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關(guān)鍵詞：虛擬實驗室；NS2；B/S

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)22-759-02

Research on Network Virtual Laboratory

LI Jun

(College of Computer Science and Technology, Wuhan University of Science & Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract: The paper presents a virtual laboratory under Web environment. The main structure and working process in the system are discussed. In the end, the practical scheme to realize is provided.

Key words: virtual laboratory; NS2; B/S

1 引言

近十年以來，Internet網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)今世界上覆蓋面最廣、規(guī)模最大、信息資源最豐富的信息網(wǎng)絡(luò)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)在快速發(fā)展，各種新技術(shù)層出不窮，掌握這些新技術(shù)非常必要。對這些知識的學(xué)習(xí)，如果只停留在理論和書本上，將是非常抽象的，理解起來很困難。要很好地掌握計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論知識，并把這些知識應(yīng)用到實際中，就必須進(jìn)行大量的實驗。

對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗，涉及到交換機(jī)、路由器等設(shè)備，這些設(shè)備如果只通過圖片來展示，要求學(xué)生有良好的空間想象能力，即便如此，學(xué)生也不可能獲得切實的感受，也就更不用說理解網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)了。此外，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗使用的設(shè)備一般都比較昂貴，而且新的設(shè)備也不斷推出，要不斷更新這些設(shè)備將是很大的開銷。所以研究開發(fā)一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)來輔助教學(xué)就變得非常必要。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗是指利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源，使用仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等手段，完成實驗的各個環(huán)節(jié)和過程。具體說來，用戶使用虛擬軟件，在Web中創(chuàng)建出一個可視化的三維環(huán)境（其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗對象），通過鼠標(biāo)的點擊以及拖曳操作，完成實驗系統(tǒng)的設(shè)計和進(jìn)行實驗仿真操作，取得實驗結(jié)果和填寫實驗報告等。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗不僅可以隨時為學(xué)生提供更多、更新、更好的儀器，還可以較好地為學(xué)習(xí)者營造一種“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境。

2 虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計原則

虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下原則：

1) 開放性原則：基于校園網(wǎng)，任何只要接入校園網(wǎng)的師生都能使用本系統(tǒng)。

2) 交互性原則：虛擬實驗可以給出可視化交互信息，對學(xué)生的操作做出實時反饋。

3) 簡易方便原則：系統(tǒng)界面友好，學(xué)生操作易于上手。

4) 易于擴(kuò)展原則：系統(tǒng)的軟件設(shè)計必須采用跨平臺方案，便于實驗項目的及時更新。并且能為系統(tǒng)的擴(kuò)展打下基礎(chǔ)。

3 虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制

3.1 結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)。用戶可以通過瀏覽器向網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器發(fā)出請求。

系統(tǒng)根據(jù)功能分析可以劃分為用戶管理系統(tǒng)、教學(xué)管理系統(tǒng)、網(wǎng)上實驗系統(tǒng)、交流互動系統(tǒng)等四個子系統(tǒng)。虛擬實驗系統(tǒng)必須具有安全措施，系統(tǒng)能夠做到拒絕非法用戶，也可將合法用戶的不當(dāng)操作及時中止。例如：教師可以將自己創(chuàng)建的虛擬實驗上傳到數(shù)據(jù)庫，以充實實驗內(nèi)容。而學(xué)生用戶則無此權(quán)限。

下面的工作流程展示了用戶如何進(jìn)行網(wǎng)上實驗。

3.2 基本工作流程

從圖1的工作流程圖可以看出，用戶首先提出申請，獲準(zhǔn)后即可通過兩種方式進(jìn)行虛擬實驗。第一種是用戶輸入實驗參數(shù)，由服務(wù)器運(yùn)行仿真軟件，并將實驗結(jié)果返回用戶，在該過程中，教師還可以利用發(fā)送電子郵件、在線答疑等方式解答學(xué)生提出的問題。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)采用NS2模擬器來實現(xiàn)對用戶提交的網(wǎng)絡(luò)場景的模擬。系統(tǒng)以JavaApplet的形式實現(xiàn)用戶操作界面；用JavaBean來實現(xiàn)虛擬試驗設(shè)備和實驗組件庫；通過生成OTCL模擬腳本來描述用戶在實驗室操作界面上所定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集、鏈路故障的模擬、路由變化等網(wǎng)絡(luò)場景信息?？蛻舳撕头?wù)器端之間的遠(yuǎn)程通信由RMI遠(yuǎn)程調(diào)用機(jī)制來實現(xiàn)。圖2為一個含四個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，其對應(yīng)的Otcl腳本語言為：

proc create_testnet { }

{

global s1 s2 r1 k1

set s1 [ns node]

set s2 [ns node]

set r1 [ns node]

set k1 [ns node]

ns_duplex $s1 $r1 8Mb 5ms drop-tail

ns_duplex $s2 $r1 8Mb 5ms drop-tail

set L [ns_duplex $r1 $k1 800Kb 100ms drop-tail]

[lindex $L 0] set queue-limit 6

[lindex $L 1] set queue-limit 6

}

第二種是用戶下載仿真軟件，直接在自己的PC機(jī)上運(yùn)行仿真軟件。仿真軟件可以包括Boson NetSim等（如圖3），也可以包括自行開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)嗅探器Sniffer、協(xié)議分析儀等小工具（如圖4）。用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行各種模擬實驗，不足之處在于交互不夠。

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圖3 NetSim網(wǎng)絡(luò)模擬器

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圖4 自行開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)小工具

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)等的發(fā)展, 虛擬實驗室能很大程度地輔助教學(xué)，虛擬實驗室的研究會越來越受到人們的重視和關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞：虛擬實驗室 效果

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）01-0200-01

生理學(xué)是醫(yī)學(xué)院校一門重要的基礎(chǔ)課程，為之后臨床課程的學(xué)習(xí)打下很好的基礎(chǔ)和橋梁。生理學(xué)是一門實驗性的科學(xué)，它的很多理論的獲得都是來源于實驗，因而實驗項目的選擇和實驗教學(xué)的效果是很多生理教師研究的方向，為了更好的提高實驗教學(xué)效果，我校引入了虛擬實驗室，現(xiàn)就虛擬實驗教學(xué)的效果進(jìn)行分析。

一、虛擬實驗室

1.概念

虛擬實驗室是一種利用計算機(jī)仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬真實實驗環(huán)境的一種實驗教學(xué)手段[1]。其成本低、效率高、自由度大、功能全，很大程度上彌補(bǔ)了真實實驗室受時間、空間、實驗動物、試劑及器械限制的不足[2]。在生理實驗教學(xué)中引入虛擬實驗室，不僅可提高實驗教學(xué)的效果，拓展教學(xué)內(nèi)容，還可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.作用

2.1提高教學(xué)效果

在傳統(tǒng)教學(xué)中，一些經(jīng)典的動物實驗（如刺激強(qiáng)度與反應(yīng)的關(guān)系、刺激頻率與反應(yīng)的關(guān)系、蛙心搏動觀察、呼吸運(yùn)動的調(diào)節(jié)等）耗時較長，加上教師的示教時間，讓同學(xué)們感覺時間很緊，經(jīng)常會出現(xiàn)兩節(jié)課結(jié)束很多同學(xué)做不完的現(xiàn)象。再加上學(xué)生對實驗步驟不熟悉，實驗動物的差異性，導(dǎo)致很多實驗動物實驗過程中死亡的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致實驗失敗，這些都會影響實驗結(jié)果的觀察。虛擬實驗室的引入可以很好的解決這些問題，在上動物實驗之前，讓學(xué)生先在虛擬實驗系統(tǒng)上觀看錄像，并模擬實驗的步驟，了解實驗的關(guān)鍵點。然后再讓學(xué)生動手操作，可以明顯提到實驗的成功率。對于實驗失敗的學(xué)生，可以在虛擬實驗系統(tǒng)上觀察實驗結(jié)果，查找失敗的原因。這樣不僅激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還提高了教學(xué)效果。

對于人體實驗來講，以往的傳統(tǒng)教學(xué)，主要是老師講授后讓學(xué)生進(jìn)行自己練習(xí)，一些動手能力強(qiáng)、悟性高的學(xué)生可以很好的掌握，但還有很多學(xué)生并不能很好的掌握。以心音聽取為例，一些同學(xué)不能聽到心音，或者不能很好的辨別第一心音和第二心音，對心音聽取的意義也不理解。這時教師通過虛擬實驗系統(tǒng)播放正常的心音，讓學(xué)生聽取和辨別，再通過放一些雜音讓學(xué)生去辨別，從而讓學(xué)生理解心音聽取的臨床意義，提高教學(xué)效果。

2.2 增加實驗項目

本校生理課學(xué)時有限，尤其是對于涉外班的學(xué)生，只有64學(xué)時，這樣很多經(jīng)典的實驗項目就不能開展，而這些經(jīng)典的實驗項目對生理課的學(xué)習(xí)又很有幫助，虛擬實驗室的應(yīng)用可以很好的填補(bǔ)這個空缺，一方面可以通過播放錄像讓學(xué)生學(xué)習(xí)這些經(jīng)典實驗，掌握這些實驗的目的、方法、步驟、意x；另一方面還可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)其他更多的實驗，擴(kuò)大了實驗范圍。因為虛擬實驗相對時間短，這樣可以不必增加實驗學(xué)時就可以讓學(xué)生學(xué)到足夠多的實驗項目。

通過近兩年的觀察，發(fā)現(xiàn)虛擬實驗室的建立不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)效果，還可以解決資源匱乏、學(xué)時較少的問題，應(yīng)該得到大力推廣。但同時在應(yīng)用的過程中要注意和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，這樣才能優(yōu)勢互補(bǔ)，更好的為教學(xué)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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遠(yuǎn)程教育是為克服傳統(tǒng)的面對面教育模式的某些不足(招生人數(shù)有限、教育方法不靈活、教育資金浪費等)而產(chǎn)生的一種新型教育模式.最初的遠(yuǎn)程教育是函授教育;此后出現(xiàn)了由廣播電臺傳播信息的廣播大學(xué);當(dāng)電視普及以后,電視大學(xué)應(yīng)運(yùn)而生.在上述三種遠(yuǎn)程教育方法中,以電視大學(xué)的教學(xué)方式最優(yōu).不僅能聽到聲音,而且可以看到圖像.我國從1978年開通了電視大學(xué)至今,已有數(shù)以百萬計的人接受了這種教育.但是,電視大學(xué)作為一種教學(xué)方法,也有其不足.首先,這種方式不靈活、不方便,授課須定點定時.其次,教學(xué)內(nèi)容有局限性,文科專業(yè)(外語、財會、管理等)和部分理科專業(yè)(數(shù)學(xué)等)適于電視大學(xué).以實驗為不可或缺的某些專業(yè)(多數(shù)工科專業(yè)、部分理科專業(yè))在電視大學(xué)中不能充分實現(xiàn)或根本無法實現(xiàn).近些年來,隨著計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展,出現(xiàn)了教育多媒體系統(tǒng),它能夠交互地同時處理、傳輸、管理文本、圖形、圖像、語言、視頻、動畫等多種形式的信息.多媒體遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)在一定程度上彌補(bǔ)了電視大學(xué)的某些不足,但仍不能實現(xiàn)實驗操作.網(wǎng)上虛擬實驗室的出現(xiàn),使遠(yuǎn)程教育更趨完善,為教育發(fā)展史寫下了光輝的一頁.在不足20年時間里,因特網(wǎng)在全球得到了迅速發(fā)展,已成為當(dāng)今世界上覆蓋面最大、信息資源最豐富的計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò).作為遠(yuǎn)程教育的關(guān)鍵———教學(xué)信息的傳遞,因特網(wǎng)無疑具有明顯的優(yōu)勢.虛擬實驗室正是建立在以因特網(wǎng)為信息載體的基礎(chǔ)上,它的產(chǎn)生向人們展示了信息時代一種全新的教育方式和科學(xué)研究方式[1].

二、虛擬實驗室是今后高層次遠(yuǎn)程教育的發(fā)展主流

函授、廣播、電視等遠(yuǎn)程教育模式的所有功能,在因特網(wǎng)上均能輕易實現(xiàn).只要建立一個教育網(wǎng)站,用戶就不再受時空的限制,訪問教育網(wǎng)站就能夠接受到遠(yuǎn)程教育.但僅限于此還不能充分體現(xiàn)出因特網(wǎng)強(qiáng)大的信息傳遞功能.基于因特網(wǎng)的虛擬實驗室的出現(xiàn),將遠(yuǎn)程教育提升到更高的層次上.虛擬實驗室(VirtualLaboratory)概念,是由美國弗吉尼亞大學(xué)(UniversityofVirginia)的威廉•沃爾夫(WilliamWolf)教授于1989年首先提出的,它描述了一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境,致力于構(gòu)筑一個綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境.在這個環(huán)境里,用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)備及人力等資源[2].

虛擬實驗室提出的初衷是為了方便科學(xué)研究工作,科研人員在遠(yuǎn)程即可從事研究工作:使用儀器設(shè)備、共享數(shù)據(jù)資源、交流信息等.虛擬實驗室實質(zhì)上是一個分布式計算機(jī)系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,配置有遙控、遙測能力的網(wǎng)絡(luò)化研究設(shè)備和數(shù)據(jù)采集平臺,有支持協(xié)作活動的各種工具,建有可以支持?jǐn)?shù)據(jù)共享的數(shù)字式圖書館.加入到因特網(wǎng)的虛擬實驗室可視為建立了一個可以演示、操縱、控制實驗的特殊網(wǎng)站.用戶可以在任何時候,從任何地點訪問虛擬實驗室網(wǎng)站.它的建立大大提高了實驗教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性.不同的學(xué)科專業(yè)的虛擬實驗室有各自的特點.但無論是哪個學(xué)科專業(yè)的虛擬實驗室都是由各自的虛擬儀器(VirtualInstrumentation)組成的.虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂嬎銠C(jī)與功能化硬件結(jié)合起來,用戶通過友好的圖形界面來操作計算機(jī),從而完成了對被測對象的數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲等.虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比,有其相同的一面,又有不同的一面.相同點是:虛擬儀器同樣具有三大功能,即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果顯示.虛擬儀器以透明的方式把計算機(jī)資源和儀器硬件的測控能力結(jié)合起來,實現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作.

與傳統(tǒng)儀器不同的是:在給定計算機(jī)運(yùn)算能力和必要的儀器硬件以后,構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)在于軟件,“軟件即儀器”.應(yīng)用軟件程序?qū)⒖蛇x硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ等)和可重復(fù)使用源碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合起來實現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā),源碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊[3].當(dāng)用戶的學(xué)習(xí)目的或測試要求改變時,可以方便地由用戶自行增減硬軟件模塊或重新配置系統(tǒng)以滿足測試要求.綜上所述,虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計算機(jī)平臺、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)功能的必需附件組成的.虛擬儀器的這個特點是功能固定、彼此分離的傳統(tǒng)儀器所不具備的.在虛擬實驗室中所使用的儀器設(shè)備一般都具有可編程接口(例如GPIB接口等),終端的PC機(jī)通過GPIB接口和總線發(fā)送命令字符串控制儀器,也可通過GPIB接口和總線從儀器端獲得結(jié)果信息.為了實現(xiàn)通過計算機(jī)對可編程儀器的控制,美國國家儀器公司(NationalIn-struments,簡稱NI)開發(fā)了虛擬儀器軟件開發(fā)平臺———LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWork-bench).作為目前世界上惟一的編譯型圖形化編程語言,LabVIEW提供了虛擬儀器的圖形編程環(huán)境,把復(fù)雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能或圖形,只需連接各個功能或圖形即可構(gòu)成程序.LabVIEW除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外,還集成了大量生成圖形界面的模板、豐富實用的數(shù)值分析、數(shù)字信號處理功能,以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動功能,包括RS-232、GPIB、VXI、VISA、數(shù)據(jù)采集卡DAQ等.虛擬儀器的出現(xiàn)不僅是實驗室的一場革命,同時也為遠(yuǎn)程教育注入了活力.基于因特網(wǎng)的虛擬實驗室必將成為今后遠(yuǎn)程教育發(fā)展的推動力.

三、虛擬實驗室在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬實驗室概念的提出至今僅為十余年的時間,但因其誘人的應(yīng)用前景,各國均在大力開發(fā),已經(jīng)取得了一些進(jìn)展.目前,虛擬實驗室在發(fā)達(dá)國家已十分普及.美國作為當(dāng)今的科技強(qiáng)國,為繼續(xù)保持其在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位,尤其重視信息技術(shù)的研究,并已將虛擬實驗室列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃.在1991年底,美國科學(xué)基金會、美國國家科學(xué)研究顧問委員會所屬的計算機(jī)與遠(yuǎn)程通信部組成了一個“全國(科學(xué))合作實驗室委員會”,其任務(wù)是調(diào)查科學(xué)家對信息技術(shù)的需求,協(xié)調(diào)科研合作關(guān)系,組織并實施具體的信息技術(shù)開發(fā).此后,美國聯(lián)邦政府投入資金在海洋學(xué)、天體物理學(xué)和分子生物學(xué)三大領(lǐng)域建造了各自的虛擬實驗室作為示范工程,開展了一系列探索性研究并取得了實質(zhì)性進(jìn)展.

美國一些政府部門,如能源部,正在制定計劃將其所屬的科研機(jī)構(gòu)過渡到虛擬實驗室環(huán)境中.目前,越來越多的科學(xué)家正投身于構(gòu)筑一個覆蓋全美國的虛擬實驗室的工作中來.作為首先提出虛擬實驗室概念,并具有雄厚的科研實力和強(qiáng)大財力的美國,從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā),在該領(lǐng)域的研究已處于領(lǐng)先地位.虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言已成為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課,其普及程度是相當(dāng)廣泛的.國外的一些大學(xué)已組建了遠(yuǎn)程虛擬實驗室.德國的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動化實驗室;西班牙大學(xué)電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺;意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實驗室;新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實驗和壓力容器實驗[4-7].

在國內(nèi),虛擬實驗室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視.目前,已有部分高校初步建立了虛擬實驗室.例如:清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng);華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網(wǎng)上公開展示,供遠(yuǎn)程教育使用;四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計思路,研制了“航空電臺二線綜合測試儀”,將8臺儀器集成于一體,組成虛擬儀器系統(tǒng);復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等一批高校,也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研[8-11].

四、虛擬實驗室的功能特點及應(yīng)用前景

虛擬實驗室具有傳統(tǒng)實驗室無法比擬的功能特點,決定了它在科研、教育(特別是遠(yuǎn)程教育)中的良好應(yīng)用前景.1.功能特點虛擬實驗室具有以下特點:(1)透明性虛擬實驗室的所有數(shù)據(jù)庫、硬件,甚至人員集成于一個系統(tǒng),使用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一命令來實現(xiàn)功能服務(wù),這種透明的結(jié)構(gòu)決定了虛擬實驗室的透明特征.(2)資源共享性建立虛擬實驗室的宗旨之一就是為了做到資源共享.為達(dá)到此目的,需要建立統(tǒng)一查詢標(biāo)準(zhǔn)的電子圖書館、數(shù)據(jù)庫、智能化檢索系統(tǒng)、應(yīng)用軟件庫等,用戶可以共享數(shù)據(jù)、軟件、硬件等相關(guān)資源.這個特性能夠減少重復(fù)投資,大大節(jié)約投資成本.(3)互動操作性虛擬實驗室一旦開放,即具有互動性,遠(yuǎn)程用戶同樣可以操作本地實驗室,同時用戶之間可以交流信息.

開放遠(yuǎn)程用戶程序需要有一系列軟硬件的支持,它們都是虛擬實驗室的組成部分.(4)用戶自主性用戶可以制定自己使用的虛擬儀器的方式,允許用戶采取必要的措施保護(hù)自己的數(shù)據(jù)、資料,用戶具有充分的自主性.(5)擴(kuò)展性在當(dāng)今的信息時代里,知識更新速度十分迅速,新型的、性能更優(yōu)的儀器設(shè)備更新周期越來越短.因此,虛擬實驗室的硬件必須隨時更新,軟件也要隨時升級,服務(wù)功能也要隨時增加,虛擬實驗室必須具備性能升級、服務(wù)功能增加的特性.(6)安全性安全性是開放的、透明的、資源共享的合作環(huán)境所必需的保障條件.虛擬實驗室采取必要的措施和技術(shù)手段維護(hù)系統(tǒng)軟件、硬件以及用戶知識產(chǎn)權(quán)的安全.通常采用用戶鑒別注冊、權(quán)限驗證技術(shù),郵件、文獻(xiàn)加密技術(shù)等手段保證系統(tǒng)的安全性.具有安全措施的虛擬實驗室系統(tǒng)能夠做到拒絕非法訪問者進(jìn)入虛擬實驗室,也可以將合法訪問者的不當(dāng)操作及時中止[12].2.應(yīng)用前景因特網(wǎng)上的虛擬實驗室在遠(yuǎn)程教育中具有良好的應(yīng)用前景.⑴計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速普及為遠(yuǎn)程教育提供了有利條件目前我國上網(wǎng)計算機(jī)已超過2000萬臺,而且還將以每年增加20%的速度增長.這個龐大的網(wǎng)絡(luò)為虛擬實驗室的普及和發(fā)展提供了便利條件.⑵

虛擬實驗室的性能優(yōu)勢與傳統(tǒng)實驗室相比,虛擬實驗室性能更為優(yōu)秀,組建虛擬實驗室必須考慮到選用當(dāng)今世界上性能優(yōu)秀、儀器齊全的一流設(shè)備,這些設(shè)備并不是所有院校都能擁有的,而虛擬實驗室卻能夠提供給用戶使用一流的設(shè)備.甚至像電子顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡、邏輯分析儀、大型核裝置等這些昂貴、難以接觸到的儀器設(shè)備,用戶也能夠通過訪問虛擬實驗室來進(jìn)行學(xué)習(xí)和使用.開發(fā)用于遠(yuǎn)程教育的虛擬實驗室的重點放在電子、電工、機(jī)械、土木、環(huán)境等學(xué)科更為現(xiàn)實.而像天體物理、核物理、海洋、分子生物學(xué)等學(xué)科的虛擬實驗室用于遠(yuǎn)程科研較為適宜.⑶虛擬實驗室的低成本特點有利于其發(fā)展遠(yuǎn)程教育通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)教育資源共享,某一學(xué)科的先進(jìn)教學(xué)方法和卓越的實驗條件可以為校內(nèi)外的各學(xué)科廣泛使用,從而可以節(jié)省許多基礎(chǔ)設(shè)施的低水平重復(fù)建設(shè)和儀器設(shè)備重復(fù)引進(jìn)的資金投入,有利于從整體上改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)水平.虛擬實驗室在信息高速公路的運(yùn)行,必然帶來人們觀念的更新和實驗室革命.⑷教學(xué)方式靈活、方便基于因特網(wǎng)的虛擬實驗室遠(yuǎn)程教育模式不同于傳統(tǒng)的面對面的統(tǒng)一、死板的教學(xué)模式,它能夠靈活地提供給用戶(學(xué)生)不同的實驗教學(xué)內(nèi)容,用戶(學(xué)生)可以根據(jù)實際情況確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和安排學(xué)習(xí)進(jìn)程,從而可以最大限度地滿足用戶(學(xué)生)的不同需要.這樣,既可以普及知識,又能夠提高、更新知識.此外,遠(yuǎn)程教育不受時間、地域的限制,用戶(學(xué)生)只要通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)便可以及時獲得知識.⑸我國國情適合于發(fā)展網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育我國人口眾多,國民平均知識水平相對較低.在知識經(jīng)濟(jì)時代和科教興國方針的指引下,國民中蘊(yùn)藏著接受高層次教育和知識更新的迫切需求.由于客觀條件的限制,能夠進(jìn)入高等院校接受教育的人畢竟有限.網(wǎng)上的遠(yuǎn)程教育可以滿足人們渴望獲得知識的要求,為因特網(wǎng)上虛擬實驗室遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供了廣闊前景.

五、虛擬實驗室建設(shè)過程中的幾點建議

我國雖然與發(fā)達(dá)國家在虛擬實驗室研究方面有一定差距,至今尚未建成大規(guī)模的可覆蓋全國的實用的虛擬實驗室,但是已有許多高校重視并致力于虛擬實驗室的研究、開發(fā)工作,并取得了一定的進(jìn)展.為了使我國虛擬實驗室的建設(shè)趕上發(fā)達(dá)國家,使其發(fā)揮應(yīng)有的作用,根據(jù)我國的現(xiàn)狀,提出如下建議:

⑴虛擬實驗室的建立必須有組織、有規(guī)劃地進(jìn)行虛擬實驗室從其誕生起,就因其具有資源共享、多方合作、提供多種服務(wù)、信息交流等功能,而顯示出它的公益性和社會化屬性.因此,虛擬實驗室是屬于全社會的.借鑒國外的經(jīng)驗,它應(yīng)由政府支持并由有關(guān)部門出面組織、統(tǒng)籌、規(guī)劃和協(xié)調(diào).

⑵認(rèn)真做好虛擬實驗室的需求調(diào)查工作理工科的大多數(shù)學(xué)科專業(yè)是可以建立虛擬實驗室的,但是社會對它們需求程度卻是差異甚大.根據(jù)我國的國情和資金支持能力,不可能全部學(xué)科專業(yè)都建立虛擬實驗室,只能是在“有所為,有所不為”的原則下,選擇社會需求迫切的學(xué)科專業(yè)優(yōu)先建立.這就需要調(diào)查虛擬實驗室的需求,根據(jù)需求程度,分出輕重緩急,進(jìn)行統(tǒng)籌安排.

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關(guān)鍵詞　虛擬實驗室　遠(yuǎn)程教育　現(xiàn)代教育技術(shù)

迅速崛起的現(xiàn)代教育技術(shù)把虛擬實驗引入到了實驗教學(xué)中。虛擬實驗的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教育模式，使得教與學(xué)方式發(fā)生了革命性的變化。目前，用于實驗教學(xué)的計算機(jī)虛擬實驗軟件非常豐富，加上高校計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)資源，為虛擬實驗的開設(shè)提供了必要的基礎(chǔ)條件。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，能夠通過計算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實驗現(xiàn)象，它不僅僅能夠提高實驗教學(xué)效果，更加重要的是對一些缺乏實驗條件的學(xué)生，通過網(wǎng)絡(luò)同樣能夠身臨其境地觀察實驗現(xiàn)象，甚至和異地的學(xué)生合作進(jìn)行實驗。

1　網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的發(fā)展及其特點

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗就是在WEB中創(chuàng)建出一個可視化的環(huán)境，其中每一個可視化的物體代表一種實驗對象。通過鼠標(biāo)的點擊以及拖曳操作，用戶可以進(jìn)行虛擬的實驗。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗實現(xiàn)的基礎(chǔ)是多媒體計算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進(jìn)入虛擬實驗室操作儀器，進(jìn)行各種實驗。為實驗類課程的教學(xué)改革及遠(yuǎn)程教育提供了條件和技術(shù)支持。許多國內(nèi)外從事實驗室工作的研究者們在實踐中還提出這樣一些概念：Digital Lab、MBL（Micro-computer Based Lab），盡管這些名詞不統(tǒng)一，但他們的實踐從不同的層面實現(xiàn)了虛擬實驗室。

1．1　印地安那州立大學(xué)的MBL化學(xué)實驗室

該實驗室在給新生開化學(xué)實驗課時用計算機(jī)來輔助做這樣一些事，用計算機(jī)采集與分析實驗數(shù)據(jù)，用計算機(jī)展示實驗，在網(wǎng)上相關(guān)的實驗指導(dǎo)材料。

1.2　芝加哥伊利諾伊大學(xué)數(shù)字化有機(jī)化學(xué)實驗室

該實驗室充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，在網(wǎng)上提供了一系列的實驗教學(xué)指導(dǎo)：在線實驗教材；實驗教學(xué)時間表；實驗測評方法、形式、時間；虛擬實驗；相關(guān)教學(xué)資源的鏈接等。他們還用計算機(jī)進(jìn)行實驗教學(xué)的教務(wù)管理。

1.3　卡羅萊納州立大學(xué)的LAAP（Learn Anytime Anywhere Physics）

他們利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室，主要有以下幾個模塊：基于Java Applet的虛擬實驗設(shè)備和實驗設(shè)施；相關(guān)的實驗課程模塊；實驗學(xué)習(xí)結(jié)果評價模塊；協(xié)作學(xué)習(xí)模塊。

虛擬實驗室最大的優(yōu)點是成本低，效率高。因為“軟件即為儀器”，這樣就可解決因?qū)嶒灲?jīng)費不足或高檔次、高價位設(shè)備缺乏所不能開出的實物實驗，同時也不會造成因使用不當(dāng)，管理不善等因素造成的儀器損壞、元器件丟失等現(xiàn)象。同時虛擬實驗還可以模擬實驗室中沒有的設(shè)備，而且還可以不受時空的限制方便地進(jìn)行實驗 。另外，虛擬實驗室還應(yīng)具備一些基本特征：與現(xiàn)實的一致性（或現(xiàn)實的延伸）、高度交互性、實時的信息反饋。

2　網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)是一個集虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)、實驗課教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)實驗仿真等為一體的功能強(qiáng)大的網(wǎng)上運(yùn)行系統(tǒng)。各部分之間相互聯(lián)系相互補(bǔ)充，僅具有相對獨立性。開發(fā)虛擬環(huán)境，實現(xiàn)實驗仿真應(yīng)是虛擬實驗室建設(shè)的核心部分。圖1是虛擬實驗室體系結(jié)構(gòu)圖。

3　構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的關(guān)鍵技術(shù)

目前國內(nèi)的虛擬實驗室研究還處于萌芽階段，國外已經(jīng)有很多大學(xué)進(jìn)行了這方面的研究?？偨Y(jié)他們所使用的技術(shù)，可以看出大多可以劃分下面幾類：

3.1　Java技術(shù)

Java是一個廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)編程語言，它是一種新的計算概念。首先，作為一種程序設(shè)計語言，它簡單、不依賴于機(jī)器的結(jié)構(gòu)、具有可移植性、安全性、并且提供了并發(fā)的機(jī)制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了網(wǎng)絡(luò)，Java的小應(yīng)用程序（applet）可在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行而不受CPU和環(huán)境的限制。另外，Java還提供了豐富的類庫，使程序設(shè)計者可以很方便地建立自己的系統(tǒng)，這一點對于構(gòu)建網(wǎng)上虛擬實驗室系統(tǒng)來說也是非常關(guān)鍵的。

3.2　ActiveX控件

ActiveX技術(shù)允許不同軟件開發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上可以互相進(jìn)行操作。Ac?鄄tiveX使用了微軟的組件對象技術(shù)使得本地的組件可以和網(wǎng)絡(luò)上的組件進(jìn)行通信，使用ActiveX開發(fā)的另一個好處在于它的代碼復(fù)用性，也就是說在虛擬實驗室的開發(fā)過程中，一個實驗儀器可以在多個實驗環(huán)境中重復(fù)使用，這一點對于持續(xù)開發(fā)過程尤為重要。這種技術(shù)使得一個大的工程項目可以劃分成小塊的組件，也就相當(dāng)于把復(fù)雜工程簡單為一個個組成部分，完成了每個組成部分之后集成起來就可以得到最終的項目?？梢蚤_發(fā)ActiveX組件的環(huán)境有很多，其中開發(fā)效率最高和最易上手的是Visual Ba?鄄sic。

3.3　VRML技術(shù)

VRML是虛擬實境描述模型語言 (Virtual Reality Modeling Language) 的簡稱。它是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標(biāo)準(zhǔn)，也是在網(wǎng)上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵性技術(shù)。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關(guān)、三維、多媒體集成、逼真自然等，被成為“第二代WEB”，已經(jīng)被越來越多的人們所重視。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1998年1月正式將其批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)。VRML是一種建模語言，其基本目標(biāo)是建立Internet上的交互式三維多媒體，也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬境界。用VRML實現(xiàn)與Internet虛擬現(xiàn)實交互有下面幾個好處：豐富了媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善了協(xié)同環(huán)境的用戶界面、增強(qiáng)了協(xié)同環(huán)境的交互性?？梢?，將VRML融合到網(wǎng)上虛擬實驗室的開發(fā)過程中，既可以增強(qiáng)表現(xiàn)力和用戶的接受力，又可以實現(xiàn)較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。

3.4　ASP技術(shù)

ASP（Active Server Pages，動態(tài)服務(wù)器端網(wǎng)頁），內(nèi)含在Internet Information Server 3.0及其以上版本中，提供一個服務(wù)器端的腳本環(huán)境，用于產(chǎn)生和執(zhí)行動態(tài)、高效率的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序。ASP不只是動態(tài)的網(wǎng)頁，它更是當(dāng)今眾多的Web應(yīng)用程序?qū)嵶鞣绞街?，它?fù)責(zé)整個Web應(yīng)用程序的控制部分。ASP提供五個內(nèi)建的對象供使用者調(diào)用，即Re?鄄quest對象（取得用戶信息）、Response對象（傳送信息給用戶）、Server對象（提供訪問服務(wù)器的方法、屬性）、Application對象（用于多個使用者在多個網(wǎng)頁間共享信息）和Session對象（用于單個使用者在多個網(wǎng)頁間共享信息）。

4　網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室開發(fā)過程當(dāng)中應(yīng)注意的幾個問題

計算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展到今天，為虛擬實驗室開發(fā)提供了極大的方便。目前開發(fā)所需的系統(tǒng)軟件或工具均支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。它們都有事件驅(qū)動的支持，消息循環(huán)的程序設(shè)計方法及多媒體操作技術(shù)。在開發(fā)過程當(dāng)中要注意以下幾個問題：

事件觸發(fā)時機(jī)的選擇，實際操作當(dāng)中某個按鈕按下后并不立即反映，需要延時回應(yīng)，外部接口的輸入信號或其它信息往往是定時觸發(fā)或隨機(jī)觸發(fā)的事件，若為隨機(jī)觸發(fā)的事件則可用一定時限內(nèi)的隨機(jī)數(shù)來取代固定時間。

事件聯(lián)鎖關(guān)系或動態(tài)順序關(guān)系可以存放在一張數(shù)據(jù)庫表中描述，修改方便。給定相應(yīng)的條件、控制范圍，自動形成數(shù)據(jù)表，使數(shù)據(jù)和程序獨立。

模擬聲音，要使實驗達(dá)到逼真，除了模擬控制臺實物景象，還要模擬它們實驗環(huán)境中的各種聲音，如汽笛聲、按鈕按動聲、內(nèi)部機(jī)械動作聲等。這樣，才能使學(xué)生在實驗室有身臨其境的感覺，全身心地投入學(xué)習(xí)。

模擬臺面各種動作的結(jié)果，臺面上每個控件的動作都會觸發(fā)一定的事件。這些事件在實物設(shè)備中是靠機(jī)械、電子電路等去完成，而現(xiàn)在將這些機(jī)械及電子邏輯關(guān)系使用計算機(jī)軟件實現(xiàn)。

故障發(fā)生器，在實際工作中除了設(shè)備正常情況下的操作，還有各種意外情況，如某些設(shè)備故障的情況。此時，要求在虛擬系統(tǒng)中也能模擬手柄失靈、儀表信號不顯示及自然災(zāi)害發(fā)生的情況等，即給實驗增加一些難度，強(qiáng)化學(xué)生實際操作能力。

5　結(jié)束語

虛擬實驗技術(shù)在實驗教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用、發(fā)展前景，隨著虛擬實驗的普及，其優(yōu)越性會被越來越多的人認(rèn)識。但要使虛擬實驗技術(shù)真正得到推廣應(yīng)用，關(guān)鍵還是觀念的改變，首先是教師觀念的改變，除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應(yīng)有一個科學(xué)的投資理念，在實驗室建設(shè)和發(fā)展中，充分考慮投資效益，建設(shè)現(xiàn)代化的實驗室。其次要培養(yǎng)一支高素質(zhì)的實驗隊伍，不斷地進(jìn)行知識更新，加強(qiáng)學(xué)習(xí)，重視信息的收集、加工、應(yīng)用，了解掌握最新技術(shù)，促進(jìn)實驗教學(xué)發(fā)展。虛擬實驗的應(yīng)用和發(fā)展，加快了實驗室發(fā)展和實驗教學(xué)改革，促進(jìn)了教育觀念的改變。是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新的實驗手段。

虛擬實驗在21世紀(jì)實驗教學(xué)中必將占有重要地位，無疑會起到很大的作用。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：虛擬實驗室；實體造型；虛擬設(shè)計；網(wǎng)頁

機(jī)械設(shè)計課程實驗是連接基礎(chǔ)課與專業(yè)課的重要環(huán)節(jié)，能夠使學(xué)生通過自己的思考分析獨立進(jìn)行實驗設(shè)計、實驗操作和實驗分析，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。為學(xué)生掌握機(jī)械設(shè)計實驗方法提供學(xué)習(xí)機(jī)會和實踐體驗，促進(jìn)知識、能力與素質(zhì)的協(xié)同發(fā)展。

虛擬實驗室是近年來信息技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)重點應(yīng)用之一，也是促進(jìn)教育方式、方法和科學(xué)實驗進(jìn)步的重要手段。它具有低成本、擴(kuò)展性強(qiáng)、高效率、協(xié)作性強(qiáng)、安全性高、時間空間限制小等優(yōu)點。

1方案設(shè)計

1.1功能設(shè)計。在機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室在功能上能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械零件認(rèn)知實驗、帶傳動實驗、螺栓聯(lián)接實驗、零件裝配實驗。認(rèn)知實驗的認(rèn)知類零件主要包括螺栓、鍵、圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪、蝸桿、帶、帶輪、軸、軸系固定元件和滾動軸承等內(nèi)容。帶傳動實驗包括傳動帶的彈性滑動和打滑實驗。螺栓聯(lián)接實驗?zāi)軌虮磉_(dá)出螺栓聯(lián)接在擰緊過程中各部分的受力和變形情況。驗證受軸向工作載荷時預(yù)緊螺栓聯(lián)接的變形規(guī)律，及對螺栓總拉力的影響。零件裝配實驗?zāi)軌驅(qū)α悴考Ｐ瓦M(jìn)行拆裝仿真，包括螺栓聯(lián)接、鍵聯(lián)接，軸系結(jié)構(gòu)、聯(lián)軸器、減速器等裝配。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計。機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室采用Web瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器相結(jié)合的架構(gòu)。實驗人員只需通過訪問機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室的網(wǎng)址就可以進(jìn)行機(jī)械設(shè)計實驗的虛擬操作。

虛擬實驗室能夠通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互，能夠?qū)λ辛慵M(jìn)行放縮、旋轉(zhuǎn)、平移、名稱顯示。實驗過程中具有實驗操作演示、操作步驟提示、錯誤提醒、數(shù)據(jù)分析、相關(guān)理論注釋等。

2 模型設(shè)計

2.1 實體建模。利用SolidWorks對機(jī)械虛擬實驗室中的所有機(jī)械零件進(jìn)行實體模型構(gòu)建。為了保證實體模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，創(chuàng)建前要進(jìn)行機(jī)械零件的測繪，并且所有零件都按統(tǒng)一的單位進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)。這樣能夠避免模型導(dǎo)入到虛擬開發(fā)平臺后進(jìn)行相關(guān)操作時出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。如模型導(dǎo)入到虛擬開發(fā)平臺后場景中各物體模型的各個部分出現(xiàn)尺寸和比例不一致。

2.2場景設(shè)計。為了提高虛擬實驗室的真實感，需要在3D MAX中設(shè)計實驗室場景，如實驗室的房間，實驗操作臺、實驗工具等。同時還要對所有導(dǎo)入到3D MAX中的機(jī)械零件模型進(jìn)行材質(zhì)貼圖、燈光、渲染烘焙。

3 虛擬設(shè)計

3.1認(rèn)知實驗。認(rèn)知實驗?zāi)K采用Cult3D作為開發(fā)工具。Cult3D是Cycore公司開發(fā)的應(yīng)用軟件，Cult3D的最大特點是展示功能制作簡單，與Java技術(shù)結(jié)合緊密。

通過Cult3D虛擬開發(fā)平臺可以實現(xiàn)模型的平移、放縮、旋轉(zhuǎn)等人機(jī)交互功能。首先通過Cult3D Exporter從3ds Max中導(dǎo)入機(jī)械零件的實體模型；然后在Cult3D Designer中進(jìn)行交互設(shè)計；最后通過Cult3D Viewer，將制作的認(rèn)知實驗?zāi)K成網(wǎng)頁能夠接收的格式。

3.2零件裝配實驗

1）基本運(yùn)動實現(xiàn)。在虛擬裝配實驗中，裝配和拆裝是兩個關(guān)鍵的步驟。實驗時操作者可以按照提示來學(xué)習(xí)裝配實驗中各零部件的裝配和拆裝，然后進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，提高熟練程度。

2）攝像機(jī)控制。在Virtools軟件中，攝像機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬漫游功能，可分為全景攝像機(jī)和跟隨攝像機(jī)兩種，這兩者之間可以通過設(shè)計腳本進(jìn)行轉(zhuǎn)換。全景攝像通過透視圖來顯示機(jī)械零件虛擬裝配中的整個場景，還能夠利用鼠標(biāo)控件攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到不同視角觀察整個場景的效果；跟隨攝像機(jī)通過追蹤機(jī)械零部件的方式進(jìn)行跟隨攝像，攝像機(jī)與機(jī)械零部件之間始終保持設(shè)置的距離值。

3）碰撞檢測。在現(xiàn)實的機(jī)械設(shè)計實驗過程中，所有的機(jī)械零部件都是具有物理屬性的實體，相互之間不能夠穿越，并且所有的實驗操作都是在操作平臺進(jìn)行。而虛擬實現(xiàn)所有的機(jī)械零部件均是虛擬的模型，為了避免產(chǎn)生穿越現(xiàn)象，Virtools內(nèi)嵌了碰撞檢測功能。在虛擬實現(xiàn)設(shè)計時，對操作平臺添加Floor 屬性，對機(jī)械零部件添加Fixed Obstacle 屬性，同時將Prevent collision 行為模塊添加到對應(yīng)的腳本設(shè)計中，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測功能，達(dá)到真實的效果。

4 網(wǎng)頁整合。通過Dreamweaver軟件將Cult3D、Virtool和Flash生成的虛擬實驗整合到統(tǒng)一的網(wǎng)頁中。Cult3D生成的虛擬實驗整合到Dreamweaver制作的網(wǎng)頁中需要在Dreamweaver軟件添加Cult3D三維模型的插件Cult3D.mxp，然后執(zhí)行Dreamweaver文件菜單"插入"下的"Cult3D"，在出現(xiàn)的"choose Cult3D file…"對話框中選擇需要插入的Cult3D三維模型文件（擴(kuò)展名.co），然后把文件保存到一個HTML文件中。

Virtools生成的虛擬實驗整合到Dreamweaver制作的網(wǎng)頁中需要在Virtools的File中選擇Create Web Page, 在彈出的設(shè)置面板Choose Destination選項中選擇所要保存文件的路徑，在Setting選項中設(shè)置Window Size的數(shù)值為800、600。點擊OK鍵，創(chuàng)建網(wǎng)頁形式執(zhí)行文件。

3總結(jié)

機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室交互性強(qiáng)、訪問流暢、界面友好、操作簡單，為實驗教學(xué)模式提供了新的探索。機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室還存在很多問題需要繼續(xù)研究和探索，主要包括以下幾個方面：1）對于較復(fù)雜的實驗配上場景和音效后會使生成的執(zhí)行文件較大，在現(xiàn)有硬件的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)頁形式如何保證訪問速度和網(wǎng)絡(luò)流量仍然值得研究。2）對于大型實體模型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和管理是非常值得研究的課題。3)進(jìn)一步完善機(jī)械設(shè)計虛擬實現(xiàn)室，實現(xiàn)學(xué)、考、評于一體的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課堂。

參考文獻(xiàn)

篇6

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室；模式；平臺；架構(gòu)

      這些年來，隨著高校的不斷擴(kuò)招，給高校的實驗室造成了很大的壓力，高校中的實驗是學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐的重要一環(huán)，各高校想盡一切辦法，開源節(jié)流，但由于一些實驗成本太高和各種條件的限制，高校實驗室對教學(xué)實驗來說仍然捉襟見肘，嚴(yán)重的影響了學(xué)校的教學(xué)和學(xué)生對知識的掌握。但隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，在高校建立虛擬的實驗室，用計算機(jī)仿真軟件來替代部分實物實驗成為可能。在虛擬實驗室里，學(xué)生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可自主設(shè)計實驗，方便快捷的從事各種實驗，有利于培養(yǎng)他們的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。在虛擬實驗室中，學(xué)生更易獲得相關(guān)的知識、科學(xué)的指導(dǎo)和敏捷的反饋。虛擬實驗室是未來實驗室建設(shè)的發(fā)展方向，具有很高的實用價值和現(xiàn)實意義。

1.高校虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)模式

在現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)中存在兩種模式： B/S模式和 C/S模式。在高校中推薦采用B/S模式。因為B/S模式有以下特點：

1.1B/S模式建立在廣域網(wǎng)之上，不必需要專門的網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境，可以寬帶上網(wǎng)，租用設(shè)備．信息自己管理．有比C/S更強(qiáng)的適應(yīng)范圍，一般只要有操作系統(tǒng)和瀏覽器就行?，F(xiàn)在的學(xué)生宿舍基本上都可以使用網(wǎng)絡(luò)，且B/S模式下基本上不用裝其他的客戶端軟件，使用起來比較方便，設(shè)計人員也無需開發(fā)過多的客戶端程序，減輕了開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)。

1.2C/S模式一般面向相對固定的用戶群，對信息安全的控制能力很強(qiáng)．一般高度機(jī)密的信息系統(tǒng)采用C/S模式結(jié)構(gòu)適宜。 B/S模式建立在廣域網(wǎng)之上，對安全的控制能力相對弱，面向不可知的用戶群．而學(xué)生實驗的保密性一般要求不高，且學(xué)生群體比較大，流動也比較強(qiáng)，所以比較適合B/S模式的網(wǎng)絡(luò)。

1.3C/S模式程序應(yīng)用邏輯在客戶端實現(xiàn)，對于虛擬實驗系統(tǒng)來說，客戶端需要配置支持虛擬實驗的虛擬機(jī)軟件，安裝支持虛擬機(jī)軟件對初學(xué)的學(xué)生來說是一件麻煩的事情，而B/S模式除了瀏覽器和一些瀏覽特殊資料格式的插件以外一般不需要其它的客戶端軟件支持，分布在學(xué)校各個角落的的學(xué)生用戶只要輸入訪問特定的網(wǎng)址便可以進(jìn)入這個虛擬環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)實驗課程學(xué)習(xí)。

2.虛擬實驗室架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)平臺的實現(xiàn)

     2.1網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)是一個集虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)、實驗課教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)實驗仿真等為一體的功能強(qiáng)大的網(wǎng)上運(yùn)行系統(tǒng)。各部分之間既相互獨立又相互聯(lián)系。學(xué)生通過鼠標(biāo)點擊、拖曳和鍵盤輸入等操作就能進(jìn)行實驗。微軟的.NET平臺為架構(gòu),使用ASP.NET語言開發(fā)實現(xiàn),后臺數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2008,采用三層架構(gòu)的形式，可以用來設(shè)計虛擬實驗室的實驗平臺。一個完整的虛擬實驗室系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1

      

2.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)化主要由三大部分組成：第一部分是遠(yuǎn)程客戶端程用戶通過瀏覽器發(fā)出請求，二部分是中間傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)信號經(jīng)過校內(nèi)局域網(wǎng)，并通過防火墻；第三部分是WEB服務(wù)器，它需啟動儀器控制服務(wù)器，通過程序分析和處理從客戶端采集來的數(shù)據(jù)得出結(jié)果返回給客戶端。

 這個虛擬實驗室系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，學(xué)生在客戶端的瀏覽器發(fā)出實驗請求，服務(wù)器能驅(qū)動電

機(jī)啟動相關(guān)的實驗設(shè)備，按照學(xué)生設(shè)置的參數(shù)，運(yùn)行實驗得出相應(yīng)的結(jié)果。并將實驗結(jié)果以視頻，文字、

圖表的形式返回給學(xué)生，最終形成實驗報告。

3.虛擬實驗室不僅在節(jié)省實驗教學(xué)資金、提高教學(xué)資源利用率，節(jié)約學(xué)生實驗時間、提高實驗效率上起到很好的作用，而且對于現(xiàn)實的常規(guī)實驗教學(xué)仍具有重要的意義體現(xiàn)在：

（1）彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足。有些常規(guī)實驗的一些實驗效果因為實驗設(shè)備、實驗場地、實驗環(huán)境的原因不能很好的觀察到，一些實驗微小的變化在實際實驗中往往很難觀察到，而在虛擬實驗?zāi)軌蚝芎玫姆磻?yīng)出來，從而豐富感性認(rèn)識，加深對知識的理解。

（2）避免了危險性實驗真實操作所帶來的各種危險。有些常規(guī)實驗帶有危險性例如：化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險，生物實驗的細(xì)菌病毒帶來的危險等，在虛擬實驗室中學(xué)生可以放心大膽的去做實驗。

（3）虛擬實驗室重復(fù)性好。存虛擬實驗中，可以像玩電子游戲一樣，用鼠標(biāo)鍵盤去控制實驗，一邊改變實驗條件，一邊觀察實驗結(jié)果。虛擬軟件可以按我們的要求，任意放慢實驗的過程，讓學(xué)生看到在傳統(tǒng)實驗中看不到的變化過程，也可以在很短的時間內(nèi)完成幾百次或幾千次的實驗，讓學(xué)生看到只有經(jīng)過成百上千次的實驗才能看到的結(jié)果，從而使學(xué)生在操作的過程中，在變化的過程中學(xué)習(xí)知識、驗證知識、探索知識。

4.教學(xué)型虛擬實驗室的建設(shè)的幾點建議：

 （1）選擇合理的開發(fā)技術(shù)，開發(fā)出封裝性強(qiáng)、界面友好、響應(yīng)速度快的虛擬系統(tǒng)。

建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是成功進(jìn)行虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵，而要建立一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，首先要做的工作是選擇實可行的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)解決方案。虛擬實驗平臺的界面要友好、豐富、直觀，以提高學(xué)生的實驗興趣。

 （2）更新實驗教學(xué)觀念,重新認(rèn)識虛擬實驗室

     受傳統(tǒng)的實驗觀念的影響，很多學(xué)校和學(xué)生比較注重看的見摸得著的實體實驗，并且認(rèn)為虛擬實驗室是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新技術(shù)共同的產(chǎn)物,因此容易被理解為技術(shù)要求高、建設(shè)投入大的教學(xué)資源，從而讓人望而生畏,不敢問津。

 （3）真實性

     仿真系統(tǒng)要能夠最大限度真實的反應(yīng)實驗的情況，這一點是虛擬實驗室系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

 （4） 交互性強(qiáng)

     在仿真實驗在運(yùn)行的過程中提供和學(xué)生交互的友好界面，完全按照學(xué)生的意圖和學(xué)生設(shè)置的實驗參數(shù)進(jìn)行實驗，增強(qiáng)學(xué)生對實驗的控制力度和操作力度，同時記錄實驗的結(jié)果和數(shù)據(jù)，最終形成實驗報告。這樣可以大大的方便學(xué)生做實驗。

5.結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，高校網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室必將有廣闊的發(fā)展前景，高校網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗具有眾多的優(yōu)點，為加強(qiáng)高校網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的建設(shè)，為了提高高校的教學(xué)質(zhì)量，我們應(yīng)不斷探索網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)的應(yīng)用方法，以使高校網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室建設(shè)實現(xiàn)更優(yōu)化更現(xiàn)代化。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈銀軍、李新華，網(wǎng)上虛擬實驗室的構(gòu)建，《硅谷》，2011年17期.

[2]曾創(chuàng)奇，關(guān)于高校教學(xué)型虛擬實驗室構(gòu)建，《電化教育研究》，2005年第09期.

篇7

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室技術(shù)；開發(fā)；設(shè)計

中圖分類號：TP391.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599　（2012）　18-0000-02

1 虛擬實驗室的概念

1989年，美國的William　Wolf教授提出了虛擬實驗室（Virtual　Laboratory）概念，用來描述一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境[1]。所謂虛擬實驗室，即是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)下產(chǎn)生的可以進(jìn)行虛擬實驗操作的一類實驗系統(tǒng)，它包含實驗儀器設(shè)備、實驗對象、實驗室環(huán)境及相關(guān)實驗信息資源等元素。它不僅可以是現(xiàn)實實驗室的體現(xiàn)，也可以通過虛擬構(gòu)想來形成。

2 虛擬實驗室的基本特征

虛擬實驗室應(yīng)具備一些基本特征[2]：（l）與現(xiàn)實的一致性（或現(xiàn)實的延伸）；（2）高度交互性；（3）實施的信息反饋；（4）多人合作使用的功能；（5）具備一定的智能特性。近幾年來，個人計算機(jī)的性能已迅速增強(qiáng)，在很大程度上滿足了虛擬實驗室的要求。對于一些在現(xiàn)實世界難以進(jìn)行，或耗時、耗力、耗資金的實驗，可以通過計算機(jī)建立能夠客觀反映其現(xiàn)實世界規(guī)律的虛擬儀器，進(jìn)行虛擬實驗來代替。建立虛擬實驗室可以使實驗人員在計算機(jī)上進(jìn)行虛擬實驗和虛擬預(yù)測分析，親自操作實驗儀器，觀察動態(tài)過程，還可以改變實驗條件和數(shù)據(jù)，總結(jié)變化規(guī)律。虛擬實驗室三維立體的空間創(chuàng)造使實驗者如同身臨其境。

3 WebGL的相關(guān)技術(shù)及知識

WebGL是一種3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL　ES　2.0結(jié)合在一起，通過增加OpenGL　ES　2.0的一個JavaScript綁定，WebGL可以為HTML5　Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣Web開發(fā)人員就可以借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型了，還能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺化。WebGL技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)免去了開發(fā)網(wǎng)頁專用渲染插件的麻煩，可被用于創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)站頁面，甚至可以用來設(shè)計3D網(wǎng)頁游戲等等。WebGL完美地解決了現(xiàn)有的Web交互式三維動畫的兩個問題：第一，它通過HTML腳本本身實現(xiàn)Web交互式三維動畫的制作，無需任何瀏覽器插件支持；第二，它利用底層的圖形硬件加速功能進(jìn)行的圖形渲染，是通過統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、跨平臺的OpenGL接口實現(xiàn)的[3]。

4 虛擬實驗室平臺的設(shè)計

本虛擬實驗室是一種基于WebGL標(biāo)準(zhǔn)的虛擬實驗教學(xué)平臺的，這在國內(nèi)還是一個新的嘗試。以往Web3D開發(fā)的應(yīng)用程序，在運(yùn)行時要安裝插件，安裝專有客戶端軟件，而本虛擬實驗系統(tǒng)可直接訪問WebGL支持的瀏覽器，并具有更高的三維效果，具有較強(qiáng)沉浸體驗，的實驗場景，進(jìn)行相關(guān)實驗操作的體驗和學(xué)習(xí)[4]。

4.1 實驗系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

該虛擬實訓(xùn)室是基于WebGL技術(shù)開發(fā)的平臺，學(xué)生操作的過程中需要使用JS的庫，它可以直接調(diào)用JS的庫，完成圖形圖像處理。分別為：

GLGE庫：GLGE是一個封裝了　WebGL　的JavaScript庫，可以降低WebGL使用的難度。他提供了一個本地的browser　JavaScript　API，可以直接訪問，允許在沒有下載任何插件的情況下使用2D/3D硬件加速應(yīng)用。

WebGLU庫：WebGLU是WebGL與GLU的結(jié)合，提供封裝，在場景中放置Camera或者提供簡單的幾何圖形元素。

這兩個庫的調(diào)用可以完成多個功能，分別是攝像機(jī)控制、模型建模、場景搭建、射線碰撞、線段繪制、光影投射、場景邊界檢測、UI結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)等。

Ajax引擎：Ajax　不是編程語言，它的作用是創(chuàng)建更好更快以及交互性更強(qiáng)的　Web　應(yīng)用程序的技術(shù)。通過　Ajax引擎，本虛擬實驗室的JavaScript　可使用 XMLHttpRequest　對象來直接與服務(wù)器進(jìn)行通信。這樣　JavaScript　就可在不重載頁面的情況與　Web　服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，使網(wǎng)頁從服務(wù)器請求少量的信息，而不是整個頁面。并可使因特網(wǎng)應(yīng)用程序更小、更快，更友好[5]。

4.2 虛擬實驗過程設(shè)計

以往的虛擬實驗的操作方式過程和步驟是，首先步驟是操作者點擊鼠標(biāo)或點擊鍵盤“進(jìn)入”虛擬實驗室，接著步驟是“來到”規(guī)定的操作平臺，根據(jù)實驗內(nèi)容用鼠標(biāo)或鍵盤點擊、拖動、添加虛擬元件等操作方式來完成實驗，最終步驟是獲得實驗結(jié)果，歸納總結(jié)實驗。而本試驗系統(tǒng)在完成剛才的步驟后，還有不“虛擬”的部分，既根據(jù)剛才歸納的要點，去實訓(xùn)場地在實訓(xùn)設(shè)備上操作驗證。虛擬實驗室和實訓(xùn)室連在一起，類似一體化工作室的模式[6]。

4.3 虛擬實驗室所需的場景及器件的建立

建立XML文件，取名level.xml，該文件的作用就是建立虛擬實驗室所需的場景及資源。

4.3.1 定義mesh

（1）建立1*1*1像素的立方體，36個定點矩陣。

-1.000000，1.000000，0.000000，

1.000000，1.000000，0.000000，

1.000000，1.000000，1.000000，

.

.

（2）建立法線。

（3）建立UV。

4.3.2 定義material

（1）材質(zhì)貼圖建立

（2）UV模型建立

4.3.3 定義camera

建立camera，需要調(diào)整位置，及旋轉(zhuǎn)，達(dá)到三維的視圖效果。

4.3.4 定義scene

（1）建立主場景名。

（2）建立主攝像機(jī)

（3）建立環(huán)境顏色

4.3.5 定義object

（1）定義場景中的實體對象模型。

（2）定義場景中的實體對象材質(zhì)。

（3）定義場景中的實體對象位置。

（4）定義場景中的實體對象縮放。

（5）定義場景中的實體對象旋轉(zhuǎn)。

5 總結(jié)

近年來，人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制等技術(shù)發(fā)展迅速，也為解決此類問題開辟了許多新途徑。三維虛擬實驗室為學(xué)生提供了嶄新的實驗方法，將學(xué)生和實驗儀器聯(lián)系起來，起到了增強(qiáng)擴(kuò)展實驗教學(xué)功能的作用[7]，這對改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量、教育資源共享等方面都具有前所未有的重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李仁發(fā)，周祖德，李方敏等.虛擬實驗室網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002.

[2]劉志廣，呂保和，吳海霞，岳鋅.《智能化虛擬實驗室實現(xiàn)方法的研究》.

[3]程新麗.基于WebGL的虛擬實驗教學(xué)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)場，2011，09：12-13.

[4]梁勇，Java語言程序設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

篇8

    虛擬實驗室由于其廣泛的應(yīng)用前景,許多研究機(jī)構(gòu)都在大力開發(fā),并且取得了很大進(jìn)展?；谔摂M實驗室的特點,它在實際中還常被用于輔助教學(xué)的開展。許多學(xué)校根據(jù)自身實際教學(xué)需求已經(jīng)建立了虛擬實驗室,比較典型的有:(1)山西師范大學(xué)的物理虛擬仿真實驗室,[4]其目的是為了解決物理實驗教學(xué)中存在的一些問題。實驗室包括實驗儀器、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理等子模塊,選用Cult3d和Flash作為其主要的開發(fā)工具,并且通過JavaScript在這兩種技術(shù)之間建立通信,為學(xué)生提供了一個操作方便的虛擬實驗系統(tǒng);(2)浙江大學(xué)的虛擬化學(xué)實驗室,是基于Web的虛擬實驗室,以VRML為基礎(chǔ)構(gòu)筑虛擬實驗環(huán)境,并利用Java技術(shù)來實現(xiàn)虛擬實驗場景的人機(jī)交互。[5](3)文獻(xiàn)[6]所介紹的中學(xué)物理實驗室,則是基于Web的B/S體系結(jié)構(gòu),使用VRML和Java相結(jié)合進(jìn)行開發(fā),由客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器四大部分組成,集實驗教學(xué)、實驗操作與實驗報告于一體。盡管虛擬實驗室呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展景象,但是目前用于輔助教學(xué)的系統(tǒng)大多是為高校和中職院校的實驗教學(xué)而量身定做的。而在中學(xué)物理教學(xué)中,開發(fā)者往往只是制作單個虛擬實驗課件使用者利用這些實驗可以實現(xiàn)基本的模擬功能,但這些單個的虛擬實驗卻不能滿足使用者交流互動的需要,也無法實現(xiàn)教師對實驗教學(xué)的管理。針對這些不足,我們設(shè)計了中學(xué)物理虛擬實驗室,里面不僅包含基本的物理實驗,還為師生提供了下載中心、交流中心等輔助功能,讓系統(tǒng)更加人性化,更能滿足師生的實際需求。

    二、虛擬實驗室的總體設(shè)計

    通過學(xué)生的問卷調(diào)查以及與一線教師的實際訪談,根據(jù)師生的實際需要。該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的主要功能為:(1)模擬實驗。中學(xué)物理虛擬實驗室的核心部分是虛擬實驗室。在儀器庫中,有各種實體儀器的模型,用戶在使用時只需將需要的儀器從庫中拖到實驗界面上,就可以對其進(jìn)行操作。在本系統(tǒng)中,我們利用交互技術(shù)來模擬實驗動態(tài),使學(xué)生和實驗環(huán)境之間進(jìn)行充分的交互。(2)實驗報告。本系統(tǒng)為每個實驗都提供一個實驗報告模板。學(xué)生在實驗過程中記錄產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及圖形,并且根據(jù)實驗原理進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。實驗完成后,用戶可以到下載中心下載對應(yīng)實驗的報告模板,按要求編寫后,在登錄情況下提交。提交后,系統(tǒng)會將實驗報告發(fā)送至相應(yīng)的任課老師那里進(jìn)行批改。(3)交流互動。本系統(tǒng)在模擬實驗之外,還為用戶提供了一個交流互動的平臺。在這個平臺上,已登錄的用戶之間可以進(jìn)行在線提問和在線答疑,同時還可以進(jìn)行留言,提出自己的意見等。用戶在這個版塊上,還可以查看問答匯總,利用其他同學(xué)的經(jīng)驗來提高自己的實驗?zāi)芰Α?4)資源共享。本系統(tǒng)還為用戶,提供了一些習(xí)題和實驗資料,用戶可以在線瀏覽,也可以下載。如果想共享資源,可以選擇上傳。上傳的資料在經(jīng)過管理員審核后,即可顯示在資源共享欄中。(5)用戶模塊。該功能具體包括注冊新用戶、修改用戶密碼、找回用戶密碼、已注冊用戶登錄和退出系統(tǒng)。和大部分系統(tǒng)一樣,物理虛擬實驗室為每個注冊用戶分配一個賬號,并記錄用戶的相應(yīng)信息,并保存至數(shù)據(jù)庫中,方便用戶查看個人之前的實驗記錄。其中應(yīng)用程序中的用戶注冊和登錄模塊啟用了Forms身份驗證機(jī)制,并充分運(yùn)用了成員資格和角色管理功能。(6)實驗管理。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中秉持可擴(kuò)展性原則,為教師用戶提供了增加和刪減實驗的功能。教師可以通過設(shè)計新實驗來擴(kuò)充實驗庫。同時教師還可以對儀器庫進(jìn)行管理,根據(jù)實驗的實際需要,往儀器庫里增加或減少實驗儀器。(7)實驗指導(dǎo)。在做實驗之前,必須先了解該實驗使用儀器的參數(shù)設(shè)置、實驗原理及注意事項等。本系統(tǒng)為每個實驗都建立了一個文本形式的Web頁面,頁面包含了這些項目的詳細(xì)內(nèi)容。學(xué)生在實驗過程中可以隨時瀏覽來指導(dǎo)實驗的順利進(jìn)行。

    三、中學(xué)物理虛擬實驗室的實現(xiàn)技術(shù)

    1.Flash交互技術(shù)MacromediaFlash是一種交互式矢量圖編輯和多媒體創(chuàng)作軟件,具有存儲空間較小、效果和交互性能強(qiáng)大、跨媒體性強(qiáng)、成本低廉等特點。[7]ActionScript是Flash的腳本語言,利用它來控制Flash動畫中的對象,通過制作通用元件,將其編寫的代碼封裝起來。[8]這樣可以方便其他人使用。2.ASP.NET開發(fā)模型本系統(tǒng)最終是以網(wǎng)站的形式呈獻(xiàn)給用戶,在開發(fā)的過程中,我們使用了ASP.NET開發(fā)模式。3.數(shù)據(jù)庫技術(shù)SQLServer2005的安全性好,它提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫備份和恢復(fù)功能,當(dāng)故障發(fā)生時,能根據(jù)備份和日志迅速恢復(fù)到某一正確時刻;還提供了更好的并發(fā)控制功能以及大量的監(jiān)控和管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工具。[9]在本系統(tǒng)中,使用SQLServer2005進(jìn)行開發(fā),數(shù)據(jù)表由學(xué)生表、教師表、儀器表、報告表、資源表等組成。4.開發(fā)語言物理虛擬實驗室采用C#進(jìn)行開發(fā)。C#是衍生于C/C++的一種面向?qū)ο蟮恼Z言,有速度快、類型安全、靈活度高等特點。5.系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)C/S(Client/Server,即客戶端/服務(wù)器)中,服務(wù)器是核心,客戶端則是基礎(chǔ)。用戶界面、業(yè)務(wù)處理都在客戶端實現(xiàn),而服務(wù)器則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和維護(hù)的功能。進(jìn)行實驗的操作、仿真各種物理現(xiàn)象都需要本地機(jī)參與工作,以提高工作效率。[10]

    四、虛擬實驗室的開發(fā)流程

    (1)制作虛擬儀器庫。Flash素材庫可以導(dǎo)入外部的素材與創(chuàng)建的元件。這些元件可以是從其他地方找來的素材圖片,也可以是用Flash制作出來的影片剪輯或圖形。在制作動畫時,只需從儀器庫中將元件拖放到實驗場景中,并通過添加腳本來控制儀器的運(yùn)行。元件只需創(chuàng)建一次就可以反復(fù)使用。(2)設(shè)計與制作實驗場景。Flash動畫中,所有的實驗儀器都需要實驗場景來呈現(xiàn),從而為用戶提供一個接近真實的實驗環(huán)境。每個場景都有獨立的時間軸和圖層,用來放置不同的實驗對象,主要包括空間背景、實驗儀器、實驗臺等。(3)添加交互。在這個過程中,我們使用ActionScript來給動畫添加交互性,實現(xiàn)人機(jī)交互。(4)集成優(yōu)化和。完成Flash動畫的制作后,還要對動畫進(jìn)行優(yōu)化。比如壓縮,使動畫能夠更快地下載和播放。用戶可以Flash為SWF、HTML、QuickTime、Gif、Macintosh以及可執(zhí)行文件的格式,這樣可以使Flash動畫以不同的格式播放,以滿足不同平臺的需要。

    五、虛擬實驗室的系統(tǒng)界面

    使用者在不登錄的情況下,可以瀏覽本系統(tǒng)的任何信息,也可以進(jìn)入不同的實驗?zāi)K,了解相關(guān)知識。要進(jìn)入虛擬中心,使用者必須登錄,登錄后可以選擇點擊導(dǎo)航欄上的“虛擬中心”進(jìn)入,也可以通過選擇所要做的實驗歸屬的類別直接進(jìn)入相應(yīng)的模塊。圖3為虛擬中心中電學(xué)模塊《電路連接》的實驗準(zhǔn)備界面:實驗開始前,使用者可以在“實驗原理”中心查看信息,里面包含實驗電路圖以及不同的實驗電路連接方式,電流表和電壓表的參考示數(shù)。使用者在連接電路后,單擊“開始”按鈕進(jìn)行實驗,實驗過程中用戶可以通過電流表和電壓表觀察示數(shù),還可以通過“停止”和“復(fù)位”按鈕對電路進(jìn)行重新連接。

    六、虛擬實驗室的使用效果調(diào)查及評價

    為了測試本系統(tǒng)的使用效果,我們抽取了某校高中二年級的8班和10班為調(diào)查對象。這兩個班級人數(shù)相等,知識水平以及結(jié)構(gòu)組成接近,其中8班為實驗班,10班為對照班。實驗內(nèi)容為實物電路的連接,即根據(jù)給出的實驗電路圖,將所示各器材的實物圖正確連接。這部分實驗的難點在于滑動變阻器的接法。在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn),有些學(xué)生畫電路圖時頭頭是道,可在實物連接時卻束手無策,動手能力差。所以,針對這部分問題,本系統(tǒng)提供了實驗提醒功能,即在實驗器件相同的情況下,為每一組實驗電路圖提供了供參考的電壓表和電流表的示數(shù)。學(xué)生在實驗過程中,如果實驗數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)不一樣,系統(tǒng)則提醒學(xué)生出錯,建議學(xué)生自行檢查電路并改正,直至結(jié)果正確。這樣的過程原則上可以提高學(xué)生實物連接的能力。針對此次調(diào)查,事先設(shè)計了兩份問卷。問卷1側(cè)重知識與能力的檢測,測試內(nèi)容為根據(jù)實驗電路進(jìn)行實物連接,這份問卷同時投放給8班和10班;而問卷2的設(shè)計則從三維目標(biāo)中的情感態(tài)度與價值觀的角度出發(fā),其中包含10道題,這份問卷僅投放給8班。

篇9

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室計算機(jī)模擬多媒體技術(shù)

在高等教育實現(xiàn)大眾化的今天，由于眾多主客觀因素制約，國內(nèi)許多高校教學(xué)質(zhì)量有所下降，特別是在實踐教學(xué)中，出現(xiàn)重視課堂理論教學(xué)，忽視成本高、難度和質(zhì)量彈性都較大的實踐教學(xué)。在全球競爭高度激烈的時代，市場經(jīng)濟(jì)對人才所具備的創(chuàng)新精神、實踐能力的要求越來越高，如果高校所培養(yǎng)的學(xué)生理論基礎(chǔ)與實踐能力脫節(jié)，學(xué)生將無法立足于當(dāng)前的市場經(jīng)濟(jì)，因此，加強(qiáng)高校實踐教學(xué)工作是我們必須要解決的重要任務(wù)。

目前，國家已將培養(yǎng)適應(yīng)新世紀(jì)現(xiàn)代化建設(shè)所需要的具有創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神高素質(zhì)人才列為高等教育戰(zhàn)略工程，這種人才只有通過系列的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)才能得到有效的培養(yǎng)。而我校許多學(xué)科專業(yè)都屬于實踐性較強(qiáng)的應(yīng)用型專業(yè)，如何將學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力有機(jī)結(jié)合起來是我們面臨的難題，下面就如何培養(yǎng)提高學(xué)生的實踐能力談幾點自己的認(rèn)識：

我校實驗教學(xué)計劃主要設(shè)置有無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、儀器分析以及物理化學(xué)等實驗課程，實驗教學(xué)分散在各門理論課程中，教學(xué)主要按照理論課講授的內(nèi)容順序自成體系，各門實驗教學(xué)課程尚未進(jìn)行整合形成一個科學(xué)系統(tǒng)的實驗教學(xué)體系，內(nèi)容存在重復(fù)、脫節(jié)現(xiàn)象，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力；實驗教學(xué)內(nèi)容簡單分散，多為一些驗證性的實驗，實驗內(nèi)容的深度和廣度也不夠，知識也不能及時得到更新，學(xué)生很難將化學(xué)知識和操作技能應(yīng)用到工作中去解決實際問題；實驗的教學(xué)手段基本上采用傳統(tǒng)的一塊黑板、一套舊式儀器設(shè)備、一本實驗教材，缺乏計算機(jī)多媒體和先進(jìn)儀器等現(xiàn)代化教學(xué)手段，教學(xué)方法主要是學(xué)生課前預(yù)習(xí)，教師重點講解和指導(dǎo)，學(xué)生按實驗指導(dǎo)書“照方抓藥”，進(jìn)行機(jī)械式操作，最后填寫實驗報告，學(xué)生缺乏獨立思考和自己設(shè)計實驗的能力；實驗教學(xué)課時安排偏少，培養(yǎng)學(xué)生動手能力的實踐時間不能得到充分保證。

鑒于以上事實，我們認(rèn)為虛擬實驗室的建設(shè)將在一定程度上解決目前存在的問題，有助于培養(yǎng)和鞏固學(xué)生掌握實驗基本理論、知識、方法、技能，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和綜合分析、解決問題能力以及培養(yǎng)學(xué)生初步的科學(xué)研究能力。其依據(jù)在于：化學(xué)虛擬實驗室充分利用計算機(jī)多媒體的技術(shù)，將化學(xué)實驗過程中的文、圖、聲像、動畫各種因素有機(jī)組合在一起，把一些抽象理論、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、虛幻情景、跨越時空等因素，通過三維動畫、視頻圖像、虛擬現(xiàn)實等手段形象生動地展現(xiàn)出來，使學(xué)生通過多種感官刺激全方位地獲取豐富的信息，學(xué)生對實驗過程和實驗現(xiàn)象觀察得很清楚，讓學(xué)生在計算機(jī)上操作也能達(dá)到身臨其境的效果，這樣就可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，起到良好的教學(xué)效果。

一、虛擬實驗室的建立有利于彌補(bǔ)實驗課時較少的問題

化學(xué)虛擬實驗室的建設(shè)，可以彌補(bǔ)實踐教學(xué)課時不足的問題，擴(kuò)大學(xué)生的信息量。實驗教學(xué)是一種手腦并用的學(xué)習(xí)方式，既要動手操作又要動腦思考。但是由于實驗課時的限制，往往一個實驗環(huán)節(jié)需要在2～3個學(xué)時內(nèi)完成，教師只能將儀器的使用和實驗方法進(jìn)行簡要的示范和描述，一般很難有足夠的時間對整個實驗過程進(jìn)行詳細(xì)的演示，學(xué)生也沒有充足的時間去思考，實驗經(jīng)費不足，儀器數(shù)量少，不能滿足學(xué)生人人都能動手進(jìn)行操作訓(xùn)練，學(xué)生在實驗過程中難免出現(xiàn)各種各樣的錯誤，導(dǎo)致最后得不出正確的實驗結(jié)果，甚至在實驗課結(jié)束后，對所做實驗內(nèi)容仍是一知半解。因此采用新的教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分利用學(xué)校的校園網(wǎng)，在保證原來實驗課的基礎(chǔ)上，利用學(xué)生的課余活動時間，開通計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬模擬實驗，其具體做法是：將實驗內(nèi)容制作為教學(xué)軟件上傳校園網(wǎng)，使學(xué)生不受時間、地點、場所的限制，打開校園網(wǎng)就可以進(jìn)行模擬實驗，這樣既可以節(jié)省經(jīng)費，減少環(huán)境污染，又能為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期的實驗?zāi)康?。其次虛擬實驗室的開發(fā)將知識性、趣味性融為一體，教學(xué)方法上采用啟發(fā)式教學(xué)，使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成主動參與，從而有利于提高學(xué)生的綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

二、虛擬實驗室的建立有利于學(xué)生加深對實驗安全規(guī)范的認(rèn)識

化學(xué)實驗試劑大多數(shù)具有易燃、劇毒、腐蝕性，在實際操作過程中要求學(xué)生高度認(rèn)真，以免失誤導(dǎo)致事故發(fā)生。虛擬實驗室的建設(shè)可以為學(xué)生提供一個虛擬的實踐空間，加深對實驗安全規(guī)范的認(rèn)識，例如，通過虛擬實驗室計算機(jī)模擬出實驗中的錯誤操作，將水倒入濃硫酸中，液體沸騰并飛濺，并配上適當(dāng)?shù)膱D像、聲音，從而使學(xué)生親自感受錯誤操作的危險性，提醒學(xué)生避免這些錯誤的發(fā)生，這樣就會給學(xué)生留下深刻的影響，對實驗中的安全規(guī)范操作引起高度重視，降低化學(xué)實驗室事故發(fā)生的概率，即使出現(xiàn)危急情況，學(xué)生在虛擬實驗室的訓(xùn)練也有助于他們及時正確的處理。

三、計算機(jī)模擬有利于學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固

學(xué)生做完實驗后，由于受到主客觀條件的限制，一般難以再安排進(jìn)行重復(fù)實驗，因而實驗知識往往得不到鞏固。如果將實驗內(nèi)容設(shè)計成教學(xué)軟件，學(xué)生則可以自由地選擇時間和地點進(jìn)行多次的模擬實驗，這無疑是對實驗課的一種有力補(bǔ)充。例如，在分析化學(xué)實驗?zāi)M電光天平的使用，利用計算機(jī)模擬可達(dá)到以下效果：

1．演示

將拆散的天平部件逐一放在正確的位置，同時采用文字和語音提示該部件的名稱、用途以及使用時的注意事項等，當(dāng)組裝完成后，再演示稱量操作的步驟。在該過程中，其動畫圖像清晰、逼真，語音提示可以加深學(xué)生對實驗步驟的重視和理解，相比之下常規(guī)演示實驗難以達(dá)到這種效果。

2．練習(xí)

給出拆散的各天平部件，讓學(xué)生自己去完成組裝和稱量練習(xí)，每一個操作步驟都給出正確與否的判斷，若錯誤則提示正確的操作方法。

3．鞏固

給出實驗器材，在沒有正確提示的前提下完成所有操作，正確時給出歡快的掌聲；錯誤時則指出其錯誤，同時給出提示并給予鼓勵至完全正確。

4．測試

在沒有任何提示的情況下完成所有操作，根據(jù)操作情況和所用時間計分，并在最后給出錯誤所在，因此這種計算機(jī)模擬實驗?zāi)Ｊ酵耆梢猿蔀檎n堂教學(xué)的有力補(bǔ)充。

四、虛擬實驗室的建立有利于保護(hù)環(huán)境

常規(guī)的化學(xué)實驗中不可避免地要消耗大量的藥品和水資源，實驗過程中伴隨著有毒氣體、廢水以及有害物質(zhì)，這既污染環(huán)境，又影響實驗效果，既不利于學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，也不利于環(huán)境保護(hù)。因此在保證實驗教學(xué)目的的前提下，對化學(xué)實驗內(nèi)容進(jìn)行大幅度改革和調(diào)整是非常必要的，例如，在學(xué)習(xí)硫的知識中可設(shè)計成模擬實驗：

（1）模擬硫與氧氣反應(yīng)，指出生成的SO2是酸雨形成的主要成分之一，若直接排放到大氣中，就會產(chǎn)生環(huán)境污染；

（2）模擬實驗室中溫度計摔碎后對汞的處理，在汞的表面覆蓋一層硫粉，以防發(fā)生汞中毒等等，由于多媒體模擬化學(xué)實驗，畫面生動、逼真，特別是將反應(yīng)過程慢放和重播，學(xué)生能清楚的觀察實驗過程和實驗現(xiàn)象，這就大大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在掌握知識的同時又可以加強(qiáng)環(huán)保意識，從而起到良好的教學(xué)效果。

虛擬實驗室的建立突破傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式單一的局限，學(xué)生課前進(jìn)入虛擬實驗室，利用多媒體虛擬操作進(jìn)行前期實驗準(zhǔn)備工作，后期在實驗過程中具體操作將有助于提高學(xué)生實踐能力，其具體操作程序為：

1．建立虛擬實驗室運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)平臺

通過建立網(wǎng)站教學(xué)平臺，為學(xué)生營造一個完全自主的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以在該環(huán)境中通過自學(xué)、模擬、回答問題等多種學(xué)習(xí)方式，在實踐中得到提高。

2．化學(xué)實驗演示以及模擬課件的研制

研究、開發(fā)、制作化學(xué)虛擬實驗室支撐軟件，管理和開發(fā)有關(guān)實驗教學(xué)資源庫，通過對實驗教學(xué)資源的整理、存貯、加工、修改、整合以及維護(hù)等，使資源庫不斷完善和發(fā)展。

3．化學(xué)實驗內(nèi)容的整合和優(yōu)化

為了使學(xué)生系統(tǒng)掌握化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科的實驗技能，培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)、提高綜合分析問題和開展科學(xué)研究的基本思路，看準(zhǔn)國內(nèi)外實驗教學(xué)改革的趨勢，加強(qiáng)對學(xué)生實驗技能培養(yǎng)的系統(tǒng)性和連貫性，遵循教學(xué)規(guī)律和認(rèn)識規(guī)律，并結(jié)合林業(yè)院校教學(xué)特點，對化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化。實驗教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)規(guī)范為：基礎(chǔ)實驗、綜合性應(yīng)用實驗和研究（設(shè)計）型實驗等三個層次，使學(xué)生在掌握和鞏固化學(xué)實驗基本理論知識的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的綜合實踐能力以及初步的科研能力。

突破高等教育實踐教學(xué)沿用的傳統(tǒng)模式，建立化學(xué)虛擬實驗室，將現(xiàn)代多媒體技術(shù)應(yīng)用在實踐教學(xué)中，并根據(jù)林業(yè)院校教學(xué)要求的特點，對化學(xué)實驗內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，創(chuàng)建綜合實驗教學(xué)的新體系，從而培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力，提高學(xué)生實踐能力以及培養(yǎng)學(xué)生初步的科研能力。但是虛擬實驗室模擬技術(shù)不能完全代替學(xué)生動手做實驗，更不能使學(xué)生獲得化學(xué)實驗基本技能，它只是提供一種手段，起到輔助教學(xué)的作用，只有將其與傳統(tǒng)的教學(xué)手段有機(jī)地結(jié)合起來，找到一個合適的切入點，才能最大程度地發(fā)揮作用，從而達(dá)到提高實驗教學(xué)效率的目的。

篇10

隨著科技的不斷發(fā)展，單片機(jī)在機(jī)電工程與自動化等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，由于單片機(jī)技術(shù)的實踐或教學(xué)環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，因此對于經(jīng)費的要求較高；并且，如果設(shè)計方案不合理，更會造成開發(fā)經(jīng)費的進(jìn)一步浪費。所以基于相關(guān)軟件建立單片機(jī)虛擬實驗室非常必要。本文就是單片機(jī)技術(shù)的實踐教學(xué)為背景，闡述了基于proteus軟件建立單片機(jī)虛擬實驗室的基本方法。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 虛擬實驗室 proteus 仿真

單片機(jī)作為機(jī)電工程或自動化專業(yè)的一門重要課程，具有很強(qiáng)的實踐操作性。因此，在對其具體的學(xué)習(xí)過程中應(yīng)充分實踐相關(guān)技能。然而，完整的實踐需要大量經(jīng)費及合適的場地的支持，這些都使得單片機(jī)實驗室的建設(shè)受到了很大程度的限制。為解決單片機(jī)的實踐教學(xué)中存在的經(jīng)費、場地及時間等問題，本文提出了一種利用proteus軟件建立虛擬模擬實驗室的方法。

1 簡介proteus軟件

本文建立單片機(jī)虛擬實驗室所使用的核心軟件就是proteus。它不僅能夠?qū)纹瑱C(jī)的CPU的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，而且對于單片機(jī)的外電路甚至于不包含單片機(jī)的電路，proteus軟件也能對其在一定程度上進(jìn)行仿真。所以，我們在執(zhí)行相關(guān)程序時，重點考察的對象并不是存儲器的改變，而是直接觀察結(jié)果，看程序運(yùn)行后電路的工作情況。只有這樣，單片機(jī)的實驗操作才能和相應(yīng)的工程做到有機(jī)的統(tǒng)一。

2 簡述proteus軟件仿真的工作過程

基于proteus軟件的ISIS程序，系統(tǒng)即可進(jìn)入仿真環(huán)境。具體應(yīng)用proteus軟件的仿真過程可以簡述為以下幾步：首先，選中view菜單，根據(jù)具體情況設(shè)置捕捉對其項目的相關(guān)內(nèi)容，并同時對system項中的界面大小、顏色等項進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。然后，運(yùn)行元件命令后，打開pick devices，從中選擇并放置仿真電路所需的各種元器件，根據(jù)實際電路設(shè)計將其連接，并按要求設(shè)定元器件的工作參數(shù)，并在軟件環(huán)境下編程處理。其次，執(zhí)行Define code generation tools命令，確定編譯的路徑、工具等。最后，在執(zhí)行命令項Add/remove source files的環(huán)境下，輸入相應(yīng)的電路程序，通過debug選項進(jìn)行仿真檢測電路工作情況。

3 簡述單片機(jī)實驗的組織

單片機(jī)的實踐教學(xué)中，一般包括以下幾點：系統(tǒng)資源、軟件技術(shù)、硬件的接口電路、軟硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。下面以51單片機(jī)為例，簡述單片機(jī)實驗的組織情況。

3.1 關(guān)于軟件技術(shù)的實驗

關(guān)于軟件技術(shù)實驗，主要包括以下幾個方面：對具體語句的執(zhí)行、對具體算法的實現(xiàn)、對錯誤語法的檢查、對錯誤邏輯的驗證。當(dāng)然具體實驗的操作還需根據(jù)具體情況而定。

3.2 關(guān)于硬件接口電路的實驗

單片機(jī)硬件的接口電路理論不僅涉及到電子電路的相關(guān)知識，還需要考慮到實際的應(yīng)用需要。一般地，硬件的接口電路的相關(guān)理論主要包括如何選擇或連接元器件、如何設(shè)置電路更好的工作方式、如何保障電路的穩(wěn)定性以及其空間需求等知識內(nèi)容。由于仿真情況下的電路工作環(huán)境與實際情況還是存在一定差距的，所以若進(jìn)行單片機(jī)的實際教學(xué)，還需要求學(xué)生自己設(shè)計電路和電路的工作環(huán)境。通常情況下，可以讓學(xué)生根據(jù)相關(guān)的條件，使學(xué)生對接口電路及相應(yīng)的程序自行設(shè)計；或者也可以讓學(xué)生根據(jù)程序設(shè)計對應(yīng)的接口電路。

3.3 關(guān)于軟硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)的實驗

實現(xiàn)軟硬件結(jié)合，單片機(jī)就有一個應(yīng)用系統(tǒng)了。此時的重點將不再是硬件設(shè)施的相關(guān)問題，而是軟件系統(tǒng)如何設(shè)計、做相關(guān)的調(diào)試，并最終運(yùn)行。

4 簡述虛擬實驗室的建立方法

要做好單片機(jī)的虛擬實驗室的建設(shè)工作，一般需要考慮以下幾個方面。第一，需要盡可能地保障虛擬環(huán)境與實際情況基本相符，虛擬環(huán)境下的硬件設(shè)備的供應(yīng)盡可能完整。另外，在設(shè)計硬件電路時，一方面要考慮到對系統(tǒng)的擴(kuò)展。也就是說，如果實際的應(yīng)用系統(tǒng)需求的容量大于單片機(jī)的相關(guān)功能單元中的ROM，RAM，I/O口以及定時器、計數(shù)器等的設(shè)備容納量時，可以通過選擇適當(dāng)?shù)男酒瑢纹瑱C(jī)進(jìn)行片外擴(kuò)展。另一方面，如果實際系統(tǒng)需要配置如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器等設(shè)備時，系統(tǒng)可以對接口電路進(jìn)行合理設(shè)計以滿足設(shè)備調(diào)試。學(xué)生們通過對proteus軟件的科學(xué)應(yīng)用，以上要求都可以實現(xiàn)。第二，通過使用WAVE軟件工具實施對應(yīng)用軟件的編制和調(diào)試，學(xué)生可以借此學(xué)到單片機(jī)軟件的開發(fā)方法及相應(yīng)的技巧。第三，在軟件的調(diào)試界面選用WAVE軟件，硬件的調(diào)試界面選用proteus軟件的基礎(chǔ)上，通過WAVE軟件與Proteus軟件的整合，即可以對虛擬的硬件和軟件進(jìn)行總調(diào)。第四，將WAVE軟件和proteus軟件所提供的軟件和硬件調(diào)試進(jìn)行有機(jī)整合。一般地，我們利用proteus軟件繪制出所要仿真的硬件的電路圖，利用WAVE軟件寫入相應(yīng)的程序，進(jìn)行編譯后，系統(tǒng)即會生成一個*.HEX文件；并且利用proteus軟件打開已繪制完成的硬件的電路圖，雙擊芯片89C51，并打開Program File選項，在加載完成生成的*.HEX文件后即可對編譯的程序進(jìn)行仿真了。

5 結(jié)語

隨著單片機(jī)技術(shù)在社會、工程中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對其信息化、智能化的要求也會越來越高。因此，熟練掌握proteus等軟件進(jìn)行相關(guān)的模擬仿真成為了單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然。學(xué)習(xí)proteus軟件，不僅可以在機(jī)電、自動化等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中進(jìn)行模擬仿真，還可以建立個人實驗室做仿真試驗，在減弱經(jīng)費、時間、場地等客觀條件對單片機(jī)實驗的限制的同時，也在一定程度上提高了學(xué)生以及相關(guān)工程人員的實踐操作能力，并且對進(jìn)一步推動單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。

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