网络远程教育中的网络虚拟实验室实现探讨

网络远程教育中的网络虚拟实验室实现探讨戴军波(宁波电大慈溪学院，浙江宁波315300)摘要:本文研究了网络远程教育中的网络虚拟实验室，分析了其实现的软硬件技术，并给出了Web虚拟实验室应该具有的功能模块，指出发展Web虚拟实验室是解决网络教学中实验这一薄弱环节的有效途径。关键词:远程教育虚拟实验室计算机网络虚拟实验室(VirtualLaborato叻概念是由美国弗吉尼亚大学的威廉󰀀沃尔夫((WilliamWolfl教授于1989年首先提出的，它描述了一个基于网络通信技术和多媒体仿真技术的虚拟实验室环境。在这个分布式的问题解决环境里，通过Web浏览器用户不仅可以利用虚拟实验系统中的各种信息资源、仪器设备单独完成实验研究，还可以借助系统的实时交互功能与其他合作伙伴协作完成实验项目。基于网络的Web虚拟实验突破了传统实验的约束，它不但延展了实验的地域空间和时间范围，保证了贵重精密实验仪器的实用性;还极大方便了数据共享和信息交流，相当程度上实现了实验资源的共享。1.Web虚拟实验室的结构Web虚拟实验室作为计算机通信技术和多媒体虚拟技术结合而成的综合系统，其基本交互过程是:客户端通过Web浏览器及相应控件访问Web服务器，并通过获得的虚拟实验GUI界面向Web服务器发出实验和数据请求;Web服务器分析实时获得的实验请求，合理地分配服务资源，并将实验请求转发给虚拟实验室服务器处理;最后，处理完成的实验反馈数据通过客户端浏览器解释后呈现出来。所以，我们可以将Web虚拟实验室的结构分为硬件环境和软件环境两个部分。1.1虚拟实验室的硬件环境常见的基于Web浏览器/Server的虚拟实验室系统主要包括以下几个重要组成部分。(1)有效的客户端平台。客户端平台应该是具有允许脚本和插件运行的浏览器的多媒体计算机，如果需要同步音频、视频交互必须配备相应的媒体输入输出设备。(2)传输通道。接人Internet的虚拟实验室的传输可采用基于虚拟现实传输协议VRTP的高速通信网络，以便于实现大量三维模型构成的虚拟环境多点传送流。(3)Web服务器。响应Web浏览器的请求，并根请求的不同提交给不同的应用程序服务器(ApplicationServer)处理，其硬件构成类似于一般的Web服务器。(4)虚拟实验室服务器(VlabServer)。专门处理对虚拟实验仪器的请求，由安装虚拟仪器(VirtualInstrument)开发平台的多媒体计算机及相关仪器、接口组成。(5)虚拟实验仪器数据库(VIDatabase)。保存原始VI数据的数据库，考虑到分布访问的VI数据的安全性和稳定性，可以使用冗余磁盘阵列(Radio)实时保存VI数据。以上几个部分的紧密结合就组成了一个基于网络的Web虚拟实验室系统。1.2虚拟实验室的软件环境Web虚拟实验室是以网络为载体的虚拟实验环境，目前网络技术已相当成熟，Web虚拟实验室建设的核心是虚拟实验过程的实现。我们可以把目前开发Web虚拟实验室的软件分为服务端和客户端两类。(1)服务端技术。目前用于开发虚拟实验的软件很多，有VisualC++,VB,Delphi,Java,EASY-T,DasyLab,Matlab,Protel,LabVIEW,LabWindows,HPVISE,MultiGen等。其中Lab-VIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWork-bench)是美国国家仪器公司推出的采用图形化编程技术的面向仪器的编译程序开发平台，主要用于数据采集、分析、控制、测试测量及过程监控和控制等领域。LabVIEW集开发、调试和运行于一体，是当前应用最为广泛的一种虚拟仪器开发环境，可以在Windows9X,Windows2000IWindowsXP,NT,Unix以及Macintosh等多种操作系统下正常运行。LabVIEW借助于虚拟面板用户界面和方框图以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了条件;其动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。用户可以通过Web浏览器调整VI参数及实验环境参数，实现通过客户端Web浏览器动态地控制服务端程序进行实验的目的。(2)客户端技术。客户端除了通过Web浏览器的嵌入控件和VI插件完成和虚拟实验平台的交流，解释并显示返回的VI模型外，还是和协作伙伴及教师的进行交互的通道。常用的实现客户端功能的技术有两种:一种是163ActiveX技术。ActiveX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，其设计简单，且代码复用性高，但平台无关性较差，而且下载后的ActiveX控件存在危害客户机的可能性。可开发ActiveX组件的环境很多，例如VB,VC等。另一种是JavaApplet技术。Java语言是一种专门用于Internet环境的、面向对象的编程语言，具有平台无关性、面向对象性和分布性。JavaApplet能实现将一个图形界面的Java应用程序转换成能够嵌人HTML页面并且在Web浏览器上直接运行的Applet小程序，而不需要第三方开发的软件环境作支持，而且在客户端运行的JavaApplet小程序是安全的，不会对客户端资源造成威胁。2.Web虚拟实验室的功能模块Web虚拟实验与传统的实验教学存在着巨大差异，它提供了一个开放式的实验环境，学生可以使用任何接人In-temet的计算机登陆进行虚拟实验。作为一种现代的实验教学实现形式，基于网络的Web虚拟实验室系统也是一个以学习者为中心的技能训练、概念形成的协作学习平台，其功能模块应该包括以下几个部分:(1)自学资源库。包含实验课题的理论基础以及相关的支持信息。该资源库以网页或在线播放的流媒体内容为主，学生通过自主学习了解熟悉将要进行的实验内容。为了巩固实验效果引导学生进一步地系统学习，还可以设置和下一实验内容相关的WebQuest课题，鼓励学生围绕刚刚解决的实际问题进行自主探究，自主发现，为下一课题的学习进行铺垫。(2)实验平台。该模块是Web虚拟实验室的核心，它通过软硬件的有机结合实现系统的虚拟实验功能。不同类型的用户登陆虚拟实验室后，会自动进人不同权限的GUI界面。学生可以通过鼠标和键盘对GUI界面中呈现的VI按钮、旋钮、滑标进行调整定制来改变实验仪器的状态。(3)虚拟伙伴系统。系统可以提供一个或者多个计算机虚拟的实验伙伴，实验者可以通过简单的程序指定由虚拟伙伴协助完成的工作.比如有机物反应加热时间的长164短，溶液密度控制在什么范围之内;虚拟伙伴还可以对实验的方法和过程提出参考意见，比如电路中可能产生的最大电流值超过了选用的安培表的适用范围，需要重新设计电路等等。(4)协作交互中心。交互功能对于一个基于Internet的系统来说尤为重要，在虚拟实验系统中可以通过嵌人虚拟实验GUI界面中的JavaApplet程序与协作伙伴和指导教师进行多对多或者一对一的同步文字、音频、视频交互，也可以开发专门的实验室论坛进行异步交互，教师还可以通过班级实验Blog了解学生实验的进展情况，在实验当中遇到的困难以及对实验的思考，并对学生提出的共性问题进行解答。(5)在线帮助系统。一个完整的计算机应用系统应该具有不同形式的帮助功能。该模块主要介绍系统的使用方法和注意事项，以及可能出现的问题和解决的办法，从而保证登陆用户合理有效地使用实验平台。(6)管理控制中心。主要实现实时监控和远程维护实验平台的功能。管理者和教师以较高的权限登陆到Web虚拟实验平台，管理者可以在线监控各个实验进程并有权中止恶意占用实验资源的用户实验;教师也可以远程登陆对虚拟实验环境进行更新维护，将设计完成的新vi原始模型添加到服务端的VI数据库，扩展实验系统的功能。3.结语网络的Web虚拟实验室是信息时代的产物，在教育、科研领域中具有广阔的应用前景，是今后远程实验教学的主要发展方向。作为现代教育的一种新模式，虚拟实验为实验教学注入了新的活力，让实验教学延伸到了一个更广泛的时空。参考文献:[I」王云，史浩山一种墓于Web的智能化远程教育系统〔J].电化教育研究，2005,(8).[2〕张亚斌.远程教育媒体理论:要素，辅助，还是中心FJl.中国远程教育，2005,(8).