（计算机应用技术专业论文）基于web的电学虚拟实验室系统设计及实现.pdf

基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 摘要 随着教育信息化的发展，网络教学迅速发展和普及，而网络实验教学却是 其中的薄弱环节，因而构建一个突破传统局限的、不受时间和地域限制的网络 化虚拟实验室环境成为迫切需要解决的重要课题。作者提出了一个基于i n t e r a c t 网络，使用w e b 技术实现的电学虚拟实验室系统体系结构，重点解决了通过浏 览器进行虚拟电路实验操作和可视化电路计算的实时性问题。系统在客户端虚 拟实验平台的设计和实现是本文的一大特色。文中采用面向对象的设计思想， 按照软件工程的方法在国内首次提出并实现了i n t e r a c t 客户端电学虚拟实验操 作平台，用户在此平台上采用拖拽等全交互的操作方式，可以方便地完成全部 中学电路虚拟实验。本文对电学虚拟实验室系统的整体设计和实现也进行了详 尽研究与论述，提出的设计模型和解决方案对类似系统的构建极具参考与实践 价值。 关键词：虚拟实验室浏览器服务器结构( b s ) a c t iv e x 控件 活动服务器页面( a s p ) a c tiv e x 数据对象( a d o ) 基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m e 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 h n e t w o r kh a sb e e n d e v e l o p e d a n d p o p u l a r i z e dr a p i d l y , i n w h i c h e x p e r i m e n t a l e d u c m i o ni saw e a kp o i n t s o ，a ni m p o r t a n tt a s kf a c e du sa n dn e e d e dt os o l v e u r g e n t l yi st oc o n s t r u c t an e wm o d eo fv i r t u a ll 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 a c t ， w h i c hi 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 er e g i o na n dt i m e t h i sp a p e r p u t sf o r w a r d t h es y s t e mf r a m e w o r ko fa ne l e c t r i c sv i r t u a ll a b o r a t o r y , a n df i g u r e so u tt h ep r o b l e m s o fv i r t u a l e x p e r i m e n t a t i o ni n w e bb r o w s e ra n dv i s u a l i z e dc i r c u i tc a l c u l a t i o n i t m a i n l yd e s i g n sa n di m p l e m e n t sav i r t u a ll a b o r a t o r yp l a t f o r mi nc l i e n te n d f o rt h e f i r s tt i m ei nc h i n a , t h e i m p l e m e n t a t i o no f t h i sp l a t f o r mh a s a d o p t e do b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt h o u g h t s 谢t 1 1t h ew a y sa n dm e a n so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g t h e p l a t f o r mp r o v i d e sg r e a tc o n v e n i e n c e 、衍mh i 曲e f f i c i e n c yi nm a k i n g v i r t u a le l e c t r i c a l e x p e r i m e n t sf o ru s i n gd r a ga n dd r o pi n t e r a c t i v eo p e r a t i o nm o d e i ta l s op r o v i d e sa n o v e r a l ls o l u t i 0 1 1s c h e m eo ft h ev i r t u a l l a b o r a t o r ys y s t e m a n dp u t s f o r w a r dt h e f e a s i b l e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sf o r t h es e r v e ra n dc l i e n te n dr e s p e c t i v e l y i ti s b e l i e v e dt h a tt h ed e s i g nm o d e la n dt h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m ed i s c u s s e di nt h i s p a p e rw o u l dp r o v i d eg r e a tr e f e r e n c ea n dp r a c t i c ev a l u ef o rf u t u r ev i r t u a ll a b o r a t o r y a p p l i c a t i o n ， k e y w o r d s ：v i r t u a ll a b o r a t o r yb r o w s e r s e r v e ra c t i v e xc o n t r o l a s pa d o 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其它人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志为本研究所做的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位论文期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 。 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 2 。0 3 、i 多 叫虹 醐：越 第一章绪论 第一章绪论 i 1 引言 近二十年来，随着计算枫技术的普及和i n t e m e t 的飞速发展，人们日益感受 到科技给自身生活带来的巨大交化。继“信息高速公路”和“知识经济”之后。 美国副总统戈尔于1 9 9 8 年1 月3 l 目在加利福尼亚科学中心提出“数字地球”的 概念。这一概念一经提出，立即在一些国家引起了积极的反响。“数字地球”的核 心思想是用数字化的手段整体性地解决地球问题( 与空间位置相关的问题) 和最 大限度地利用信息资源。“数字地球”的提出代表了认识地球表面形态的进步和发 展，为下个世纪虚拟技术进入我们的认识领域打下了一个绝对需要的基础。 “数字地球”也引起了我国领导人和专家学者极大的关注，以研讨会等方式 探讨了“数字地球”的发展方向、发展战略，交流对“数字地球”理论、技术和 应用等方面的经验或认识。在建设“数字地球”战略思想的引导下，“数字化城市”、 “数字化校园” 4 1 的建设也悄然兴起。它们作为“数字地球”的组成部分，共同 为信息技术发展和未来信息社会的实现提供重要的基础设旌。 “数字化校园”是以数字化信息为基础，以计算机技术和网络系统为依托， 支持学校教学和管理信息流，实现教育、教学、科研、管理、技术服务等校园信 息的收集、处理、整合、存储、传输、应用，使教学资源得到充分优化利用的一 种虚拟教育环境。“数字化校园”是数字化教育的实体表现，是在现代化教育理 论指导下，通过计算机、网络、多媒体、虚拟现实等数字化技术与教育教学各个 环节紧密融合，对教育体制、教学模式、教育内容等进行全新建构后形成的数字 化自主、积极的学习环境。“数字化校园”是现代化教育发展的理想和必然目标， 是未来的大学、未来的教育的发展方向。 “数字化校园”的组成叫主要包括基础设施、网络基本服务系统、应用支撑 系统和信息服务系统等四部分，其中基础设施主要包括校园数据网络、有线电视 网络、卫星网络( 用于远程教育) 以及在这些网络上提供服务的服务器系统。网 络基本服务包括最常用的i n t e r n c t 服务( 如电子邮件、文件传输和主页发布等) 和实现上层网络应用所依赖的基础服务( 如域名服务、目录服务及认证系统等) ， 它是衡量网络系统功能是否完善的一个重要标志。应用支撑系统是校园数字化的 核一i i , 部分，它包括办公自动化系统、各类管理信息系统、数字图书馆系统、网络 教学系统。信息服务系统是直接面向用户的系统，它为用户提供一个统一的界面 来获取各种应用系统的服务。其中，应用支撑系统是数字校园的支撑。这些系统 基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 利用网络基础设施和服务直接管理数字校园的各项资源。建设功能完善的数字校 园，其应用支撑系统一定是重中之重。 学校不仅要对学生进行课堂教育，向学生传播各种科学理论知识，更重要的 是要提供实验教学环境，使学生通过自己动手操作，用实践检验所学的知识，并 从实践中发现、认识新知识。因此，在数字校园应用支撑系统的建设中，网络虚 拟实验室是一个重要的组成部分。 网络虚拟实验室【7 】就是在w 曲中创建出一个可视化环境，其中每一个可视化 的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖拽操作，用户可以进行虚拟、 仿真实验。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技 术的结合。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。虚拟实验室的建立，是数字校园的标志之一。 i 2 课题的提出 目前我国高等教育面临诸多问题，如高校扩招带来的教育资源短缺。传统的 教学设施陈旧、落后，跟不上教育发展的需要，学生的综合素质，特别是实践学 习能力亟待提高。课题的提出，为解决以上问题提供了一个行之有效的方法。 一、高校扩招造成教育资源短缺 高校大规模扩招从1 9 9 9 年开始，已连续进行了3 年，1 9 9 8 年全国计划招生 数目是1 0 8 万，2 0 0 1 年计划招生数目是2 5 0 万，扩招使在校生比原来增加了一倍 还要多。扩招使更多的学生有了上学的机会，但同时给高校的教育带来了巨大影 响。 首先是硬件设施不足和经费短缺问题。大量扩招，造成学校硬件设旄不能满 足需要，如教室、图书馆、实验室和体育设施等。而加强学校硬件设施建设，必 然需要大量经费，常规的经费不能满足需要，学校就面临经费短缺的困境。其次， 扩招必然造成学生质量下降。学校需要花费更多的物质和精力对学生进行培养。 最后，扩招也加大了学校管理学生的难度。 二、传统的实验教学不能满足教育发展的需要 传统的实验教学使用实物仪器，其设备往往比较陈旧，不能及时更新，从而 跟不上教育的飞速发展。传统实验教学的局限性主要表现在以下几个方面： 第一是地域的限制。不管何种类型的实验，实验地点是明确规定的，不管是 学生还是教师都必须到指定的实验室去，否则无法进行正常的实验教学活动。 第二是时间的限制。正象上面所说，即便学生和指导教师都到指定的实验室 去，不在规定的时间范围，也同样无法进行实验操作。这就要求学生和教师只能 第一章绪论 在规定的特定时间内能进行正常的实验教学活动。 第三是教学方式的限制。传统的实验教学方式是一种以某类实验为主的实验 过程，在学生进入实验室之前，教师将相关实验内容的实验仪器准备好，本次实 验操作的具体内容都由教师决定，他决定了学生进行哪一类实验，学生的主动性 是极其有限的。 第四是教学内容的限制。传统的实验教学内容是由特定的老师确定的，开始 实验之前，相关的实验原理、实验步骤、注意事项、实验中的所有知识点，不管 学生是否已经掌握，是否需要重点强调某部分内容，教师一般都针对全部学生讲 解一遍或数遍，不能满足学生的个别需要。另外。学生对实验内容的理解和操作 的程度如何，教师和学生本身都很难掌握和控制。 第五是教学仪器的数量和质量限制。学校实验仪器的采购，往往受自身经费 的限制，其数量和质量都不能满足需要。对于有些经费不足的学校，其实验设备 十分陈旧落后，而且数量较少，对某些贵重的仪器设备更是无力购买。虽然存在 社会捐助，但是在招生规模不断扩大的今天，只是杯水车薪。这样学生的实验教 学就受到很大限制，接受的实验教育不够充分，或者根本接触不到某些实验仪器 设备，从而影响了教育的整体质量，极大的阻碍了学生实践能力的提高，造成学 生的综合素质下降。 三、素质教育要求全面培养学生的素质 1 9 9 9 年，中共中央、国务院提出“关于深化教育改革全面推进素质教育的决 定”，把加强素质教育作为教育的主要方向。决定指出“电化教育”和“教育信息 化”的重要，要求教育部门和工作者从多方面努力、探索，构建一个充满生机的 有中国特色的社会主义教育体系。培养大批创造性人才。 进行素质教育的核心是要培养学生的科学精神和创新思维。这就要对学习者 的学习过程和他们所能接触和使用的教学资源进行设计、开发、运用、管理和评 估，改进教学方法、培养学生的创造性思维，大力推动信息技术教育。要大力开 发优秀的教育教学软件。探索新的更能适应教育发展的教学技术。 为了解决以上三方面的问题，实现教育的跨越式发展，本文提出虚拟实验室 的建设方案，借助现代化信息技术有效地扩大办学规模，通过网络技术为广大用 户提供先进的虚拟实验平台，使得用户接触到以静根本不可能接触的仪器设备， 更方便、更直接地接受先进的实验教学，进行个性化的选择学习。总之，虚拟实 验室作为一种新的实验教学模式，是实验教学改革的主导方向。虚拟实验室的建 立，将大大推进信息化教育的发展。 基于w e b 的电学虚拟实验宝系统设计及实现 第二章虚拟实验室系统概述 2 1 虚拟实验室的基本概念 以i n t e m e t 为代表的信息革命，使人类社会进入了全新的网络时代，社会经济 文化各领域发展呈现全新的模式。全球的网络化，使得物理空间作用淡化，地域 壁垒逐渐消失，整个世界逐渐融为一体。i n t e r a c t 提供的崭新的现代化通讯手段， 为人们的各种交流活动创造了条件。基于网络的“合作实验室”在这种形势下应 运而生。 “合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) ”，是虚拟实验室的最初提法，在1 9 8 9 年由美 i 虱弗吉尼亚大学的w i l l i a mw u l f 教授提出8 ，用来描述一个计算机网络化的虚拟 实验室环境。它致力于构筑一个综合不同工具和技术的电子化、网络化的科学研 究集成环境。在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用地理上分布的各种资 源( 数据、信息、设备、人力) 来从事科研活动。w l l l f 形象地把虚拟实验室称为 “无墙的研究中心”。在其间，科研人员不管其地理位置分布如何，都能共同从事 研究与同事们相互交流，使用仪器，共享数据和资源，在数字式图书馆中存 取信息，共同撰写研究报告等。所有这些活动不必面对面进行，而是在分布式网 络环境支持下，通过电子邮件系统、多媒体会议系统等手段来实现。因此。虚拟实 验室实质上是一个分布式计算机系统。在系统中，配置有具有遥控遥测能力的网 络化研究设备和数据采集平台，有支持协作活动的各种工具，建有可以支持大规模 数据共享的数字式图书馆。虚拟实验室的所有技术支持都旨在增强科学家、仪器 设备和数据等资源之间的交互交融，以提高科研效率，降低科研成本，为发展高 新科学技术提供强有力的技术保障，最终促进人类社会的进步。 以上是在科学研究方面对虚拟实验室的定义，它强调协作，科研人员通过这 个平台进行交流合作。共同完成科研任务。随着以计算机和网络为代表的现代信 息技术快速得进入到人们的学习工作生活当中，以多媒体网络教学和远程教育为 代表的先进的教育方式，成为人类学习的重要方式之一。服务于网络教育的虚拟 实验室，更符合人们对虚拟实验室的一般理解。 网络虚拟实验室就是在w e b 中创建出一个可视化的虚拟环境，其中每一个可 视化的二维或三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖拽操作，用户 可以进行虚拟、仿真实验。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网 络技术与仪器技术的结合。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 蔓三兰垒垫塞墼塞墨竺塑堕 ! 实验室操作仪器。进行各种实验。 综上所述，虚拟实验室可以做如下定义：它是一个无墙的实验中心，通过计 算机网络系统，研究人员或学生将不受时空的限制，能随时随地与同行协作，共 享仪器设备、数据和计算资源，得到教师的远程指导以及同行间的相互研讨交流。 2 2 虚拟实验室的分类 分析的角度不同，对虚拟实验室系统的分类就不同，以下主要从使用的用途 和实现技术以及实验教学的方式三个不同的角度来对虚拟实验室进行分类。 一、根据用途分为：用于科学合作的虚拟实验室、用于网络教学的虚拟实验室。 i 用于科学合作的虚拟实验室 提出虚拟实验室概念的最初目的，就是为了建造一个计算机网络化的虚拟实 验环境，在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用地理上分布的各种资源来 从事科研活动，相互交流合作，共享虚拟的仪器、设备，共享数据和资源。这样 的虚拟实验室实际是一个分布式计算机系统，包含具有遥控遥测能力的网络化研 究设备和数据采集平台，以及支持协作活动的各种工具1 9 】。用于科学合作的虚拟 实验室没有物理空间的限制，它的基础是i n t e m e t 。它最大的特点就是协作。 用于科学合作的虚拟实验室，为科技人员的异地交流提供了一个平台，它应 该支持以下基本功能： ( 1 ) 数据共享，即在不同地点研究同一项目的科学家能迅速、方便地查找所需 要的数据库资源： ( 2 ) 软件共享，即在不同地点的科学家能方便地分享支持数据分析、图表显示、 模型构造的软件工具： ( 3 ) 远程仪器控制，即各地的科学家都能控制、操作那些位于远程或人类难以 到达的地方( 如海底、太空) 的仪器设备； ( 4 ) 远程学术交流，即地理上分布的科学家能进行跨越时空的实时交流。虚拟 实验室提供的支持科研活动的工具主要有：视频会议及远程顾问工具，访 问及提取信息工具，开发合作及数据共享工具，远程观察用的可视化软件， 网络下的设备控制软件等。 通过虚拟实验室，各地的科学家可以方便地进彳亍协作，可以共享空间上分布 的各种资源。这对推动科研的发展和人类的进步，具有重要的作用。 2 用于教学的虚拟实验室 i n t e m e t 的广泛使用使传统的计算机辅助教学和电化教育手段向前迈进了一大 步。i n t e r n e t 实现了教师、媒体和学生的自主交流，使学生向着完全个性化这一目 基于w e b 的电学虚拟实验室系统没计及实现 标变得越来越现实。远程教学与虚拟教学是i n t e r n e t 上出现的一种新型教学与培 训方式，尤其受到教育界、科技界人士的普遍关注和欢迎，成为当前i n t e m e t 教 育应用的一个热点。 基于网络的虚拟实验室，是虚拟教学的重要内容，它用图像、动画和声音等 多媒体形式来模拟各种实验的全过程，既有详细实验步骤，又有形象生动的使用 界面。若需要做实验时，可随时调出i n t e m e t 上的虚拟实验程序，实验完成后还 能接受测验并保留实验结果，通过电子邮件将结果发送给老师和同学，得到他们 的评论和其它反馈信息。基于网络的虚拟实验室的建立，是我国高等教育在面临 巨大社会需求的形势下，借助现代化信息技术有效地扩大办学规模、实现教育的 跨越式发展的方向。 服务于远程教育的虚拟实验室，应当具有以下特性： 透明性：虚拟实验室的所有数据库、硬件，甚至人员集成于个系统， 使用标准的统一命令来实现功能服务，这种透明的结构决定了虚拟实验室的透明 特性。 资源共事性：建立虚拟实验室的宗旨之一就是为了实现资源共享。这个特性 可以减少重复投资，大大节约投资成本。 互操作性：虚拟实验室一旦开放，即具有互动性，远程用户同样可以操作本 地实验室，同时用户之间可以交流信息。 用户自主性：允许用户定制自己的使用方式，允许用户通过设置权限来保护 数据，以体现用户的能动性和自主性。 扩展性：允许虚拟实验室增加新的服务和特性。 安全性：虚拟实验室采用必要的措施和技术手段维护系统软件、硬件以及用 户知识产权的安全。 用于网络教学的虚拟实验室，用软件代替硬件，用编程模拟实验的全过程， 为用户提供了一个开放的虚拟实验环境。它的建立，是信息化教育的标志之一， 为传统的教学改革提供了条可行之路。 二、根据实现技术可以分为：基于虚拟原型的虚拟实验室、基于多媒体网络技术 的虚拟实验室。 1 基于虚拟原型技术的虚拟实验室 虚拟原型( v i r t u a lp r o t o t y p eo r v u t u a lp r o t o t y p i n g ，v p ) 的概念，最早出现于 制造业，它是在特定的计算机虚拟仿真环境下实现产品的设计分析、制造和装配 功能。该原型不仅能表达产品的零件和部件之间的层次关系、数据关系，还可以 帮助设计者了解整个产品的结构、装配和拆卸以及产品的可制造性，管理产品全 生命周期的历程。 第二章虚拟实验室系统概述 基于v p 技术的虚拟实验室研究方法【28 1 ，其本质就是一类计算的可视化问题， 是从工程角度研究科学计算可视化的理论与方法，同时也是科学计算可视化和v p 技术应用相结合的新领域。基于虚拟原型的、由虚拟元件和虚拟实验平台组成的 虚拟实验室，是通用微机加特别的软件构成的实验室，可以通过设计出种种实验 元件模型，进而模拟真实的实验情况，可实现“软件即仪器”，“软件即元器件”， 可解决传统方法无法解决的一些问题，基本上代表了虚拟实验技术的发展方向。 基于v p 技术的虚拟实验室系统基本框架如图2 1 所示： 图2 1 基于v p 技术的虚拟实验室系统基本框架 采用虚拟原型技术进行虚拟实验操作，是一种新的实验模式，可以促进教育 方式、方法和科学实验手段的进步，有着很大的经济效益和社会效益。这种实验 方式具有实验条件简单，费用低廉，设计方便，安全可靠，可进行非现实性模拟 等优点。问世后引起广大学者和用户的极大关注，当前在这个方向的研究工作已 取得较大的进展。 2 基于多媒体网络技术的虚拟实验室 构造虚拟实验室，使用软件模拟仪器的功能和对输入事件的响应，毫无疑问 需要用到多媒体技术。如上文介绍的基于虚拟原型技术的虚拟实验室，在实现过 程中要结合多媒体技术的应用，但是其核心技术仍然是虚拟原型技术。而基于多 媒体网络技术的虚拟实验室，主要采用文本、图形、动画、音频、视频等媒体形 式，通过计算机网络用人类习惯的方式生动逼真地传播和表达信息，让使用者立 即获得直观的认识。图2 2 是用多媒体网络技术进行物理实验教学的一个例子。 在多媒体网络技术视野下，实验教学焦点由“教”转向“学”，由“结果” 转向“过程”，由“知识”转向“能力”，以学生获取信息、创造知识为衡量尺 度，从而促进人的全面发展。多媒体网络技术所能包容的信息量和可提供的教学 资源是十分可观的，它不仅延拓了教与学的物理时空，而且为师生提供了超越时 空的、开放的交往环境以及心理交流的可能。多媒体网络技术不仅增强了教学的 基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 个性色彩，赋予了每个学生在学习时空、内容、方式、数量等各方面的自主权和 调控权，而且促使教学中心由教师转向学生，从重视老师的“教”转向重视学生 的“学”。总之，多媒体网络技术所具有的集成性、交互性、可控性、信息空间 主体化和非线性等特点使其与传统实验教学媒体有质的区别。它不仅改变了传统 的实验教学手段，而且对实验教学的模式、内容、方法等产生了深远的影响。目 前这技术正向着交互性、非线性化、智能化和全球化的方向推进。 图2 2 使用多媒体网络技术进行物理实验教学的例子 三、根据实验教学的方式分为演示型、半交互型、全交互型虚拟实验室 1 演示型虚拟实验室 通过静态网页上的文字、图片说明，在线播放视频、动画文件的实验教学片 等方式，介绍实验相关知识、演示实验过程。在这种方式下，用户可以很快对实 验的整体概念有所了解，获得实验的相关知识，观察正确的实验过程。这种实验 教学方式适用于对实验知识一无所知的初学者。其缺点是缺少交互性，用户只能 观看、记录，不能够自己动手操作。 2 半交互型虚拟实验室 事先设置好一定的实验环境，由用户去完成规定的某种动作，并实时显示其 实验结果。这种方式需要用户的参与，但是用户的行为是事先定义好的，用户只 能作规定的动作，而且行为受到一些限制，不能随意进行。因此这种方式称为半 交互型。它需要和用户交互来完成具体实验操作，与演示型相比具有更浓的虚拟 实验色彩。但是它的半交互性决定了只能用它进行某种特定的实验，针对性较强 而普遍适用性较差。 3 全交互型虚拟实验室 箜三兰壁塑窭竺堇墨竺塑堕 ! 该类虚拟实验室没有为用户设置具体的规定，用户可以随意的进行实验操作， 不必限制操作的先后顺序和虚拟器件的摆放位置，其实验结果也完全由用户的操 作决定。对于用户的每一步操作，都能立即给出对应的实验结果。就像在操作真 实的仪器。这种方式称为全交互型。它可以实现某一类虚拟实验，而不是具体某 个实验，因此应用范围更广，开发难度更高一些，是今后虚拟实验室技术研究的 主要方向。 本文致力于研究的基于w e b 的电学虚拟实验室系统，就是用于教学的、采用 虚拟原型技术、全交互型的虚拟实验室。该系统为用户提供网络化的实验教育平 台，使用户不再受到时空的限制，只要通过浏览器即可访问，方便地进行虚拟实 验操作。 2 3 国内外虚拟实验室系统的发展及现状 虚拟实验室概念的提出至今仅有十余年的时间，但因其诱人的应用前景，各 国均在大力开发，已经取锝了一些进展。目前，虚拟实验室在发达国家已十分普 及。美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，已将 虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。早在1 9 9 1 年底，美国科学基金会、美国 国家研究顾委会下属的计算机与远程通讯部组成了一个“全国( 科学) 合作实验 室委员会”，负责调查科学家对信息技术的需求和开发支持科研合作的信息技术。 此后，美国政府投入巨大财力在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造 了各自的虚拟实验室作为示范工程。开展了一系列探索性研究并取得了实质性进 展。美国一些政府部门，如能源部，正在制定计划将其所属科研机构过渡到合作 实验室环境中。目前，美国“虚拟( 合作) 实验室”及其相关研究的前期工作已 引发出一系列理论和技术问题，越来越多的科学家正投身其中为构筑一个全国性 的虚拟实验室而开展工作。 作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国， 从一开始就十分重视虚拟实验室的研究开发，在该领域的研究已处于领先地位。 其他国家的一些大学也已开始对虚拟实验室的研究工作【】嘲雕5 1 ，组建了远程网络 虚拟实验室。如德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系 开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步 建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统； 华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供 远程教育使用；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了 一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。 基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 以上对虚拟实验室建设的探索实践，取得了一定成果，但是其功能普遍比较 单一，一般针对某种具体虚拟仪器的应用而适用面较窄，其界面复杂，不利于用 户操作，与用户的交互性不强。因此，本文提出丌发电学虚拟实验室，用户通过 浏览器进行简单的鼠标操作，即可完成全部中学电路实验，其界面友好，与用户 交互性强，是真正意义的网络化虚拟实验室。 2 4 研究开发虚拟实验室系统的意义 一、虚拟实验室的提出是一种新的实验教学模式 论文的提出是实验教学改革的主导方向，解决了目前普通高等院校普遍存在 的实验教学困境。 近年来，随着高等院校教学改革的不断深化，和招生人数不断扩大与实验基 地建设经费投入不足的矛盾，使得实验教学质量的问题越来越突出，其主要表现 如下：( 】) 实验教学内容和方法陈旧。现有教学内容多为验证性实践，开放性、设 计性、综合性实验比例太少。很多实验教材是十几年甚至几十年沿袭下来的，方 法多是按教师事先给定的模式和步骤，学生依葫芦画瓢即可。其结果是学生共性 多、模仿多、被动多、个性少、创新少、主动少。( 2 ) 管理不适应。现仍有相当的 实验室是在教研室的领导下按课程或专业设置的三级管理模式，造成技术力量单 薄、资金分散、设备落后，建设重复，实验装备和技术力量难以形成藤体优势。 此外，实验室利用率不高，学生的实践时间受限制，没有给学生动手能力和创新 能力的培养提供良好的实践环境。( 3 ) 用于实验教学环境建设的经费不足。( 4 ) 实验 教学内容更新慢，实验设各优化组合发展趋势进度缓慢。( 5 ) 校际之间、学校与科 研院( 所) 之间、学校与企业之间以及学校与社会之间的信息交流渠道不畅通， 院( 系) 对先进教学仪器设备以及先进实验方法手段了解甚少。 虚拟实验室的出现是对传统实验教学模式的改革，为打破传统模式的局限性， 提高实验教学质量，促使实验教学由实物实验教学向虚拟实验教学、远程虚拟实 验教学发展，实现我国自主知识产权软件的跨越式发展，解决远程虚拟实验教学 短缺的困扰，提供了最佳解决办法。 二、虚拟实验室的提出是信息化教育的必然趋势 虚拟实验室建设是以“数字化校园”概念为基础的实验教育信息化工程，通 过网络设施建设和实验教育应用功能开发，构建一个集实验教学、操作、指导、 结果提交为一体的数字化实验教育环境。 随着信息技术飞速发展，使计算机处理信息、加强人际间交流的能力迅速提 高，已成为入们快速处理各种庞大而复杂的信息所必不可少的现代工具。因此， 第二章虚拟实验室系统概述 必须运用现代先进的计算机技术来改善实验教学环境，建立与现代信息技术相融 合的网络实验教学系统，及时更新教学内容，高效率传播先进的科学技术，普遍 提高学生实验操作能力，从实践中培养学生的创新能力。这样，有利于学生在有 限的在校时间内尽可能的获取更多、更先进的科技知识和信息，培养社会急需的 人才。同时，也有助于我国终身学习体系的形成，实现教育的跨越式发展。 综上所述，本章回答了两个问题：什么是虚拟实验室，为什么要建设虚拟实 验室。首先介绍了虚拟实验室的基本概念，并从三个角度对虚拟实验室系统进行 分类，从而对虚拟实验室的用途、实现技术和表现形式等有所认识；接着，对国 内外虚拟实验室系统的发展现状作了介绍，了解我国与发达国家在虚拟实验室研 究方面的差距，以及未来的研究方向；最后，强调了开发虚拟实验室系统的意义a 基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 第三章基于w e b 的电学虚拟实验室系统方案研究 通过前面的章节，对网络虚拟实验室的概念和建造技术有了基本了解。鉴于 开发网络虚拟实验室对现代实验教育的重大意义，本章对基于w e b 的电学虚拟实 验室系统的总体设计进行详细论述。 3 1 系统总体目标与分析 基于w e b 的电学虚拟实验宣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，该虚拟环境应该具有可视化、全交互、资源共享、安全性等特点， 真正突破地域和时间上的限制。达到远程实验教学的目的。 从涉及的对象来看，基于w e b 的电学虚拟实验室系统要解决学生做实验、教 师批改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涯，学生可以为自己的i d 号设置保密字，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。在虚拟实验室中，学生可以自由选择实验使用的器件，通过鼠 标操作器件，并在器件之间进行虚拟的电路连接。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，其主要任务是批改学生提交的实验报 告，对实验报告进行打分和综合评价，指出其优点或不足之处，以使学生从评语 中对实验学习有更加深刻的认识。 网上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的特点。网上 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，并将其转换成静态网页的 形式以便教师批阅，以及将已被批阅的实验报告返回给学生客户。 从以上论述中可以看出，基于w e b 的电学虚拟实验室系统包含教师和学生两 种用户，他们均可以通过浏览器进行相关操作。共同完成网络电学实验教学的过 第三章基于w e b 的电学虚拟实验室系统方案研究1 3 程。系统的管理工作，放在服务端，由特定的软件平台完成。图3 1 给出了用户 访问虚拟实验室系统的示意图。 匪卜匝亟芦h t t p 匝堕三卜一 图3 i 用户访问虚拟实验室系统的不惫图 由于电学虚拟实验室的建设是围绕对学生进行网络电学实验教育而进行的， 学生是系统的最终使用者，因此，系统要能提供一个虚拟的电学实验操作平台， 学生在这个平台上可以完成中学电路实验的全部操作。从使用者的角度来看，系 统应该具有以下特点： 首先，系统应该具有可视化特点，可以采用图像、动画和声音等多媒体形式 逼真的模拟各种实验的全过程，既有详细实验步骤，又有形象生动的使用界面。 若需要做实验时，可随时调出i n t e m e t 上的虚拟实验程序，实验完成后还能接受测 验并保留实验结果，通过文件上传将实验结果提交给教师，得到教师的评论和其 它反馈信息。 第二，系统应该具有全交互特性，对用户的任何操作都能立即给出反馈。中 学的电路实验不同于其他实验，它们一般是基于直流工作点的电路计算。用户的 每个动作，比如在两个器件中间连接一根导线，或者拖动滑动变阻器的滑块，都 可能引起电路状态的变化，系统要能及时对这些变化做出反应。 第三，系统应该具有资源共享特性，连接到i n t e m e t 的每台机器，只要获得访 问权限，都可以使用虚拟实验室提供的各种资源，进行实验操作。用户将不再受 实际实验中的时空限制，可根据个人情况选择具体实验类型。 第四，系统应该具有安全性。安全性是开放的、透明的、资源共享的虚拟实 验环境所必需的保障条件。这个安全性不仅指保证访问虚拟实验室的用户机器、 数据的安全，也指虚拟实验室能够禁止非法用户的访问。 以上对电学虚拟实验室系统的总体目标进行了分析，在此基础上，将对系统 的功能进行详细的规划设计。 3 2 系统的功能规划 网络化虚拟实验室系统的设计与制作过程，必须在实验教学理论的指导下， 做好实验教学设计、系统整体结构设计和系统功能模块设计，特别要作好学生虚 拟实验操作模块的功能设计。系统的最终实现，将围绕功能设计来进行。下面首 先对系统进行整体设计。 基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 3 2 1 系统的整体设计 网络实验教学与传统实验教学相比，要实现的总体目标基本相同，都是达到 传授知识的目的，但是前者的方式更加灵活，表现的内容更加丰富。图3 2 给出 了网络实验教学的流程。 学生界面教师界面 醴仁蓉 图3 2 网络实验教学的流程 从这个流程图来看，系统具有学生方和教师方两类客户，两类工作方式。对学 生方来说，成功登陆系统之后，可以选择进入虚拟实验室进行实验操作，或者提 交保存在本机的实验报告，也可以查看教师对已提交的实验报告的评语。而教师 方主要的工作是对学生进行管理，比如添加、删除或修改某个学生的个人信息， 以及批阅学生提交的实验报告，并将批阅的结果返回服务端。 w e b 服务器端，主要提供用户访阎虚拟实验室的方式，实现虚拟实验室的管理 功能。服务端负责对学生用户和教师用户的管理，以及用户身份验证的功能。服 务端必须保证合法用户能够通过浏览器正常访问虚拟实验室，而不会对客户的机 器产生潜在的安全性威胁；必须提供安全机制保证虚拟实验室不被非法用户使用。 服务端要能够正确接收学生提交的实验报告，并将其生成静态的h t m l 格式的网页， 以供教师批阅。最后，服务端保存批阅后的结果网页，供学生查看，获得教师的 反馈信息。 从以上的分析可以得出，系统由三部分构成：学生客户端、教师客户端和w e b 服务器端。系统应该能够为两种客户端提供不同的访问界面和不同的功能操作， 而对这两种客户端的管理，应集中放在w e b 服务器端进行。w e b 服务器端统一处 理客户端的各种访问请求，并和数据库服务器连接，存取虚拟实验室的有关数据 信息。系统中，学生和教师的交互是通过w e b 服务器进行的。图3 3 给出了系统 第三章基于w e b 的电学虚拟实验室系统方案研究1 5 设计的整体结构图。 学生方w 曲服务器教师方 广 lj ；| 户登陆验证i r _ _ _ _ _ - _ 一r 。1 一 一 i 虚拟实验操作卜1实验室管理r 叫 学生管理 i l - _ j 。- 。一l 一一j 提交实验报告 删除实验报告 查看报告评语 实验报告处理h 批改实验报告 实验报告接收处理 数据库 图3 3 系统的整体结构圈 3 2 。2 系统的功能模块设计 在系统整体设计的基础上，下面对系统进行功能模块设计，明确各个模块需 要实现的系统功能。 一、学生客户端实现的功能 学生客户端包含两大功能模块：虚拟实验室和实验报告的处理。学生可以在 虚拟实验室里进行中学电学实验的全部操作，使用软件仿真基本电路实验，包括 绘制电路图，观察电路中相关仪表、输出元件的显示读数或结果状态等，从而对 电学有关理论有直接的感性认识。完成实验操作后，学生可以输入相关文字，如 实验内容、实验原理和实验步骤等，以生成实验报告，并将结果以文件形式保存 在本机。同时，虚拟实验室还要具有和服务器端交互的功能，以实现安全性验证 功能。 学生客户端还包含对实验报告的处理模块。学生要能够将本地保存的实验报告 提交给服务器，以便教师评阅：要能查看已提交的实验报告，阅读教师的评语； 还要能够删除过期的、无用的实验报告，以释放其占用的用户个人空间。学生客 户端的功能如图3 4 所示。 二、教师客户端实现的功能 教师客户端包含两个功能模块：学生管理和实验报告的处理。教师能够将某 基于w e b 的电学虚拟实验室系统设计及实现 个学生加入本班。使之成为班级成员；能够修改成员的信息；能够将学生从班级 中删除。这是教师对班级实施管理的功能。教师的另一个主要职责是批阅实验报 告，并将评语提交给服务器。图3 5 是教师客户端的功能图。 学生客户端 虚拟实验室 虚 拟 实 验 操 作 生 成 实 验 报 告 实 验 结 果 保 存 与 服 务 器 交 互 实 验 报 口 提 交 图3 。4 学生客户端的功能图 实验报告处理 实 验 报 口 查 看 图3 5 教师客户端的功能图 删 除 实 验 报 告 三、网络实验管理实现的功能 网络实验管理包含三个功能模块：用户管理、实验管理及资源和数据的管理。 其中，用户管理包含对学生和教师两种用户的管理，如添加、删除和修改操作， 以及对用户的身份进行验证的功能；实验管理保证了学生用户对虚拟实验室的正 常访问，可以进入实验室进行虚拟实验操作。同时也保证了虚拟实验室的安全性， 第三章基于w e b 的电学虚拟实验室系统方案研究 拒绝非法用户的访问；资源和数据管理中包含教学资源的管理和实验报告的管理， 网络实验管理模块要能够完成一些教学资源的发布和更新操作，能够从学生客户 端接收提交的实验报告，并将实验报告转换成网页的形式转发给教师，在教师的 批阅工作完成后，接收教师的评语等信息，并将己批阅的实验报告再次以网页的 形式发布给学生：通过实验管理模块，学生还能够删除已提交的实验报告，从而 释放所占用的服务器硬盘空间资源。图3 6 是网络实验管理的功能图。 图3 6 网络实验管理的功能图 以上三个模块的功能均由服务器端实现完成，只是对不同的访问用户，提供 不同的功能界面。真正实现了基于网络的虚拟实验室系统。 3 3 系统的结构模型 由系统的总体目标和整体分析可以看出，基于w e b 的电学虚拟实验室系统在 实现上是采用b r o w s e r s e r v e r 的软件体系结构，使用户通过浏览器就可以访问虚拟 实验室进行相关操作，而不用在客户端安装专门的软件- b s 结构与传统