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一、虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究背景

網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)改變了人類的生活方式，大大提高了人們通信的效率和速度，使得不同地域的人們可進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)話。作為教育本身來說，為了給社會(huì)培養(yǎng)更多的高質(zhì)量技術(shù)人才，其教學(xué)模式必將隨著通信手段的提高進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，如何利用internet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為近年來各國(guó)教育界的重要研究課題。其實(shí)遠(yuǎn)程教學(xué)很早就開始了，如函授大學(xué)、電視大學(xué)等，只是由于現(xiàn)代的WWW技術(shù)給遠(yuǎn)程教學(xué)提供了前所未有的交互性和巨大的資源共享潛力，遠(yuǎn)程教學(xué)最近才得到如此重視。盡管目前人們對(duì)基于WWW的遠(yuǎn)程教學(xué)模式還不是完全清楚，但有一點(diǎn)是確定的：基于WWW的遠(yuǎn)程教學(xué)在不久的將來會(huì)成為一種重要的教育模式。作為一種教育模式，現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)應(yīng)該是教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體四要素的綜合體現(xiàn)，是在WWW環(huán)境中展開的教學(xué)活動(dòng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式。與現(xiàn)代教育一樣,現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育也應(yīng)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的能力、素質(zhì)與創(chuàng)造性，要求學(xué)生能靈活地掌握知識(shí)，其教育理論和學(xué)習(xí)理論應(yīng)建立在建構(gòu)主義基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)以學(xué)為中心的教學(xué)模式。該教學(xué)活動(dòng)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下三方面：要在學(xué)習(xí)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，要能體現(xiàn)出學(xué)生的首創(chuàng)精神；要讓學(xué)生有多種機(jī)會(huì)在不同的情境下去應(yīng)用他們所學(xué)的知識(shí)(將知識(shí)“外化”)；要讓學(xué)生能根據(jù)自身行動(dòng)的反饋信息來形成對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)和解決實(shí)際問題的方案(實(shí)現(xiàn)自我反饋)。以上三點(diǎn)，即發(fā)揮首創(chuàng)精神、將知識(shí)外化和實(shí)現(xiàn)自我反饋可以說是體現(xiàn)以學(xué)生為中心的三個(gè)要素，是培養(yǎng)現(xiàn)代人才的必備條件。

然而，從目前的遠(yuǎn)程課件來看，其網(wǎng)上素材基本分為兩類：靜態(tài)與動(dòng)態(tài)。靜態(tài)素材一般是將書本、教案等以靜態(tài)的形式放于網(wǎng)上；動(dòng)態(tài)素材一般是在靜態(tài)素材中出現(xiàn)的一些動(dòng)畫表現(xiàn)。雖然后者以動(dòng)畫的形式表現(xiàn)，但并不具備可變性，不能給學(xué)生提供真實(shí)的情景，很難達(dá)到以上的三點(diǎn)要求，即很難保證學(xué)生的質(zhì)量。對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)來說，學(xué)生的大部分能力都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，真實(shí)的情景是現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)質(zhì)量提高的關(guān)鍵?；诖?網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)已成為遠(yuǎn)程教學(xué)研究的重要方面，而且已有很多成果出現(xiàn)。ICHIGAN大學(xué)為操作系統(tǒng)和高級(jí)語言課程建立了網(wǎng)上系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，其實(shí)驗(yàn)都是基于軟件環(huán)境的，不涉及硬件模擬；PURDU大學(xué)建立了一種交互式的網(wǎng)上學(xué)習(xí)環(huán)境：學(xué)生可在網(wǎng)上做一些簡(jiǎn)單的交互式硬件實(shí)驗(yàn)，但由于其代碼是用JAVA語言編寫的，其實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度受到一定的限制。然而，對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)來說，其中很多實(shí)驗(yàn)計(jì)算量相當(dāng)復(fù)雜，例如處理器設(shè)計(jì)、復(fù)雜電路設(shè)計(jì)等，要完成真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，這些計(jì)算量在客戶端利用APPLET在執(zhí)行時(shí)間上是難以接受的。

針對(duì)目前網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)存在的問題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，結(jié)合實(shí)際情況我們研究設(shè)計(jì)了《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室。從理論上講，《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的一種改革，為打破傳統(tǒng)模式的局限性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)由實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)向虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展，提供了最佳解決方法?！队?jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室將遠(yuǎn)程教育的概念引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，結(jié)合強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，使得以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室資源以及虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備等資源的共享成為可能，它允許人們通過網(wǎng)絡(luò)訪問和使用自己沒有的設(shè)備資源，使得處于不同地理位置的學(xué)習(xí)者可以同時(shí)對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)用戶信息的協(xié)同共享，同時(shí)可以及時(shí)的接觸到最新的儀器。

在實(shí)踐意義上，《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教育應(yīng)用功能的開發(fā)、通過運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，建立與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，高效率傳播先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，普遍提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力，從實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。項(xiàng)目的研究和實(shí)施將極大緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新緩慢等問題。極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)操作能力，從實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并有助于校際之間、學(xué)校與科研院所之間、學(xué)校與企業(yè)之間及學(xué)校與社會(huì)之間實(shí)驗(yàn)資源的交流和共享。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室方案研究

1、功能架構(gòu)

《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了高等院校計(jì)算機(jī)組成原理的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供了運(yùn)算器、控制器、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)芯片、譯碼電路芯片、以及其它可編程芯片和常用的門電路邏輯芯片，可進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理的設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)。并且在相關(guān)匯編編譯系統(tǒng)及監(jiān)控程序的配合下，同虛擬實(shí)驗(yàn)電路一起，可實(shí)現(xiàn)更為高級(jí)的應(yīng)用。《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了高校實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)管理功能，包括實(shí)驗(yàn)資源及信息的網(wǎng)上，實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交匯總、教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改和評(píng)分管理，以及教師在線實(shí)驗(yàn)答疑等主要功能；虛擬實(shí)驗(yàn)室還提供了網(wǎng)上理論知識(shí)測(cè)試功能，有助于提高學(xué)生或其他使用者的理論知識(shí)水平，使得學(xué)生及其他使用者在計(jì)算機(jī)組成原理的理論和實(shí)踐這兩個(gè)層面上都能夠得到較好的提高。整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教育應(yīng)用功能開發(fā)，構(gòu)建一個(gè)集實(shí)驗(yàn)教學(xué)、演示、操作、指導(dǎo)、結(jié)果提交管理為一體的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教育環(huán)境，具體功能如圖1所示。

2、具體實(shí)現(xiàn)

（1）外部接口

《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)采用易于擴(kuò)展及平臺(tái)移植性好的Java語言實(shí)現(xiàn)，利用ASP實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的管理功能。虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)可運(yùn)行于安裝Java虛擬機(jī)的各種平臺(tái)，管理系統(tǒng)則需要IIS的支持。

《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室主要用于高校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)，面向廣大學(xué)生和教師，其頂層圖如圖2所示：

（2）內(nèi)部接口

《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬實(shí)驗(yàn)室基于硬件和軟件虛擬的特殊性質(zhì)，采用了多種結(jié)構(gòu)以支持電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和有效運(yùn)行，從總體上主要?jiǎng)澐譃槿竽K：虛擬時(shí)鐘、電路芯片、電路板連線。由虛擬電路板對(duì)三大模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)配合運(yùn)行。虛擬時(shí)鐘和電路芯片采用線程結(jié)構(gòu)以提高運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，通過連線進(jìn)行邏輯信號(hào)的實(shí)時(shí)傳送，以實(shí)現(xiàn)與真實(shí)電路相同的效果。

三、結(jié)論

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊及拖曳操作，用戶可以方便地進(jìn)行虛擬、仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室具有透明性、互動(dòng)操作性、資源共享性、用戶自主性、可擴(kuò)展性、安全性等特點(diǎn)，能真正突破地域和時(shí)間的限制，達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，它在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)新發(fā)展方向，也是今后遠(yuǎn)程教育發(fā)展的主流與趨勢(shì)。

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