（物理电子学专业论文）基于www的光纤通信虚拟实验平台的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， 在知识经济时代，伴随着计算机网络与信息技术的飞速发展，网络远程教育由 于其不受时间、地点的限制，信息含量丰富，学习方便快捷而发挥着越来越重要的 作用。作为网络远程教育不可或缺的一部分，远程实验教学还一直没有能够很好地 通过网络教学模式实现。本文在这方面进行了探索性工作，提出了一种基于w w w 的远程虚拟实验教学的解决方案论文主要包括： 1 、介绍了现代远程教育的重要性及其发展历史、现状和趋势，分析了虚拟实验 技术在远程教育中应用的重要意义，简要介绍了远程教育中的虚拟实验技术。 2 、提出了虚拟实验室的总体规划，并分别从硬件网络环境的组建和虚拟实验软 件的开发两个方面进行了具体的可行性分析，给出了设计目标和整体方案。 3 、设计了基于v t m d o 1 v sn t 和l k n u x 两种操作系统的硬件体系结构及其具体配 置，论述了虚拟实验本地局域网和提供本地虚拟实验和远程访问服务的虚拟实验教 学服务器的构建，并对建成的硬件网络环境进行了分析和评估。 4 、采用了v r m l 虚拟现实建模语言进行虚拟实验室空间的设计和制作，具有 高度的逼真感和交互性使学习者如身临其境。f 运用网络环境下的开放性应用程序 标准a c t i v c x 技术设计了交互虚拟实验课件，采用功能强大的v i s u a lc + + 编写应 用程序，并通过嵌入h t m l 网页实现与学习者的交互。厂，一一 5 、通过光纤通信实验仪器的g p i b 和r s 2 3 2 接口实现了虚拟实验平台和真实实 验仪器的连接，使学习者通过i n t e r a c t 直接操作真实仪器，取得和真实实验同样的效 果。 关键词：远程教育；虚拟实验；光纤通信：v r m l ； a c t i v e x 一一 l 华午科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ee r ao fk n o w l e d g ee c o n o m y , a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e m o t ee d u c a t i o nv i ai n t e r a c tp l a y sam o r ea n d m o l ei m p o r t a n tr o l ef o ri t sf r e e d o mo ft i m ea n dl o c a t i o n ，c o n v e n i e n c ea n dl a r g ea m o u n to f i n f o r m a t i o n h o w e v e r , t h eo n l i n er e m o t ee x p e r i m e n tb a s e d o nt h en e t w o r kw h i c hi so n ek e y p a r to f o n l i n er e m o t ee d u c a t i o nh a sn o tb e e nw e l lr e a l i z e d a ni n i t i a lw o r ki nt h ef i e l do f r e m o t ee x p e r i m e n th a sb e e nd o n ei nt h i st h e s i s ，t op r o v i d eas o l u t i o nf o rl o n g - d i s t a n c e v i r t u a le x p e r i m e n tt e a c h i n g t h em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i si n e l u d e ： 1 t h ee v o l u t i o n , c u r r e n ts i t u a t i o na n df u t u r e 订e n d so f c o n t e m p o r a r y r e m o t ee d u c a t i o n a sw e ua si t si m p o r t a n c ea i n t r o d u c e d a n dt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a le x p e r i m e n ta n dt h e e n l i g h t e n m e n t o fi t sa p p l i c a t i o ni nr e m o t ee d u c a t i o na r ea l s ob e e nb d e f l yd i s c u s s e d 2 ag e n e r a lp l a no f v i r t u a ll a bi sd e s i g n e da n di t sa v a i l a b i l i t yf r o mt w oa s p e c t sa st h e c o n s t r u c t i o no fh a r d w a r en e t w o r ke n v i r o n m e n ta n dt h ee x p l o i t a t i o no fv i r t u a le x p e r i m e n t s o f t w a r ei sa n a l y z e d 1 1 碡g o a l so fd e s i g na n di t si n t e g r a t e dc o n c e p t sa r ea l s op r o v i d e d 3 n 地s t r u c t u r eo ft m r d w a r es y s t e ma n di t sc o n f i g u r a t i o n sa 他d e s i g n e da n dt h e c o n s t r u c t i o no ft h eo p e r a t i n gp l a t f o r mo fs 髓 - v e r si sd e s c r i b e di nd e t a i li n c l u d i n gt w o o p e r a t i n gs y s t e m ss u c h a sw i n d o w sn ta n dl i n u x n 把c o n s t r u c t i o no fv i r t u a ll a n sa n d v i r t u a le x p e r i m e n ts e r v e r sa r ea l s ob e e ni l l u s t r a t e da n dt h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no nt h e h a r d w a r en e t w o r ke n v i r o n m e n ta r ep r e s e n t e d 4 d e s i g n i n gt h es i m u l a t i v ee n v i r o n m e n to f v i r t l l a le x p e r i m e n ta n dd o i n gi n t e r a c t i v e v i r t u a le x p e r i n r a e n tc o b r s e w a r ea r ct h eg o r eo f t h ev i r t u a le x p e r i m e n ts o t ! t , v a r es y s t e m d u e t ot h ea v a i lo fv r m li nd e s i g na n dp e r f o r m a n c eo fv i r t u a l e x p e r i m e n t ，t h e v i r t u a l e x p e r i m e n ts i m u l a t i v ee n v i r o n m e n t i so f h i g hv i v i d n e s sa n di n t e r a c t i o nw h i c h t h el e a r n e r s f e e l p e r s o n a l l y o n t h e $ c e r l e a d a p t i n g a c t i v e x t e c h n o l o g y w h i c hi st h es t a n d a r d t e c h n o l o g y o f o p e na p p l i c a t i o np r o g r a m b a s e do nn e t w o r k , t h ei n t e r a c t i v ev i r t u a l e x p e r i m e n tc o u l s e w a l 陀m a k e st h em u t u a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e m e ta n dl e a r n e r s b e c o m ea r e a l i t y 5 t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nv i r t u a le x p e r i m e n tp l a t f o r ma n dr e a la p p a r a t u si sr e a l i z e d i t 华中科技大学硕士学位论文 t h r o u g ht h ei n t e r f a c e ss u c ha sg p i ba n dr s 2 3 2w i t ht h ec o m p u t e r b e n e f i t i n gf r o mt h e d i r e c tp e r f o r m a n c ew i t hr e a ld e v i c e sv i a i n t e r a c t ，t h el e a r n e r sw o u l do b t a i i lt b es a m e e f f e c t sa st h a tf r o mt r u ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ： v i r t u a l e x p e r i m e n t ；r e m o t e e d u c a t i o n ；f i b r e - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；v r m l ； a c t i v e x i l l 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 引言 人们已清醒地认识到，人类社会正在经历着又一次重大变革，一个新的发展时 代正在到来，尽管我们对它已出现和未来将出现的特点尚未充分认识，尽管不知怎 么确切的描述它，是称之为“后工业社会”、“第三次浪潮”、“信息时代”、还是“知 识经济时代” 1 ，我们都只能欢呼这一新时代的到来，别无选择。让我们先称其为 “信息时代”，因为驱动人类社会发生这次变革的核心技术或称之为标志技术是信息 技术。据乐观估计，在2 0 0 2 年会有约6 亿以上的人使用互联网，到2 0 0 7 年工业化 国家的8 0 居民将进入互联 2 1 。也就是说，人类社会中的发达部分将会建筑于互 联网这个信息高速传输的，世界范围内广泛联接的，涉及经济、政治、文化各 个领域的知识平台上。无论是发达国家还是发展中国家都面临机遇和挑战。你要么 就跳上这条船( 平台) ，要么就是被波浪冲走，别无选择。 在这个称之为知识经济或信息时代中，没有争议的结论是人的智力是最宝贵的 财富，教育是一切的基础。信息化的社会是学习的社会，是终身学习的社会。通过 学习使人获得在信息社会生存和发展的机会。给予人学习的机会是温饱以后最应保 证的人的基本权利。正如1 9 4 8 年联合国的人权宣言中所说的“人人都有受教育的权 利。教育至少在初级和基础阶段应当是免费的。初级教育应属义务性质，技术培训 和职业教育应普遍设立，高等教育应根据成绩而对一切人平等开放。” 当人类社会正在发生一场根本变革之时，教育也必然会发生一场根本的变革， 而驱动这场变革的先驱是教育的信息化 3 1 。 为贯彻党的十五大精神，落实“科教兴国”战略，教育部制定了面向2 1 世纪 教育振兴行动计划，提出了振兴教育的六大工程，现代远程教育工程便是其中之一。 教育部提出现代远程教育工程，其目的有两个方面：一是利用现代远程教育手段扩 大教育规模，使更多的人有机会接受高层次的教育；二是利用现代远程教育手段进 一步提高教育质量，提高单位时间授课的信息含量和学习程度。现代远程教育肩负 着推动我国教育普及的进程、提高高等学校以及各级各类学校教育质量的历史重任。 今后几年，国家将陆续投入3 6 亿元用于发展现代远程教育工程，同时积极争取国 际组织、国内外企业的支持【4 。 1 华中科技大学硕士学位论文 在高等教育方面现代远程教育工程目前要做的重点工作就是在近几年内开发 一批基于网络的课件，选择一些典型的、需求量大的专业开展现代远程教育改革的 试点。 基于互联网技术的w w w 模式的现代远程教学，是以因特网为桥梁跨越教师和 学生在时间和空间上的距离，突破传统面对面课堂教学方式的限制，将授课课堂由 教室和实验室延伸到因特网所覆盖的任何一个场所的一种新的教学模式。其主要做 法是用一台或几台联网计算机作为服务器，运用先进的网络技术，将教学和实验内 容以超文本w e b 页面和多媒体形式交互式的在因特网上播出。学生可以利用校内甚 至校外的任何个联网计算机终端浏览、学习有关课程内容。 1 2 远程教育的现状与发展 1 - 2 1 我国发展远程教育的历程 我国远程教育的发展始于7 0 年代，当时是运用广播电视的远程教育系统。到9 0 年代中期，已经形成了世界上在本土范围内规模最大的以广播和卫星电视传播为主 要媒体的远程教育体系。 如果说第一代远程教育采用文字、印刷品等邮寄函授形式，第二代是运用广播、 电视录像等模拟信号传播，那么第三代远程教育的特点是运用计算机网络技术和多 媒体数字技术，在数字化环境下进行交互式的学习。 为了实现教育的信息化和发展现代远程教育，1 9 9 5 年，中国教育和科研网 ( c e r n e t ) 示范工程正式立项建设，到目前为止，联网院校3 0 0 余所，每天使用 网络的人数超过3 0 万人有专线和美、英、德、香港地区相联。近年来卫星通讯技 术发展也较快，清华大学等学校已开始采用k u 频道的数字压缩技术开展远程教育试 点。 近几年来，现代远程教育工程进展顺利。随着c e r n e t 等计算机网络技术和卫 星数字压缩技术的发展和普及，远程教育正在向多媒体、交互式的方向发展，将对 各级各类教育的教学内容、方法产生革命性的影响。信息技术的发展正在使远程教 育从以广播电视为主体，以个人自学集中辅导为主要学习方式，转为以多媒体技术、 计算机网络为主体，以自主的个别化学习和交互式的集体性学习相结合为主要学习 方式的现代远程教育，这是一种世界的发展趋势例( 6 i 。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 - 2 - 2 国内外发展概况7 1 1 8 1 1 9 1 在美国，其远程教育发展非常迅速，正在实施第二代i n t e m e t 工程，加快网络运 行的速度。克林顿总统要求在2 0 0 0 年以前把信息高速公路通向每一所学校、教室和 图书馆，通向每一个儿童。他在演说中表示，要使美国每一个儿童8 岁就能够独立 阅读网上信息，1 2 岁能借助网络学习，1 8 岁能够上大学。 日本文部省1 9 9 4 年制定了一项5 年计划，到1 9 9 9 年，日本公立小学两个人拥 有一台计算机。到2 0 0 1 年所有的中学，2 0 0 3 年所有的小学将全部上i n t e m e t 网。1 9 9 6 年，文部省又挹出了2 1 世纪媒体技术的发展报告，要求在大的研究机构充实网络和 远程教育设备。目前，日本已经拥有2 0 的光纤网络，到2 0 1 0 年，1 0 0 的日本家 庭都将可以访问高速、高效的多媒体业务。 法国教育部制定了为期两年的紧急培训计划，即从1 9 9 8 年秋季开始，在各培训 学院对学校的领导和教师进行有关培训，以便引导儿童能够提前熟悉网络，使教育 能够提前实现现代化。 马来西亚、新加坡以及我国的香港特别行政区，都拨出专款发展现代远程教育 工程。马来西亚的马哈蒂尔总统在亚洲开放大学协会第1 1 届年会的开幕式上向与会 代表介绍了多媒体超级走廊，这是一个完整地实施现代远程教育的计划。 而在我国，远程教育技术也已经开始进入以网络为基础的新阶段。在基础教育 方面，近年来各地自发地涌现出一大批中小学教育网校；在高等教育方面，教育部 已经批准3 0 多所重点高校开办网络远程教育：在成人教育方面，我国各地原有的远 程教育系统正在向网络转移，形成多种媒体共存的新格局。 1 2 - 3 将虚拟实验运用于远程网络教学 所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术等现代网络技术实现的各 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 取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果【1 0 】。教育专家预 测，在下一个世纪，虚拟实验技术将成为网络远程教育最重要和最热门的应用领域 之一。当前，在世界范围内网络时代信息化社会的到来正一步步推动高等学校教 育改革，校园的围墙逐渐消失学生对教师依赖性减少，课堂教学受到挑战，在网 络上建立电子教室、电子黑板，学生在网上虚拟大学学习的新型教育模式已悄然而 至。目前美国约有8 0 所大学允许通过网络获得学位，网上虚拟大学开设的课程已覆 3 华中科技大学硕士学位论叉 盖了各主要的学科领域。例如美国巴尔的摩的约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡 尔威教授在电脑网络上建立了一个“虚拟实验室”，在电脑上模拟各种实验，让工科 专业的学生可以通过电脑网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题【l ”。 在远程教学模式中特别需要建立和应用基于w w w 网络的虚拟实验系统，因为 实验是多数工程类课程和应用类课程的重要一环，缺少了实验动手的机会，课程的 教学效果将大打折扣，尤其是对于那些通过远程教学网进行自学的广大学员来说。 知识经济时代的到来，更迫使人们必须尽快地掌握所需要的知识和技能，一个好的 虚拟实验系统( 尤其是w w w 网上运行的系统) 则是人们快速、廉价地获取各种知 识和技能的重要场所。 目前在国际上，虚拟实验技术和远程教育结合在一起已表现出了很大的潜力。 国外已有许多虚拟技术用于教育系统1 1 2 】【1 3 l 。例如美国佛罗里达中央大学已开发出用 于公众教育的、低成本的网络虚拟环境e x p l o r e n e t ，学生们可在其上玩游戏和实现三 维交互。每个学生在屏幕上有一个模拟像，并放在共享世界中，网上的所有p c 显示 这个世界，当一个学生执行动作时，其他学生都能看到结果。美国的其他几所大学 也正打算用虚拟实验技术进行教学，这将使许多难以讲述和理解的难题变得简单易 解。在马来西亚，用远程教育程序开展网上教学，教育软件被多数大学教师和大学 生所认可，为马来西亚大学开设网上虚拟课程提供了便利条件。香港中文大学分别 与哥伦比亚大学师范学院、奥尔根大学开展了网上远程合作教学活动，与奥尔根大 学通过电子邮件共同进行网上虚拟写作课程教学，让学生相直批改作业，共同阅读 写作材料等，与哥伦比亚大学师范学院召开网上虚拟座谈会，学生们按话题分小组， 从不同的文化角度发表看法。 在国内，我国近年来已确定清华大学、北京邮电大学、浙江大学、湖南大学为 开展远程教育的试点学校【l “。这几所高校进行了多种形式的远程教育实验，取得了 一定的经验。网上虚拟学校、虚拟课堂也如雨后春笋一般冒了出来，如上海交通大 学的远程教育中心虚拟环境、华中科技大学机械学院信息所工程测试网上虚拟教室、 上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、四川联合大学的虚拟仪器系统等。 1 3 基于w w w 的虚拟实验技术 多媒体网络技术与虚拟仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础，使人们 通过网络进行远程实验的想法与愿望可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面而得 一一 4 华中科技大学硕士学位论文 以“实现”。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的交互式智能化 特征，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。不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支 持，还可以通过实验软件的升级随时为学生提供更多、更新、更好的虚拟仪器【l 副【i 州。 虚拟实验室技术归根结底是一种软件技术与认知模拟理论的统一体，这两个领 域所提出的任何新思想、新技术、新方法、新理论都将推动交互式智能化虚拟实验 室技术的发展。 1 - 3 1虚拟实验室中的认知模拟方法 具有强大的交互性是虚拟实验室应具备的基本特征之一，而交互性则反映了虚 拟实验室智能化程度的高低，表现在人们可以自主地、灵活地模拟操作各种实验仪 器，完成各种分析测试任务，评价实验者的操作水平与实际能力。智能化需要建立 在人们对认知模拟方法的研究基础之上，就目前而言，传统人工智能( a i ) 与人工 神经网络( a n n ) 是认知模拟的两种主要途径。基于物理符号机制的传统a i 采取自 顶向下的策略和启发式搜索方法，可以十分有效的处理具有精确性质的结构知识； 而基于联接机制的a n n 采取自底向上的策略和动态自主制方法，可以成功处理不精 确的非结构知识。对于一个完整的知识模拟过程来说，则可以分为知识的获取，知 识的表达，知识的存储，问题求解，结果解释等五个方面。 总的来说，传统a i 的主要优点是可以做显示推理，特点是只能作精确推理，以 及事先可对局部评价进行精确转化为条件的近似推理，存在着不确定知识获取困难， 以及问题求解过程中的组合爆炸问题；a n n 的组合优点是可以采用简单的结构，表 达非确定世界中的实体，其局限性在于目前只适合于解决小规模的问题。显然，传 统的a i 和a n n 在实现人工认知模拟方面是互补的，二者在精确与不精确、结构与 非结构、高层与底层知识处理方面是相辅相成的。 如何将认知模拟用于构建交互式智能化虚拟实验室并不是一个简单过程，实验 过程仪器操作的多途径与前后次序的不确定性，不但可能造成实时路径列举引起的 组合爆炸，也可能造成判断失误，因此采用传统a j 与a n n 的综合技术更有利于智 能化的实现，而对于初学者的智能化指导，采用基于传统a j 的专家系统较为可行 而根据实验过程对实验者的能力综合评价，采用a n n 与模糊技术，则可能更为有效。 我们在构建光纤通信虚拟实验室的过程中，综合运用了这两种方法的原理与技术， 5 华中科技大学硕士学位论文 使其初步具备智能化特征。 1 3 - 2 网上虚拟实验室的基本概念及基本结构 1 、网上虚拟实验室的概念结构 网上虚拟实验室的概念包含两层含义( 如图1 1 所示) ： 图1 1 网上虚拟实验室的概念结构 ( 1 ) 教学服务器端应提供各种实验的功能； ( 2 ) 学生可通过网络在本地终端上做各种实验；此处实验指完成实际操作的基 本功能。例如，对于光纤通信实验来说，学生可在用户端提供的平台上选择实验所 需的仪器，并可利用该平台对所选的仪器进行操作，服务器端接收操作结果，并按 要求对操作结果进行分析，并将分析结果送回用户平台显示。这样，用户就可像在 本地一样进行实验。 2 、基于w w w 的网上虚拟实验室基本结构 基于w w w 的网上虚拟实验室是指以w w w 及其上的各种协议为基础实现的网 上虚拟实验室【哺】。图1 2 是基于浏览器和w e b 服务器的虚拟实验室结构。在该结 构中，用户平台采用a c t i v e x 等技术编写，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 l e m e t 传送给服务器端。 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。 6 华中科技大学硕士学位论文 区圃匦 图1 2 基于w w w 的网上虚拟实验室基本结构 1 3 _ 2 虚扭实验室的实现方法与关键技术 虚拟实验室的实现有多种途径，但无论如何实现，虚拟实验室都应具备以下一 些基本特征： ( 1 ) 与现实的一致性( 或现实的延伸) ； ( 2 ) 高度交互性( 也即智能化) ： ( 3 ) 实时的信息反馈。 虚拟实验室的实现，归根结底在于将设计思想转变为软件的编制。大型、复杂 仪器的模拟往往使虚拟实验室的设计无从下手，采取分解组合方法无疑是一种行之 有效自甘捷径。 1 、虚拟实验室的组件构造方法 虚拟实验室是由各种虚拟仪器组成，虚拟仪器又由具有特定功能的组件组成。 建造各种具有特种功能的组件，并确定相互之间的关系，将成为软件设计的关键。 举例来说，这种分解组合的方式，利用v i s u a lc + + 来建立具有很大的方便性，v i s u a l c + + 的模块化控件、事件驱动、面向对象、多线程特性满足了建立虚拟仪器的各种需 要。可以利用v i s u a lc + + 的各种控件，来建立各种虚拟仪器的组件，例如：将旋钮图 片( 或编程绘制) 放在v i s u a lc + + 的图片或图像控件上，通过设置控件的属性来控制 7 华中科技大学硕士学位论文 旋钮的外形尺寸和位置，而通过对控件各种事件的编程，可建立与其它组件之间的 关系及所应具有的功能。 2 、虚拟实验室的关键技术 要满足虚拟实验室的基本特征，往往需要采用多种网络编程技术，将它们有机 的结合在一起，通过组件构造的方法连接成一个完整的虚拟实验室系统。要建立起 一个完善的基于w w w 的虚拟实验室，涉及到计算机网络编程技术的方方面面，如 网络平台的建立、用户界面的设计、交互式w e b 页面的开发、网络信息数据的管理 等等。下面仅就一些虚拟实验室的关键技术做一个初步介绍。 ( 1 ) 用v r m l 虚拟现实技术构造虚拟实验室的仿真环境 。 虚拟现实建模语言v g m l ( v i r t u a ir e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) ，是一种应用于网 络上的构造三维虚拟空间的规范。它自1 9 9 4 年在瑞士日内瓦的w w w 会议上提出以 后，先后发布了v r m l l 0 和v r m l 2 0 两个版本。1 9 9 7 年1 2 月，在v r m i2 0 规范 的基础上经编辑修订和少量功能性调整后，v r m l 作为国际标准正式发布，并于1 9 9 8 年1 月获得i s o 批准使其稳定性得到了保证并推动i n t e m e t 上交互式三维应用的迅 速发展删。 v r m l 的基本特征包括它的分布处理方式、三维交互功能、与平台无关性和多 媒体集成等】、它非常适合应用于分布式处理环境中，内建了支持多个分布式文件 的多种对象和机制。利用层次性文件的包含关系可以创建任意大的虚拟现实环境。 v r m l 的访问方式是基于客户服务器模式的。其中服务器提供v r m l 文件及支持资 源( 图像、视频、声音等) ，客户端通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上 的v r m l 浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟环境。由于浏览器是本地平台提供 的从而实现了平台无关性： 在v r m l 语言中虚拟空间的基本单元称为节点( n o d e ) ，节点问以“父子”关 系形成层次性结构。节点之间可以通过事件( e v e n t ) 相互通讯，事件通过路由( r o u t e ) 在虚拟空间中传播。v r m l 定义了九种传感器( s e n s o r ) 节点类型，它们能够检测用户 和虚拟环境中物体的交互动作、用户在虚拟环境中的行为以及时间推移。传感器提 供的这些信息通过由v r m l 定义的整个虚拟空间体系产生视觉或听觉效果，给用户 造成和虚拟空间的交互体验。 在虚拟实验室中采用v r _ m l 脚本可以构造高逼真度的虚拟仿真环境，并可以 矍塑墨堡堕塑堑皇垫塞堕塞鲎堡星姿型坌：趔塑! 萎塑卫丝塑廑塑塞熊童盆为西二l 8 华中科技大学硕士学位论文 层次模型，第一层用于建立整个实验室的虚拟仿真空间环境，第二层则设计制作实 验仪器设备的仿真模型。然后通过节点间形成“父子”关系层次连接成一个整体。 ( 2 ) 用a c f i v e x 控制构造虚拟实验室的交互式标准组件 a c t i v e x 技术为我们引入了“软件组件”这个新的概念，不必再将电脑软件编写 成一个大型完整且独立运行的工具。为了能使软件完成更大更复杂的任务，可将它 分割成小的模块，这种模块便是组件 2 2 】。各组件的宗旨便是完成特定的任务，而且 组件能够跨应用程序、跨平台、跨网络运行。采用组件概念为构造虚拟仪器带来了 很大方便。 简单地说，a c t i v e x 是一种体系结构，它允许使用不同编程语言开发的软件组件 在网络环境中相互操作。a c t i v e x 体系结构使用了m i c r o s o f t 的组件对象模型及分布 式组件对象模型标准允许不同组件对象实现本地相互对话及网络上对象之间通信。 a c f i v e x 这种重复使用和自包含的本质来源于微软更早的面向对象的应用程序设计 思想，也就是由原来的o l e 控制，或o c x 控件而发展成为现在能够运行在w e b 页 面上的软件组件，使得创建的应用程序能供客户端下载运行。 由于a c t i v e x 是一种开放的技术开发者可以创建自己的a c t i v e x 控件，a c t i v e x 控件是程序的自包含片断或独立的组件，不但可以在程序中重复调用，也可以调入 其它应用程序而成为其一部分【冽。比如我们可以在v i s u a lc + + 中使用a c t i v e x 技术， 开发出各种常见的参数调节旋钮、数字显示屏等通用a c t i v e x 控件( 如称为旋钮控 件和显示控件) 。这样可以在构造不同仪器中反复使用，不但可以由控件组成仪器， 还可以由小仪器组成复杂的大仪器。在我们利用v i s u a lc 十+ 所开发的光纤通信虚拟实 验课件中即采用了a c t i v e x 技术。 a c t i v e x 控件的开发工具有v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，d e l p h i 等，在v i s u a lc + + 中建立自己的a c t i v e x 控件相当简单，它保留了人们熟悉的属性、事件和方法，通 过在程序设计和运行时修改程序的属性、调用控件、在控件的事件中加入程序代码 即可方便的组建应用程序。 1 - 4 本课题的主要研究内容 1 4 - 1 课题的提出 随着网络远程教育广泛的应用与展开，作为工科专业教育必不可少的实验环节 也逐渐构成远程教育的一个重要方面。进行远程实验教学有许多方法，其中基于 9 华中科技大学硕士学位论文 w w w 的虚拟实验室因为其强大的交互性和访闻的便捷性成为解决远程实验教学的 一个首选方案。在构建基于w w w 的虚拟实验室的过程中，运用了一系列的网络技 术，如教学网络系统硬件平台的建设。v r m l 虚拟现实技术、交互式网络应用编程 技术等。本课题正是基于这样一些问题而提出并展开详细的讨论。 1 - 4 2 本论文的主要内容 本论文开篇主要介绍了现代远程教育的发展历程和国内外概况，讲述了虚拟实 验在网络远程教育中的重要意义。接下来简要介绍了虚拟实验室的基本概念及基本 结构，并指出了虚拟实验室的实现方法和采用的关键技术。 第二章就光纤通信虚拟实验室的总体系统设计方案进行了较为详尽的论述和研 究，从硬件网络平台的建设和虚拟实验教学软件的开发两个方面提出了具体的实现 方案。 第三章重点论述了虚拟实验室的硬件环境建设和网络系统平台的构建方案，包 括虚拟实验局域网络的体系框架、拓扑结构和具体配置要求，虚拟实验教学服务器 的配置和系统操作平台的选取和设置。 第四章和第五章分别具体论述了采用v r m l 虚拟现实建模语言设计虚拟实验仿 真环境和运用a c t i v e x 技术开发交互虚拟实验课件的过程，给出了具体的实现方法。 考虑到虚拟实验和真实实验的结合会给远程实验教学带来更好的效果，本文的 第六章创新性的提出一种方法，通过实验仪器的计算机接口，运用网络通信技术将 虚拟实验平台和真实仪器联接在一起，实现学习者通过虚拟实验平台对真实仪器的 操作，并取得相关真实实验数据，进行结果分析和实验评价。 第七章介绍了虚拟实验平台的整合和试运行情况然后对本课题的主要结论进 行了总结。文章最后列出了课题研究和写作过程中的参考文献和本人在硕士期间发 表的论文。 一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 第二章系统设计方案研究 2 1 总体规划 2 - 1 1 光纤通信实验简介1 2 4 i 光纤通信实验是一门非常重要的专业基础课，面向信息学院相关专业的学生。 通过提供一个良好的实验环境，让学生接触最先进的光纤通信器件与仪器设备，通 过实验操作与训练，培养学生的实验技能与创新思维，使学生初步掌握第二代光纤 通信系统的基础知识，具备较强的独立实验工作能力，为他们走向社会工作打下良 好的基础。 光纤通信实验中包括很重要的基础知识和专业技能。信息类工科专业的学生都 要学习该课程。其教学内容主要包括光纤通信基础技能实验、光纤通信系统综合实 验和光纤通信测试仪器设备的使用操作等几个部分。 2 - 1 2 构建光纤通信虚拟实验室的必要性 光纤通信实验中所使用的仪器大多操作复杂，价格昂贵，要想让所有的学生都 亲自动手做实验需要很多的资金投入，购买多套有关设备：并且测试仪器使用起 来比较复杂，从未接触过的学生在使用时很容易因为误操作而损伤仪器，造成一些 不必要的损失。一般采用的教学方法是让学生分成几组，一个组里的学生一起使用 一套设备：或者由老师做演示实验，学生在旁边观摩。这种教学方式存在明显的不 足，学生做实验的独立性得不到保证，有些学生根本就不动手或者得不到动手的机 会，影响了他们的学习积极性和主动性。更别谈校内外的其他对光纤通信感兴趣的 学生和有关人士对学习本课程的需求了。再加上近年来光纤通信技术、计算机技术、 网络技术的飞速发展，教学内容难免显得有些陈旧和过时，教学模式亟待改变和提 高。 经过多方调查和研究，我们确立了构建基于w w w 的光纤通信虚拟实验室的方 案。通过这种网络化虚拟教学技术对光纤通信实验课程的教学内容、方法和手段进 行全面改革，建成一个光纤通信虚拟实验远程教育平台，实现光纤通信实验的网络 化虚拟实验教学，真正成为一个不仅面向本系的，而是面向全校的，甚至是面向全 社会的开放型实验室，为更多的人提供学习的机会。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 虚拟实验室的整体规划 随着i n t c r n e t 网络技术的不断发展，网络已经越来越普及，应用面也越来越广。 基于互联网技术的w w w 模式由于其良好的易用易开发性、跨平台的兼容性和广泛 的网络技术支持而日益受到普遍的应用口5 1 口q 。我们选择通过i n t e r n e t 实现基于w w w 的虚拟实验室平台构建方案。主要做法是按远程虚拟实验教学的要求开发光纤通信 实验课程教学内容和虚拟实验教学软件，并运用目前最新最实用的网络编程技术， 实现系统的全面网络化，用光纤通信教学实验室的服务器：作为i n t e r n e tw e b 服务器， 在因特网上建立一个光纤通信虚拟实验室，全天对学生提供服务。学生可以利用校 内甚至校外的任何一个联网计算机终端浏览虚拟实验室、学习实验课程内容，做虚 拟实验室开出的实验。由于不受时间和地点的限制，学生们不仅在课程学习阶段， 而且在将来的论文阶段以及任何需要的时候都可以充分利用虚拟实验室提供的资源 来不断地巩固他们所学的知识。同时，虚拟实验室还会通过一套网络数据库系统对 进入虚拟实验室的学生进行有效的管理。 光纤通信虚拟实验室的整体规划框图如图2 一l 所示。 图2 一l 光纤通信虚拟实验室的整体规划框图 光纤通信虚拟实验室的硬件网络平台建立在光纤通信虚拟实验室的服务器( p c s e r v e r ) 和有四十台终端的虚拟实验局域网( l a n ) 上，该局域网可以在本地提供光 纤通信虚拟实验的教学服务，同时该服务器通过网络联接设备和校园网( h u s t ) 相 连，进而连入教育科研网( c e r n e t ) 和i n t e m e t ，这样，就可以对非本地的远程客户 提供远程虚拟实验服务a 墨塑至塑堂堑望焦壅堕旦型塑塞塞堡墨亟鱼! 堕! - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ - _ ， 1 2 华中科技大学硕士学位论文 e q u i p m e n t s ) 通过接口和服务器联接起来，这样，就可以通过网络获取真实的实验数 据，进行分析和计算，甚至对实验仪器进行控制和操作印】。 光纤通信虚拟实验室的教学服务器上安装基于网络的操作系统、i n t e m e tw e b 服 务器程序、数据库引擎等系统软件，用于提供虚拟实验软件运行的系统环境，在这 个系统环境下，根据光纤通信虚拟实验的教学要求，开发出配套的光纤通信虚拟实 验教学软件，主要包括虚拟现实仿真实验环境、交互式虚拟实验课件、虚拟实验管 理器和真实仪器与虚拟平台接口程序等等。 2 2 硬件网络规划 光纤通信虚拟实验室的网络规划方案是建设一个拥有四十台虚拟实验终端、两 台虚拟实验教学服务器的虚拟实验局域网络，用来在本地开设光纤通信虚拟实验； 并且虚拟实验教学服务器要通过教育网连入i n t e m e t 以便对非本地学生提供远程虚 拟实验服务。 2 2 1需求的提出和技术化分析圳 需求调研是网络规划的开端，只有针对用户的问题和要求的网络规划才有可能 是成功的网络规划，为此在网络设计前十分有必要进行深入广泛的需求调研。经过 对有关老师和学生的调查，将所收集的信息和资料进行整理归纳，分析如下： 1 、需求：学生通过局域网终端访问服务器，进行光纤通信虚拟实验课程的学习， 网络中传输的数据不仅仅是一般数据文件，还有图像和声音等多媒体文件。 分析：需要较宽的带宽，考虑到实际最大通信量比较大，应在网络设计中采用 高速网络技术。 2 、需求：远程客户想要随时访问本服务器进行远程虚拟实验。 分析：需要一个i n t e r n e t 服务器和一个基于网络的应用系统软件，同时将本网和 校园网联接起来进而连入i n t e m e t 。 3 、需求：一旦网络运转后，要求不问断工作，可靠性要求高。 分析：要求系统为多级容错系统，宜采用磁盘镜像和双工镜像技术。为此可考 虑采用使用w i n d o w sn t s e r v e r4 0 操作系统，并建议最好采用双s c s i 硬盘，以便重 要数据的备份。 4 、需求：电压不稳或可能断电。 一一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 分析：为服务器配备u p s 不问断电源。 5 、需求：由于本系不是计算机专业，故不可能由计算机网络方面的专业人员来 维护管理网络。 分析：采用技术成熟支持厂家最多的以太网技术及有关硬件设备。并采用星型 拓扑结构，便于管理。 2 2 2同络系统要达到的目标 根据上面的需求分析，要满足虚拟实验室的教学要求，该网络系统要达到以下 几个目标： 1 、有较宽的带宽，使所有虚拟实验终端能较快地上网，访问教学服务器； 2 、对远程访问客户提供快速应答： 3 、使所有终端能方便地获取共享资源，同时也得到合理监控； 4 、系统运行稳定可靠； 5 、能满足以后虚拟实验平台升级和扩展的需要。 2 2 _ 3网络系统建设的指导思想 本网络在设计规划期间主要依照以下指导思想：规划的网络要技术先进而且可 靠：规划的网络不但要功能完善，并且要着眼未来：规划的网络应在实验室可以忍 受的资金投入下获得最高的性价比：规划的网络不能超过实验室的能力，不能浪费 资源。 - 下面分别加以具体讨论。 1 、规划的网络要技术先进而且可靠。 采用先进的网络技术是为了使网络系统达到更高的目的，有更强的功能，在应 用中发挥最大的作用，并可在相当长时期内不致于被淘汰。本系统采用的f a s t e t h e m e t 是目前较先进的网络技术，具有维护简便，带宽较宽的优点，而且可保证 在以后相当长的一段时期内满足速度上的要求。但同时并不是说所选用的网络技术 越新越好。新技术往往还未经过充分的实践检验，可靠性得不到充分保证。比如若 本系统选用1 g b i t s 的s u p e r f a s te t h e m e t 是不切实际的，除了技术不成熟外，价格上 也不能承受【2 9 】。 2 、规划的网络不但要功能完善，并且要着眼未来。 随着网络用户的不断增加，应用范围不断扩大，网络新技术层出不穷，原来的 。一一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 网络