教 育发展的一个热点。 1 1 1 远程虚拟实验室概念 虚拟实验室就是在计算机上加上一组软件和相应的硬件，让使用者在操作这台计算机时 就像操作一台实验仪器一样。近年来i n t e m e t 上虚拟实验室系统的成功应用，更是使基于w e b 的虚拟实验室教学锦上添花。而网络虚拟实验室系统区别于单机虚拟实验室系统在于网络虚 拟实验室系统允许多用户同时使用该系统，共同协作完成某项工作。多用户之间如何进行通 信、连接和交互以及远程终端用户如何访问等都是网络虚拟实验室系统的关键问题。在这个 东北农业大学工学硕十学位论文 环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备、甚至人力等资 源( s h c h e n ，r c h e n ，1 9 9 9 ) 。 目前，有关虚拟实验室的定义主要有两种： ( 1 ) 所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术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，所取得的学习或锻炼效果等值于 甚至优于在真实环境中所取得的效果。 ( 2 ) 虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境：即实验场所。它由实验所依赖 的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体、建立新的实验 并把它们转化成超文本文件来扩充实验室( s h c h e n ，2 0 0 0 ) 。 基于上述两个定义，将虚拟实验室归纳为： 采用“面向对象”的概念，创建与编辑能让实验者自然感知的基于原型技术的、实验的 本质功能，由计算机模拟现实的实验环境。把握虚拟实验室的这一概念应从两方面入手： ( 1 ) 实验室中操作的不是真实存在的设备，而是由计算机模拟的设备。 ( 2 ) 通过计算机进行的实验是虚拟的。虽然虚拟实验室可以使学习者不受时空限制地进 行实验，可以为真实的实验做准备，但并不能完全替代物质的设备，而只能代替真实实验室 的部分功能。 联合国教科文组织( u n e s c o ) 于1 9 9 9 年5 月中旬将“虚拟实验室”定义为：以利用 分散的信息和通信技术来创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合 作和实验的一种电子协作组( 舒炎泰。1 9 9 8 ) 。 1 1 2 远程虚拟实验室特征 远程教育的意义就在于充分利用己有的优秀教育资源，运用各种远程手段，突破地域和 时空的限制，把教育资源共享，为学生创造更多的学习机会和途径。但目前的发展水平仍不 能实现实验的操作。虚拟实验和虚拟实验室的出现正好解决了这个问题。虚拟实验室不仅极 大的弥补了远程教育模式的局限和不足，而且还使得远程教育的方式方法更趋完善( 李亚碌， 2 0 0 1 ) 。将虚拟实验室与远程教育结合在一起，基于网络技术和虚拟仪器技术的虚拟实验室己 成为新型的远程教育模式。它在改革传统教学方法、教育资源共享、提高教学水平和节约投 资等方面具有重要意义( z s o l ti i l y e f a l v i v i t e z ，1 9 9 9 ) 。 远程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，其应具备以一f 特征： ( 1 ) 互操作性：系统中的各组成部分可以完全集成和相互操作，这个特性有赖于一系列 标准的定制。 ( 2 ) 客户定制性：突破了传统教学模式受时间、地点的限制，并且可以利用网络教育提 高教学效率。允许用户定制自己的使用方式，允许用户通过设置来保护数据，以体现用户的 能动性和自主性。 ( 3 ) 扩充性：允许虚拟实验室增加新的服务和特性。 2 绪论 ( 4 ) 开放性：远程虚拟实验室通过网络系统向用户开放，实验者可自由地进入或退出实 验系统，具有良好的开放性。 ( 5 ) 安全性：可以通过采用用户鉴别注册、权限验证技术、邮件、文献加密技术等手段 保证系统的安全性。具有安全措施的远程虚拟实验系统能够做到拒绝非分访问者进入远程虚 拟实验室，也可以将合法访问者的不当操作及时中止。 1 1 3 远程虚拟实验室的基本要求 远程虚拟实验室是建立在以i n t e m e t 信息载体基础上的一种远程教育模式。是由以计算 机仿真技术为核心的虚拟实验和用于运行虚拟实验的网络结构等构成的实验室。虚拟实验的 开展，符合教学现代化的要求，有利于受训人员素质的提高( b e m a d ow a g n e r ，1 9 9 9 ) 。同时， 虚拟实验把设计环境和验证环境结合起来，扩展了设计环境。虚拟实验与应用一般的计算机 课件进行辅助教学有着实质性的区别，虚拟实验应该为学员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 ) 按照实验教学要求，提供非常逼真的工程实验环境。 ( 2 ) 在逼真的工程实验环境下，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 计算机实时仿真技术，实施整个过程的仿真。 ( 4 ) 能对实验中产生的各种数据进行实时的一记录、分析，然后自动产生实验报告。 ( 5 ) 要具有围绕实验教学所需要的其它辅助功能，如：实验目的、要求、实验内容( 如 工作原理、原理电路等) 的讲解，以及实验仪器、设备使用的在线帮助等。 1 2 远程虚拟实验教学的国内外研究现状 目前，国外许多大学己经建立起各种各样的虚拟实验室网站，研究也趋向成熟，但国内 这方面的研究还处于起步阶段。从国外众多的虚拟实验室来看，可以把它们分成以下两大类 ( 张燕霞，2 0 0 5 ) ( 江建军，2 0 0 3 ) 。 1 2 1 纯软件仿真形式的虚拟实验室 这类虚拟实验室是利用软件来模拟实验的全过程，不涉及具体的实验仪器硬什设备，也 可称为仿真虚拟实验室。与独立运行的单机仿真软件相比，这类虚拟实验室可以通过网络进 行发布，其所有内容都集中在服务器上。便于集中管理。开发者可以方便地添加新实验、收 集用户的反馈信息，及时更新、完善实验内容，对用户使用中存在的问题也可以及时地予以 解决：使用者无需安装这些开发软件，只需拥有一台可以连接到网站的电脑即可。由于该类虚 3 东北农业大学t 学硕十学位论文 拟实验室是纯软件仿真，因此它的物理结构十分简单，系统开发所需的全部硬件设各就是一 台连接到i n t e m e t 的服务器。 根据仿真执行方式的不同，又可以把这类纯软件仿真形式的虚拟实验室分成以下几种： 1 实验界面与仿真算法独立 这种形式的虚拟实验室是把仿真代码放在服务器端，客户进行实验时，只运行实验的操 作界面程序，通过通信程序与服务器保持连接，实时地发送参数信息、接收仿真结果数据。 由于仿真过程在服务器端进行，当访问的用户数量逐渐增加时，服务器的负担也随之加重， 因此需要对同时访问的用户数进行限制。这类实验通常采用m a t l a b s i m u l i n k 等具有强大计算 能力的软件作为计算引擎，用j a v a 等网络功能强、界面编程方便、可移植性好的网络编程语 言作为数据通信、实验操作界面以及实验管理界面的开发工具。 这类实验室的优越性在于实验界面与仿真算法独立，二者可以根据各种开发工具的优势 分别进行选择，从而方便而快捷地开发出各种界面友好、仿真算法复杂的实验。 爱丁堡大学的虚拟控制实验室( 江建军，2 0 0 3 ) 就采用这种结构，该实验室为大学生演 示过程控制的基本概念，包括几个典型实验，每一个实验都带有一些理论描述和真实设备的 图片。学生可以输入参数并仿真闭环系统，仿真结果可以以图像或数据的形式反馈给学生。 文献( 张燕霞，2 0 0 5 ) 中介绍的虚拟实验室采用m a t l a b s i m u l i n k 作为仿真引擎，用j a v a 编写用户端实验界面及通信程序，用动画来显示系统响应过程。该虚拟实验室投入教学后收 到了很好的效果。 2 实验界面集成仿真算法 与前一类实验室相比，这种形式的虚拟实验宝实验界面与仿真算法结合在一起，都在客 户端运行。在仿真过程中，客户端不需要与服务器端进行数据交换，因此，相当于独立运行 的单机仿真实验。这类实验通常不能直接运行，需要用户安装各种插件，普及推广存在一定 的难度。 在这种实验方式中，目前较常采用的一种开发方式是把用j a v aa p p l e t 编写的实验( 包括 实验界面和仿真算法) 嵌入到网页中。通过这种方法，用户端只需一个集成j a v a 虚拟机的浏 览器即可运行仿真，但编程的难度较大，因为用j a v a 编写实验仿真算法并不是一件容易的事， 尤其是大型实验的开发。例如，用j a v a 开发二级倒立摆的非线性仿真模型就非常凼难，即使 开发出来也会得不偿失，浪费太多的时间与精力：相反，如果使用现有的专业软件( 如m m l a b 中的s i m u l i n k ) 来建立这一模型，则简单容易得多。因此，这种方式常被用米开发一些相对 简单的、交互程度要求不高的演示性实验。 如g o o d w i n 主编的( ( c o n t r o ls y s t e md e s i g n ) ) 一书附带的教学光盘及教学网站中的演示 实验就是用纯j a v aa p p l e t 开发的( s u nq i u l i ，2 0 0 1 ) 。又如j o h n sh o p k i n s 大学为了配合“什 么是工程”这门课的学习而开设的”虚拟实验室”网站( 吴超，2 0 0 4 ) ，也是由一些用j a v a a p p l e t 开发的演示型实验组成的。 4 绪论 1 2 2 直接操作远程实验的虚拟实验室 这类实验通常具有视频和音频反馈，使用者可以耳闻目睹远程实验的运行过程。还可以 远程操纵实验室实验，调整相应的参数，观察结果，验证算法。调查表明，这种方式的远程 教育不但有效地利用了有限的实验室资源，而且收到了较好的效果( c h ic h u n gk o ，2 0 0 1 ) ( 蔡霞，2 0 0 0 ) ，是目前虚拟实验室研究开发的一个重要方一向。这类实验室与前面介绍的实 验室最大的区别在于，它是直接控制远程实验室实验设备的运行，其中的实验模型是真实的 实验设备。因此，这类实验一次只允许一个用户进行实验( 但可以有多人观看) 。为了保证这 一点，以及为了力一便地扩充新实验，这类实验室中比较典型的一种硬件结构是“双客户一 服务器”结构。 新加坡国立大学的远程控制实验室网站( 蔡霞，2 0 0 0 ) 就是采用这种结构的典型例子。 他们己经开发了六个基于w e b 的远程实验，如“带祸合的水槽设备控制实验”不仅能够使学 生虑用各种控制方法( 包括手动控制、p i d 控制、广义的状态空间控制和模糊逻辑控制) 完 成实验任务，而且为研究人员测试控制算法提供了一个实验平台。通过使用m i c r o s o t t n e t m e e t i n g ，实验室还提供了视频会话系统，使用者可以一边调整参数一边观看实验的真实 运行过程。 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窒提供了一系列 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。当通过i n t e r n e t 访问w e b 服务器时，首先h j 户需要选择控制参 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，并把实验数据返回给w e b 服务器，服务器根 据这些数据生成实验结果图反馈给用户。 在国内，对虚拟实验室的研究还处于起步阶段，以上提到的两类虚拟实验室都有部分高 校进行了相关研究( 郑笑建，2 0 0 4 ) ： 由北京大学计算机学院设计的网上虚拟实验室3 w n v l a b 是一个基于浏览器和w e b 服 务器，支持大计算量的交互式虚拟实验室。在该系统中，用户平台采用j a v a 编写，用户可通 过界面选择实验种类，并将用户的实验信息通过i n t e r n 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，并将实验结果反馈给客户端。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。 中国科学技术大学的大学物理虚拟实验室把虚拟实验用在教学演示与物理实验方面，它 用计算机制作的虚拟智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器， 具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。 早在2 0 0 1 年，华中科技大学电子科学与技术系c c m s 实验中心在江建军教授的带领下， 依托本系专业优势，组织优秀研究生、本科生开发团队，借助美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 软硬件设备和技术的大力支持，开发面向学生的教学实验室和面向科 研的仪器共享实验室。v l 联合实验室网络虚拟实验分为三大模块：仿真实验平台、在线专业 5 东北农业大学工学硕士学位论文 实验平台、主动验证型实验及自主设计型实验( v i 1 5 0 8 系列) 。 上海交通大学电子信息学院研制了一套机器人远程控制系统。该系统基于c s 模式的远 程控制，实现了对机器人的运动控制及产品加工控制。由于带宽的限制，该系统主要用于局 域网的远程实现。 此外，清华大学、西安交通大学、西北工业大学、浙江大学等也建立了虚拟实验室，方 便学生学习或者用于科学研究。 以上研究都致力于让用户在虚拟实验室或在互联网上进行模拟实验( c h e n gk w e ， 2 0 0 2 ) 。 目前，虚拟实验室正朝着网络化、专业化、逼真化的方向发展。随着网络技术的发展， 虚拟实验室有从本地化向网络化发展的趋势，这样促进了资源共享，信息交流，避免了虚拟 实验室的重复建设。同时，虚拟实验室将会普及到各专业，技术含量会越来越高，从而更加 专业化。软件技术的快速发展将使虚拟实验室更加逼真，交互性更强，实验内容更加精彩。 1 3 虚拟实验教学的现实意义和应用前景 计算机科学、微电子和网络技术的发展，以及网络协议的不断完善，为实现远程虚拟实 验室提供了技术支持，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 ( a f e r r e o ，1 9 9 8 ) 。 远程教育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。目前 我国互联网月j 户已经过亿，而且还将以每年增加1 7 左右的速度增长。这个庞大的网络为远 程虚拟实验室的普及和发展提供了便利条件。 基于网络的虚拟实验室远程教育模式能够灵活地提供给 j 户不同的实验教学内容，不受 时间、地域的限制，用户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( h h s a l i a h ，1 9 9 9 ) 。 我国人口众多。国民平均知识水平相对落后于发达国家。由于客观条件的限制，能够进 入高等院校接受教育的人数毕竟有限。网上的远程教育可以满足人们渴望获得知识的要求， 为远程虚拟实验室教育的发展提供了广阔前景。 与传统实验室相比，虚拟实验窒性能更为优秀，通常会选用当今世界上性能优秀、仪器 齐全的一流设备，而虚拟实验室却能够提供给用户并不是所有院校都能拥有的一流设备。同 样，虚拟仪器技术也将成为学校未来教学科研的重要方法和手段，特别是在理工科学校其应 用前景非常广阔( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，2 0 0 5 ) 。 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 的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。从实际意义上来说，在高等：【程教育中采爿j 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模滞后发展的严重比例失调问题。同时。利川虚拟仪器技术与计算机网 6 绪论 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。 1 4 本论文的课题来源和主要研究内容 本课题是东北农业大学十一五教育教学研究项目和黑龙江省新世纪高等教育教学改革 工程项目。课题的主要目标是利用虚拟仪器技术、e d a 仿真技术、网络技术和j s p 技术等为 用户提供一个虚拟的试验课堂，使其能够利用该环境，进行试验的预习，了解相关的试验和 和仪器资料，并利用计算机模拟仿真软件对实验进行模拟仿真，对仿真进行仿真的结果进行 观察、分析、处理。 本论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 从理论层面讨论了虚拟实验室的基本概念及其分类，对虚拟实验室的本质、架构及 架构过程进行了分析。 ( 2 ) 从技术和方法层面，研究了虚拟实验室开发过程中常见的建模方法和实现技术。并 对本虚拟实验室进行了功能定位，对其构建的基本原则和实现的用户操作流程进行了详细的 描述。在对应用系统常用的两种网络体系结构进行对比的基础上，提出了本虚拟实验室的网 络构建体系结构。 ( 3 ) 按照本文提出的理论架构、建模方法和技术方案，构建了一个“虚拟实验室”。该 虚拟实验室完成了基于l a b v i e w 的函数发生器，示波器，频谱分析仪的虚拟实现、信号处 理( 如功率谱分析、快速傅立叶变换、平滑窗函数、数字滤波等) 一系列仿真实验、基于 m u l t i s i m 技术和基于网络技术的部分仿真实验( 包括电路、模拟和数字电路的相关实验) 。虚 拟实验室集实验预习、实验操作与实验报告于一体，实现了从辅助教学、自主实验到实验报 告的网上提交与批阅的全程操作与管理。 7 东北农业大学t 学硕i 二学位论文 2 远程虚拟实验室系统框架 2 1远程虚拟实验室平台总体设计原则 虚拟实验室的构建应坚持以下两个原则： 1 工程化原则 虚拟实验室是实践性教学环节的重要组成部分，不仅要满足实验大纲的要求，而且要达 到培养学生的实践能力和创新能力的目的。因此，虚拟实验不能等同于一般的多媒体课件， 要强化实验环境的工程化、实验方法的t 程化、实验步骤的工程化，使学生有强烈的工程意 识。虚拟实验的工程化就是要求虚拟实验所建立的虚拟仪器、虚拟设备、虚拟元器件等高度 逼近真实部件的操作和使用，同时，网上虚拟实验的过程要具有实时性，与用真实实验设备 进行实验一样，体现实验过程的工程化( 路而红，2 0 0 1 ) 。 2 综合化原则 虚拟实验室是以软件为基础、虚拟仪器技术及仿真技术为支撑的实验室，没有空间的限 制，因此虚拟实验室应该构建成综合化实验室。虚拟实验室的综合化包含两个方面：一是实 验内容的综合化。虚拟实验室将不同学科、不同等级的实验要求融为一体，构建成各种虚拟 实验软件包，可以适应不同培养要求的需要。二是实验功能的综合化。虚拟实验室不仅能满 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价。 2 2 远程虚拟电子实验室系统目标 基于网络的虚拟实验室系统的总体目标是设计实现一个互联网上的虚拟实验室环境，利 用互联网技术，将所提供的虚拟仪器、实验项目及内容放入建立的网站上。远程用户只需通 过网络浏览器，而不需要其它的特殊软件，就可以登录到虚拟实验室的教学服务器上。事先 在主页上列出所有可提供的实验项目，在相应的项目中显示该实验的有关内容，并同时提供 具体的仪器列表和仪器设置功能。当用户选择了某个具体实验后，首先可利用所提供的实验 内容进行实验预习，了解实验过程和此实验目的以及实验需要使用的仪器和仪器使用说明， 然后开始实验操作，用户可以根据具体实验的要求来设置仪器。 从涉及的对象来看，基于网络的虚拟实验室系统要解决虚拟仪器实验、实验报告以及网 上实验室管理三大主要问题。学生是网络虚拟实验室的最终用户，每个用户在系统中都有唯 一的i d 号，作为其出入虚拟实验室的通行证，学生可以为自己的i d 号设置密码。访问系统 的登陆页面，输入各自的i d 号和保密字，即可成功登陆虚拟实验室系统，进行远程实验的 相关操作。学生的每一步操作，都可以立即观察到其实验结果，当实验完成之后，学生可以 保存其实验结果，并通过网络将实验报告提交给教师。教师作为虚拟实验室系统的特殊用户， 其主要任务是管理学生、发布实验、批改学生提交的实验报告、对实验报告进行打分和综合 8 虚拟实验室的系统框架 评价并指出其优点或不足之处，使学生从评语中对实验学习有更加深刻的认识。虚拟实验室 的管理是网络实验教学得以实现的根本保证，网络教学与常规教学相比，具有分散性大、同 步与非同步并存、交互与非交互都需要等特点。网络虚拟实验室系统中管理的信息，不仅包 含常规教学系统中涉及到的教师、学生的各类管理信息，还包括各种实验教学资源和实验数 据的管理，因此在网络虚拟实验室系统中，为了完成教学，需要研究和解决许多与管理相关 的技术问题，例如如何进行用户的身份验证如何使学生通过浏览器访问到虚拟实验室并保证 学生上网机器的安全性如何接收学生提交的实验报告，教师批阅实验报告，以及如何将已被 批阅的实验报告返回给学生。 2 3 远程虚拟电子实验室系统体系结构 本部分通过对传统的c s 模式和新型的b s 模式两种体系结构的比较，从而确定选择构 建基于b s 模式的网络虚拟实验室，即构建基于w e b 的网络虚拟实验室。 2 3 1 c s 模式和b s 模式 1 c s 模式 随着计算机技术的不断发展，计算机模式从集中式转向了分布式，尤为典型的是8 0 年 代末产生的c s 模式( c l i e n t s e r v e r ，客户机服务器) 。c s 模式是一种两层结构( 2 - t i e r ) ， 它将系统分为客户端和服务器端两个部分。客户端通过运行在其之上的虑刖程序向服务器发 送请求，服务器根据请求对数据库进行相关操作，并向客户端返回应答结果。其中，客户端 主要负责与服务器的通信和用户界面；而服务器的主要功能在于数据采集、控制和与客户端 通信。c s 模式的系统结构如图2 1 所示。 服务器端客户端 厂、 一一 _数据 业务 表达 数据库处理处理 _ _逻辑 一- 逻辑 逻辑 、 图2 1c s 模式结构图 f i g 2 - 1a r c h i t e c t u r eo f c sm o d e 随着i n t e m e t 应用的不断发展，c s 模式的两层结构逐渐显现出自身的缺陷。在c s 模式 中，客户端同时承担了表达逻辑和业务逻辑两部分功能，所以客户端需安装必备的软件环境， 对机器的配置和操作者的技巧要求较高，客户端的维护也较麻烦，随着系统的复杂化和集成 化，c s 模式的实现就愈加困难。 9 东北农业大学丁学硕上学位论文 2 b i s 模式 近年来，随着网络技术的不断更新，尤其是基于w e b 的信息发布和检索技术、j a v a 计算 技术以及网络分布式对象技术的飞速发展，导致了很多应用系统的体系结构从c s 结构向更 灵活的多级分布结构演变，使得软件系统的网络体系结构跨入了一个新阶段，即b s 模式 ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器服务器) 。 基于w e b 的b s 模式是一种特殊的客户机服务器模式，它是由传统的两层c s 结构发 展而米的三层结构( 3 t i e r ) 在w e b 上的应用特例，即瘦客户机胖服务器模式( t h i nc l i e n t f a t s e r v e r ) 。这种三层结构将表示层( p r e s e n t a t i o n ) 、功能层( b u s i n e s sl o g i c ) 、数据层( d a t as e r v i c e ) 进行了明确的划分，使其在逻辑上独立，如图2 2 所示。 数据库服务器端w e b 服务器端 浏览器端 厂、 、一数据 业务 表达 数据库处理 处理 逻辑 一逻辑 逻辑 图2 2b s 模式结构图 f i g 2 - 2a r c h i t e c t u r eo fb sm o d e 表2 1b s 模式与c s 模式的比较 t a b 2 1t a b l eo fb sm o d ec o m p a r e dw i t hc sm o d e 从图2 2 中可以看出，表示层位于浏览器端，主要负责通过w e b 浏览器向网络中的w e b 服务器发送服务请求，而w e b 服务器在对用户进行了身份验证后，会将所需数据发送回客户 l o 虚拟实验室的系统框架 端井显示在浏览器上。在功能层中包含了整个系统的业务处理逻辑，任务是接受用户请求， 与数据库连接井提出数据处理申请等待数据库将处理结果提交给w e b 服务器，再由w e b 服务器回传给浏览器端。b s 模式利用不断成熟的w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 浏览器技术， 结合浏览器的多种脚本语言( v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 等等) 和a c t i v e x 技术通过