基于网络的教学型虚拟实验室的研究与构建
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一
２ 教学型虚拟 实验室的体 系结构
Ｗ Ｂ 用 程 序 的 开 发 ， 其 体 系 结 构 一 般 采 用 ｃ ｓ 者 Ｅ应 ／或 Ｂ Ｓ 构 ，两 种 结 构 模 型 都 有 着 各 自的 优 势 和 不 足 。 为 了 ／结
使虚拟实验室更便 于用 户使用和系统维护 ，该系统采用 了 三层 分布式 结构 的设 计模 式 ，即客 户层 、 中间层 、核 心
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基于网络的教学型虚拟实验室的研究与构建
朱 峰
（ 山 学 院 数 学 与 系统 科 学 系 ， 山 东 泰 安 ２ １２ ） 泰 ７ ｊ ０
摘 要 ：本 文在 较 为系统地研 究 了虚 拟 实验室相 关技 术 的基础上 ，以计算机 组成原理虚 拟 实验 室 为例 ，提 出 了虚拟 实验 室 的 基 本 构 建 方 法 ，并 分 析 了Ｕ Ｌ 该 虚 拟 实 验 室 构 建 中 的 具 体 应 用 ，进 而 以 面 向 对 象 的 思 想 利 用ＪｖＢａｓＲ 技 术 和 Ｍ在 ａａｅｎ￣ 件
虚 拟 组件 库 提 供 了 实验 过程 中 用 到 的 所 有 元 器 件 。这 些
收用户 的数据输入 ，是一种交互性 的、友好的操作界面 ； 中间层 ，用于 提供ｗ Ｂ Ｅ 服务 ，并封装 数据 ，向客户层 和核 心 层 提 供 标 准 接 口； 核 心 层 ，根 据 用 户 的 数据 输 入 ，调 用 相关软件进行 实验 的仿真计算 ，并返 回实验 结果。该结构
多 线程 技 术 实现 了虚 拟 实 验 室 的 建 设 和 仿 真 运 行 。
关键词 ：虚 拟 实验 室 ；网络化 ；Ｕ Ｌ Ｍ ；多线程
Ｄ Ｉ Ｉ ．９ ９ Ｊｓ ．６ １ ６ ９ ． ０ ． ７０ ４ Ｏ ： ５ ６ ／ ．ｓ １ ７ — ； ６２ １ ２ ．４ Ｏ ｉｎ ３ ． Ｏ
组 件 进 行 组 合 ，从 而 完 成 电 路 的 搭 建 ，并 模 拟 出 真 实 实验 的 效 果 。 系 统 还 会 自动 记 录 学 生 的 实 验 操 作 ，给 出相 应 的错 误 分 析 ，最 终 完 成 实 验 报 告 。
息 ； （ ）用户 自主 性 ，在 虚拟 实验 室 中用 户拥有 充分 的 ３ 自主 性； （ ）安全 性 ，只 有获得访 问权 限才能进 入虚拟 ４ 实验室 。因此 ，基 于网络的虚拟实验室 的建设和应用将有
ｌ 引言 随 着 信 息 技 术 的 不 断 发 展 ，将 虚 拟 现 实应 有 于 实 验 教 学 成 为 近 些 年 来 的趋 势 。 实验 教 学 对 培 养 学 生 的专 业 技 能
的 设 计 将 全 部 的核 心 数 据 集 中 在 服 务 器 上 ， 便 于 数 据 的 管 理 和 系 统 的 更 新 及 维 护 ： 中 间 层 的使 用 将 数 据 传 输 与 核 心 层 分
效 地 辅助 实 验 教 学 工 作 ， 提 高 实 验 教 学 质 量 。
３ １建立仿真模型 ．
构建虚拟 实验系统 的关键 是要建立描述系统静态特征 、 动态行为的仿真模型 。该系统采用 了ＵＬ Ｍ 建立仿真模型。
Ｕ Ｌ （ 一 建 模 语 言 ） 是 用 来 对 软 件 密 集 系 统 进 行 描 Ｍ 统 述 、 构 造 、视 化 和 文 档 编 制 的 一 种 语 言 。Ｕ Ｌ 合 了 Ｂ ｏｈ Ｍ融 ｏｃ 、 ＯＴ Ｏ Ｓ 方 法 中 的 概 念 ，是 可 以被 广 泛 采 用 的 一 门 简 单 、 Ｍ和 ＯＥ
状 态 图 、 活 动 图 、顺 序 图 和 合 作 图等 四个 图形 ， 是 标 准 建 模
Ｔ 口 厶 Ｉ ’ｌ－，
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！
Ｗ ＥＢ Biblioteka Baidu
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语 言Ｕ Ｌ Ｍ 的动 态建模机制 。利用Ｕ Ｌ Ｍ 的建模机制 ，对 虚拟 实验
室 系 统 的 静 态 结 构 和 动 态 行 为 进 行 了具 体 分析 ， 实 现 了 虚拟 实 验 室 的 整 体 架 构 和 组 件 模 型 、 连 线 模 型 及 仿 真 运 行 的 建
立。
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一 ； 一
服 器ｌ 务
！
３ ２仿真模型的具体实现 ．
仿真模 型在具 体实现 时，主要 包括两个 方面 ： 拟组件 虚
库和虚拟实验平台 。
图１ 虚拟 实验 室的三层分布 式结构
其 中 ， 客 户层 位 于 最 上 层 ，通 过 浏 览 器 显 示 页 面 并 接
操 作 的一 个 系 统 。它 是 虚 拟 实 验 运 行 的 载 体 ，是 虚 拟 实验 的运 行 环 境 Ⅲ。与 传 统 实 验 室 相 比有 以下 特 点 ： （ ） 资源 １ 共 享 性 ， 用 户 可 以不 受 时 空 限制 的 使 用 虚 拟 实 验 室 中 的 资 源 ； （ ）实 时 交 互 性 ， 用 户 的 实 验 操 作 能 及 时 反 馈 信 ２
离，有效提高 了服 务器端的仿真计算速度和 质量；而客户端 也更加 简单，便于用户 使用 。
起着 重要作用，是高校教 学工 作必不可少的组成 部分。然 而传 统的教学手段 由于受 到各 种条件的限制 已无法完 全满 足 目前 的需要。虚拟实验室是 以计 算机网络为核心 ，将虚 拟仪 器通 过网络连接起来 ，以实现 数据采集 、分析和远程
层。如图ｌ 示 。 所
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致 、通 用 的建模 语言 。从 应用 的角 度看 ，标准 建模 语言
ＵＬ Ｍ 的主 要 内容 可 以归纳为静 态建模机 制和动 态建模机 制两 大类 。其 中，用例 图、类 图 （ 包含包 ）、对象图 、组件 图和 配置 图等 五个 图形 ，是标准建 模语 言Ｕ Ｌ Ｍ 的静 态建模机 制；
３ 虚拟实验 室的构建过程
下 面 以计 算 机 组 成 原 理 虚 拟 实 验 室 为例 ，就 如 何 构 建 一
个基 于网络的虚拟实验 室作简单分析 。 目前 组成 原理的实验 课程普遍 滞后于现代计 算机 的发展 ，影 响了学生专业 知识的 学 习 。虚 拟 实 验 室 的使 用 ， 让 学 生 可 以通 过 已经 建 好 的 实验
２ 教学型虚拟 实验室的体 系结构
Ｗ Ｂ 用 程 序 的 开 发 ， 其 体 系 结 构 一 般 采 用 ｃ ｓ 者 Ｅ应 ／或 Ｂ Ｓ 构 ，两 种 结 构 模 型 都 有 着 各 自的 优 势 和 不 足 。 为 了 ／结
使虚拟实验室更便 于用 户使用和系统维护 ，该系统采用 了 三层 分布式 结构 的设 计模 式 ，即客 户层 、 中间层 、核 心
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基于网络的教学型虚拟实验室的研究与构建
朱 峰
（ 山 学 院 数 学 与 系统 科 学 系 ， 山 东 泰 安 ２ １２ ） 泰 ７ ｊ ０
摘 要 ：本 文在 较 为系统地研 究 了虚 拟 实验室相 关技 术 的基础上 ，以计算机 组成原理虚 拟 实验 室 为例 ，提 出 了虚拟 实验 室 的 基 本 构 建 方 法 ，并 分 析 了Ｕ Ｌ 该 虚 拟 实 验 室 构 建 中 的 具 体 应 用 ，进 而 以 面 向 对 象 的 思 想 利 用ＪｖＢａｓＲ 技 术 和 Ｍ在 ａａｅｎ￣ 件
虚 拟 组件 库 提 供 了 实验 过程 中 用 到 的 所 有 元 器 件 。这 些
收用户 的数据输入 ，是一种交互性 的、友好的操作界面 ； 中间层 ，用于 提供ｗ Ｂ Ｅ 服务 ，并封装 数据 ，向客户层 和核 心 层 提 供 标 准 接 口； 核 心 层 ，根 据 用 户 的 数据 输 入 ，调 用 相关软件进行 实验 的仿真计算 ，并返 回实验 结果。该结构
多 线程 技 术 实现 了虚 拟 实 验 室 的 建 设 和 仿 真 运 行 。
关键词 ：虚 拟 实验 室 ；网络化 ；Ｕ Ｌ Ｍ ；多线程
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组 件 进 行 组 合 ，从 而 完 成 电 路 的 搭 建 ，并 模 拟 出 真 实 实验 的 效 果 。 系 统 还 会 自动 记 录 学 生 的 实 验 操 作 ，给 出相 应 的错 误 分 析 ，最 终 完 成 实 验 报 告 。
息 ； （ ）用户 自主 性 ，在 虚拟 实验 室 中用 户拥有 充分 的 ３ 自主 性； （ ）安全 性 ，只 有获得访 问权 限才能进 入虚拟 ４ 实验室 。因此 ，基 于网络的虚拟实验室 的建设和应用将有
ｌ 引言 随 着 信 息 技 术 的 不 断 发 展 ，将 虚 拟 现 实应 有 于 实 验 教 学 成 为 近 些 年 来 的趋 势 。 实验 教 学 对 培 养 学 生 的专 业 技 能
的 设 计 将 全 部 的核 心 数 据 集 中 在 服 务 器 上 ， 便 于 数 据 的 管 理 和 系 统 的 更 新 及 维 护 ： 中 间 层 的使 用 将 数 据 传 输 与 核 心 层 分
效 地 辅助 实 验 教 学 工 作 ， 提 高 实 验 教 学 质 量 。
３ １建立仿真模型 ．
构建虚拟 实验系统 的关键 是要建立描述系统静态特征 、 动态行为的仿真模型 。该系统采用 了ＵＬ Ｍ 建立仿真模型。
Ｕ Ｌ （ 一 建 模 语 言 ） 是 用 来 对 软 件 密 集 系 统 进 行 描 Ｍ 统 述 、 构 造 、视 化 和 文 档 编 制 的 一 种 语 言 。Ｕ Ｌ 合 了 Ｂ ｏｈ Ｍ融 ｏｃ 、 ＯＴ Ｏ Ｓ 方 法 中 的 概 念 ，是 可 以被 广 泛 采 用 的 一 门 简 单 、 Ｍ和 ＯＥ
状 态 图 、 活 动 图 、顺 序 图 和 合 作 图等 四个 图形 ， 是 标 准 建 模
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３ ２仿真模型的具体实现 ．
仿真模 型在具 体实现 时，主要 包括两个 方面 ： 拟组件 虚
库和虚拟实验平台 。
图１ 虚拟 实验 室的三层分布 式结构
其 中 ， 客 户层 位 于 最 上 层 ，通 过 浏 览 器 显 示 页 面 并 接
操 作 的一 个 系 统 。它 是 虚 拟 实 验 运 行 的 载 体 ，是 虚 拟 实验 的运 行 环 境 Ⅲ。与 传 统 实 验 室 相 比有 以下 特 点 ： （ ） 资源 １ 共 享 性 ， 用 户 可 以不 受 时 空 限制 的 使 用 虚 拟 实 验 室 中 的 资 源 ； （ ）实 时 交 互 性 ， 用 户 的 实 验 操 作 能 及 时 反 馈 信 ２
离，有效提高 了服 务器端的仿真计算速度和 质量；而客户端 也更加 简单，便于用户 使用 。
起着 重要作用，是高校教 学工 作必不可少的组成 部分。然 而传 统的教学手段 由于受 到各 种条件的限制 已无法完 全满 足 目前 的需要。虚拟实验室是 以计 算机网络为核心 ，将虚 拟仪 器通 过网络连接起来 ，以实现 数据采集 、分析和远程
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致 、通 用 的建模 语言 。从 应用 的角 度看 ，标准 建模 语言
ＵＬ Ｍ 的主 要 内容 可 以归纳为静 态建模机 制和动 态建模机 制两 大类 。其 中，用例 图、类 图 （ 包含包 ）、对象图 、组件 图和 配置 图等 五个 图形 ，是标准建 模语 言Ｕ Ｌ Ｍ 的静 态建模机 制；
３ 虚拟实验 室的构建过程
下 面 以计 算 机 组 成 原 理 虚 拟 实 验 室 为例 ，就 如 何 构 建 一
个基 于网络的虚拟实验 室作简单分析 。 目前 组成 原理的实验 课程普遍 滞后于现代计 算机 的发展 ，影 响了学生专业 知识的 学 习 。虚 拟 实 验 室 的使 用 ， 让 学 生 可 以通 过 已经 建 好 的 实验