网络虚拟实验室体系结构研究
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摘 要 随着计算机、网络技术的不断发展，网络虚拟实验室得到越来越多的应用。介绍了虚拟实验室的基本特点及其体系结构，实现虚拟实验室的四种关键技术： Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探讨了虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题。
关键词 虚拟实验室 远程教育 现代教育技术
迅速崛起的现代教育技术把虚拟实验引入到了实验教学中。虚拟实验的应用改变了传统的教育模式，使得教与学方式发生了革命性的变化。目前，用于实验教学的计算机虚拟实验软件非常丰富，加上高校计算机及网络资源，为虚拟实验的开设提供了必要的基础条件。通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象，它不仅仅能够提高实验教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够身临其境地观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。
1 网络虚拟实验室的发展及其特点
网络虚拟实验就是在WEB中创建出一个可视化的环境，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曳操作，用户可以进行虚拟的实验。网络虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术与网络技术的结合。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。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。许多国内外从事实验室工作的研究者们在实践中还提出这样一些概念：Digital Lab、MBL(Micro-computer Based Lab)，尽管这些名词不统一，但他们的实践从不同的层面实现了虚拟实验室。
1.1 印地安那州立大学的MBL化学实验室
该实验室在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事，用计算机采集与分析实验数据，用计算机展示实验，在网上发布相关的实验指导材料。
1.2 芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室
该实验室充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教材;实验教学时间表;实验测评方法、形式、时间;虚拟实验;相关教学资源的链接等。他们还用计算机进行实验教学的教务管理。
1.3 卡罗莱纳州立大学的LAAP(Learn Anytime Anywhere Physics)
他们利用Java技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于Java Applet的虚拟实验设备和实验设施;相关的实验课程模块;实验学习结果评价模块;协作学习模块。
虚拟实验室最大的优点是成本低，效率高。因为“软件即为仪器”，这样就可解决因实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏所不能开出的实物实验，同时也不会造成因使用不当，管理不善等因素造成的仪器损坏、元器件丢失等现象。同时虚拟实验还可以模拟实验室中没有的设备，而且还可以不受时空的限制方便地进行实验 。另外，虚拟实验室还应具备一些基本特征：与现实的一致性(或现实的延伸)、高度交互性、实时的信息反馈。
2 网络虚拟实验室体系结构
网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统，网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各部分之间相互联系相互补充，仅具有相对独立性。开发虚拟环境，实现实验仿真应是虚拟实验室建设的核心部分。图1是虚拟实验室体系结构图。
3 构建网络虚拟实验室的关键技术
目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。总结他们所使用的技术，可以看出大多可以划分下面几类：
3.1 Java技术
Java是一个广泛使用的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先，作为一种程序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安全性、并且提供了并发的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了网络，Java的小应用程序(applet)可在网络上运行而不受CPU和环境的限制。另外，Java还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。
3.2 ActiveX控件
ActiveX技术允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作。Ac?鄄tiveX使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信，使用ActiveX开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在虚拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这一点对于持续开发过程尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以划分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最终的项目。可以开发ActiveX组件的环境有很多，其中开发效率最高和最易上手的是Visual Ba?鄄sic。
3.3 VRML技术
VRML是虚拟实境描述模型语言 (Virtual Reality Modeling Language) 的简称。它是描述虚拟环境中场景的一种标准，也是在网上实现虚拟现实的关键性技术。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维、多媒体集成、逼真自然等，被成为“第二代WEB”，已经被越来越多的人们所重视。国际标准化组织1998年1月正式将其批准为国际标准。VRML是一种建模语言，其基本目标是建立Internet上的交互式三维多媒体，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界。用VRML实现与Internet虚拟现实交互有下面几个好处：丰富了媒体表现形式、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VRML融合到网上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。
3.4 ASP技术
ASP(Active Server Pages，动态服务器端网页)，内含在Internet Information Server 3.0及其以上版本中，提供一个服务器端的脚本环境，用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序。ASP不只是动态的网页，它更是当今众多的Web应用程序实作方式之一，它负责整个Web应用程序的控制部分。ASP提供五个内建的对象供使用者调用，即Re?鄄quest对象(取得用户信息)、Response对象(传送信息给用户)、Server对象(提供访问服务器的方法、属性)、Application对象(用于多个使用者在多个网页间共享信息)和Session对象(用于单个使用者在多个网页间共享信息)。
4 网络虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题
计算机软件技术发展到今天，为虚拟实验室开发提供了极大的方便。目前开发所需的系统软件或工具均支持面向对象的程序设计。它们都有事件驱动的支持，消息循环的程序设计方法及多媒体操作技术。在开发过程当中要注意以下几个问题：
事件触发时机的选择，实际操作当中某个按钮按下后并不立即反映，需要延时回应，外部接口的输入信号或其它信息往往是定时触发或随机触发的事件，若为随机触发的事件则可用一定时限内的随机数来取代固定时间。
事件联锁关系或动态顺序关系可以存放在一张数据库表中描述，修改方便。给定相应的条件、控制范围，自动形成数据表，使数据和程序独立。
模拟声音，要使实验达到逼真，除了模拟控制台实物景象，还要模拟它们实验环境中的各种声音，如汽笛声、按钮按动声、内部机械动作声等。这样，才能使学生在实验室有身临其境的感觉，全身心地投入学习。
模拟台面各种动作的结果，台面上每个控件的动作都会触发一定的事件。这些事件在实物设备中是靠机械、电子电路等去完成，而现在将这些机械及电子逻辑关系使用计算机软件实现。
故障发生器，在实际工作中除了设备正常情况下的操作，还有各种意外情况，如某些设备故障的情况。此时，要求在虚拟系统中也能模拟手柄失灵、仪表信号不显示及自然灾害发生的情况等，即给实验增加一些难度，强化学生实际操作能力。
5 结束语
虚拟实验技术在实验教学中具有广阔的应用、发展前景，随着虚拟实验的普及，其优越性会被越来越多的人认识。但要使虚拟实验技术真正得到推广应用，关键还是观念的改变，首先是教师观念的改变，除了具有创新精神和能力外，还应有一个科学的投资理念，在实验室建设和发展中，充分考虑投资效益，建设现代化的实验室。其次要培养一支高素质的实验队伍，不断地进行知识更新，加强学习，重视信息的收集、加工、应用，了解掌握最新技术，促进实验教学发展。虚拟实验的应用和发展，加快了实验室发展和实验教学改革，促进了教育观念的改变。是培养创新人才的新的实验手段。
虚拟实验在21世纪实验教学中必将占有重要地位，无疑会起到很大的作用。
参考文献
1 崔光佐.基于多媒体和Internet的辅助教学模式[J].中国CAI快讯，1999
2 王河，顾君忠.Internet上协同环境的虚拟现实交互技术[J].计算机应用
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