虚拟实验系统建设

虚拟实验系统建设研究

12

王 强 张 威

（1.长春水利电力学校 吉林 长春 130062；2.长春广播电视大学 吉林 长春 130051）

摘 要：近年来,国内的许多院校都根据自身科研和教学的需求建立一些虚拟实验室。随着虚拟实验技术的不断成熟和进步，受资金和条件的限制，各专业、特别是理工类专业，传统实验已经不能满足教学发展的需要，因而虚拟实验环境的建设将是实验教学改革的新趋势。虚拟实验在实验教学方面具有利用率高，容易维护等诸多优点.弥补学生实验环节的不足。阐述建设虚拟实验室的必要性和可行性，提出构建虚拟实验室的实现途径和方式。对加快虚拟实验室建设和发展的一些构建设想。

关键词：虚拟实验；必要性；可行性；模块设计

中图分类号：N945.16 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110092－02

虚拟实验室（Virtual Laboratory）的概念，最早由美教学成本。

国弗吉尼亚大学的William Wulf教授于1989年提出的，简称虚拟实验系统建设成本不高，技术条件成熟。目前常用VL，它所描述的是计算机网络化的虚拟实验室环境。《国家中的虚拟实验室建设技术已经非常成熟，而且对硬件要求也不长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中也提出建高，系统组成简单，建设成本较低。因此，构建虚拟实验系统设“虚拟实验室”的规划。切实可行。

1.3 虚拟实验系统使用简便，对用户的计算机水平要求不

在国内教育领域,虚拟实验技术的应用已经在科学研究、

高

虚拟实验教学等方面发挥着非常重要的作用。在理工科的教学

活动中应用虚拟实验技术大有作为,特别是在校园仿真和模拟方虚拟实验室能够向用户提供一个在线参与、交互性的实向上。虚拟实验室已经成为成为改革实验教学手段、强化实验验环境。利用3D技术和VR技术可实现虚拟现实对于交互性、沉室建设的一个重要发展方向；开发自己的虚拟实验室和虚拟校浸性的要求。在实验内容上，考虑到设计成本与具体实验内容园，并逐步推广和使用虚拟校园模式和虚拟实验室系统,开发基的选取，最终设计为简易型的虚拟现实技术，不需要特殊的传于校园生活、教务、教学的三维可视化虚拟校园和各类虚拟实感设备，用户只需用鼠标操作，操作简便。实验室整个实验的验系统，实现实验和实训教学质的飞跃，提升总体办学水平。过程简明清晰，能够进行实验的比较和分析并填写实验报告，

实验结束后即可

1 虚拟实验系统建设的必要性和可行性

1.1 构建虚拟实验系统的必要性

利用虚拟现实（VR）技术在多媒体计算机上建立虚拟实

验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般地操作

虚拟仪器，操作结果可以通过仪表显示，反馈给学生来判断操

作是否正确。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件

限制，可重复操作，直至得出满意结果。

虚拟实验室系统包含了常见的实验室仪器设备，图文并

茂，起到辅助教师教学的效果。能模拟仿真多个教学实验实训

场景，通过虚拟仿真技术模拟各种实验实训的操作步骤，充分

应用多媒体丰富直观的表达形式，将仿真动画，实验录像以及

操作说明有机地结合起来，便于学生对实验操作的充分理解和

掌握。虚拟实验可以模拟实验结果，在不同实验条件下产生的

各种动态波形进行实时系统仿真，对于学生平时难于完成的实

验起到示范的作用。还可以建立学生实验技能考核系统，通过

内置的多层次实验考核系统，对学生进行实验、实训及操作技

能情况进行考核。虚拟实验室系统还具有开发性，使用者可以

根据具体情况将自己的实验图片，实验原理和操作、实验录像

用文字加入到系统中，从而扩充系统的适用性。

1.2 构建虚拟实验系统的可行性

虚拟实验室系统主要依赖于较少的配套硬件和软件，使

实验室的工作量和维护费用大大降低。实现了资源共享，避免

了仪器重复添置，满足了用户不再受时间、地点限制进行网络

的实时操作，提高了用户的学习效率。

设计开发利用虚拟现实技术的虚拟实验室在实践性教学

活动中可以解决以下几方面的问题：

1）可以不受时间和空间的限制完成课程实验和课程实

训。

2）避免真实实验或操作所带来的各种危险，虚拟实验室

可以提高安全性。

3）充分利用网络教学资源，虚拟实验室可以节约大量的获得相应的实验数据，完全满足不同层次学习

者的实验和实训要求。

2 虚拟实验系统模块设计

2.1 虚拟实验系统模块组成

虚拟实验系统由虚拟实验模块、服务模块和数据库系统模块等三大模块组成，并充分考虑系统的可维护性、可用性、安全性和可扩展性。如图1所示。

图1 虚拟实验系统模块图

2.2 各系统模块功能介绍

虚拟实验模块：是整个虚拟实验的核心模块，是展现在用户端的主要部分，对于整个系统起着相互连接用户和管理者的作用。并负责构建虚拟实验环境，提供具体的虚拟实验场景和实验仪器，同时接收由服务器端传过来的通讯数据，通过网页反馈给使用者。在客户端，通过一个Applet生成三维实验场景，用户可以通过键盘或鼠标操作完成具体实验，最后将实验结果保存在服务器端。

服务模块：该部分主要提供数据及虚拟实验仪器的管理和相关信息的查阅和检索功能。对于系统中的实验指导和实验说明，用户在不同的虚拟实验中的进展详情、用户提交的实验结果，以及系统辅助功能模块中的数据，都需要提供管理功能。

数据库系统模块：主要用来实施对用户的管理、实验扩

进经验，从而促进我国的公路建设事业发展。由于发达国家的质量则是成为最为关注的一个特点了。由于在施工管理当中，一些成功案例做的相对较好，对于应用信息化技术与发展都是应用计算机信息技术是具有非常凸显的一个特点，并且起到了非常重视的，并且在施工管理上也得到了一定的支持，同时也十分重要的作用，在管理当中也是必要一个影响措施，因此，把建设项目的一些信息数据进行了电子化处理，并且实现通过我们必须要共同努力应用计算机技术做好公路施工的管理工互联网建立成为有效的信息共享平台，也提供了大量的全面信作。

息数据，从而有效的降低了施工成本，把利益最大化。

参考文献：

3 结论

[1]王守清，计算机辅助建筑工程项目管理[M].北京：清华大学出版总之，在计算机领域当中，由于信息技术在快速的进步和社，1996.11.

发展中，它大力推动了国民经济发展，并且为我国建设注入了[2]梁世连、惠恩才，工程项目管理学[M].大连：东北财经大学出版新的活力。由于国家的发展是离不开公路建设，这是具有非常社，2004.9.

重要的一个影响作用，对此，在公路建设当中，怎样提高施工

（上接第81页）

展功能管理以及系统中不同角色权限的分配和管理。另外，对用，通过它可以查看系统的访问情况、资源的使用情况（每日于各类数据提供必要的安全保护措施。本系统主要采用SQL 的实验完成数量以及实验项目的建设情况）、学生行为以及实Server 2005 作为后台数据库管理系统，在Web中通过验教师的实验教学能力等。

Hibernate封装JDBC API实现数据库的各种操作。

通过以上的分析介绍，虚拟实验室在提高教学质量，满2.3 各系统的具体功能分析

足不同类型学习者的个性化学习要求，解决硬件投资不足，节作为一个功能比较完善的虚拟实验系统，它的主要功能约教学成本方面具有广阔的前景，特别是培养学习者的实践动不仅是要为实验者提供一个虚拟的实验平台，而且要对实验者手能力，提高分析问题和解决问题的能力方面具有重要的意的实验行为、实验结果进行记录和评判。此外，实验教师还需义，为培养技能型、应用型复合人才发挥不可估量的作用。

要进行各实验项目详细信息的管理，并对实验者提交实验结果加强虚拟实验室平台的建设，形成完整的虚拟实验系以及实验报告进行评阅。实验系统的管理人员可以对系统的用统，充分应用计算机技术、网络通信技术以及管理科学与工程户（实验教师、实验者）进行管理，还可以对实验课程等信息技术来构建虚拟实验室已经成为今后面临的重要课题。

进行管理。系统应具备扩展功能，以满足发展的需求。

3 结束语

在本系统中，实验者在登录到虚拟实验系统之后，可以总之，作为实验教学中的虚拟实验，是现代教学中不可缺在一个仿真的虚拟环境中进行各项试验，掌握课程知识，提高少的重要环节，是提高教学质量的重要保证，也是网络技术在实训能力。可以查阅实验的指导说明和与实验相关的理论知实验教学中的最好运用，网络虚拟技术能够较好地解决以往网识，以及实验操作的要领和注意事项。此外，在实验结束后，络教育模式中理论教学的远距离性和实验教学的近距离性的矛根据学生提交的实验结果和填写的实验报告，教师可以把握整盾。虚拟实验不仅在网络教育中发挥很好的作用，而且也是其体的实验情况，便于调整课程进度。此外，还提供了实验者之它常规实验教学改革的新思路。虚拟校园和虚拟实验室的产生间、实验者和实验教师、实验教师之间相互沟通的虚拟讨论及应用使现代网络教育真正实现其完整性的要求。各种虚拟实区，大家就可以学习、授课过程中发现的问题一起讨论，商量验资源建设的关键不完全在于硬件环境，而主要在于对此重视对策，以达到教与学双方的提高。

的程度和组织实施的措施。随着虚拟实验教学系统的进一步形总体来说，系统应该具备以下功能：

成，必将促进学生学习的自主性和动手能力的提高，并为学生1）用户管理层：对使用者的实验环节进行有效的监督和创新能力的培养发挥重要的作用，从而提高总体办学的质量。

管理。可以对系统的用户进行各项管理，包括创建管理员、创建教师、批量添加学生账号、删除账号、用户权限分配等。

2）课程实验项目管理功能：实验课程以及每门课程里面参考文献：

的实验项目都需要进行管理，可以进行增加、删除、修改以及[1]吴黎兵、刘丹、陈波，网络虚拟实验室的设计[J].计算机教育，2010（4）：131-133.

查询操作。该模块具有扩展功能。

[2]杨世洲，吴敏，基于WEB的虚拟实验室建设[J].中国现代教育装3）虚拟实验功能：包括实验预习、实验要求、实验步备，2010（3）：122-123.

骤、实验内容、实验帮助、实验测试等教学部分。实验者登录[3]刘杰、余童兰，计算机硬件虚拟实验室建设研究[J].高校实验室系统之后，选择实验项目，预习相关的实验原理以及实验指导工作研究，2007（4）：33-36.

说明，选择所需的实验仪器，进行实验操作，试验完成后提交[4]万齐鸣、吕江、许福玲，虚拟现实在《液压传动》网络虚拟实实验结果，并填写实验报告。

验中的应用[J].机床与液压，2003（6）：295-296.

4）实验结果管理功能：所有实验者提交的实验结果，需[5]瞿曌、张志刚、刘文彦，基于虚拟仪器的过程控制网络实验系要有一个统一的管理功能。对于实验者提交的虚拟实验结果，统[J].仪表技术与传感器，2005，4：35-36.

实验教师通过该功能对其进行考核评价。

[6]闫淑英、袁浩、郝莹，一种基于Internet的虚拟数字控制实验系5）实验报告管理功能：提供实验报告动态的添加、修改和统的开发[J.实验技术与管理，2008（4）：81-84.

删除等功能，并允许教师对其授课班级的实验报告进行评阅。

6）虚拟交流区功能：系统提供一个给实验者、实验教师作者简介：

以及系统管理员之间交流沟通的区域，大家可以畅所欲言，相王强，本科学历，长春水利电力学校讲师，研究方向：计算机软互学习，以提高教学水平和实验能力。

件和虚拟实验技术；张威，研究生学历，长春广播电视大学讲师，研究7）系统统计功能：此部分主要提供给系统管理部门使

方向：再制造技术及虚拟实验技术。