探析網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室體系結(jié)構(gòu)

邊　靜　賀同輝

[摘要]隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室得到越來越多的應(yīng)用。介紹虛擬實驗室的基本特點及其體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)虛擬實驗室的四種關(guān)鍵技術(shù)：Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探討虛擬實驗室開發(fā)過程中應(yīng)注意的幾個問題。

[關(guān)鍵詞]虛擬實驗室遠程教育技術(shù)

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210013－01

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。

一、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。通過鼠標的點擊以及拖曳等操作，用戶可以進行虛擬的實驗。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗實現(xiàn)的基礎(chǔ)是多媒體計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。

(一)印第安納州立大學(xué)的MBL化學(xué)實驗室。該實驗室在給新生開化學(xué)實驗課時用計算機來輔助做這樣一些事，用計算機采集實驗數(shù)據(jù)，用計算機展示實驗，在網(wǎng)上發(fā)布相關(guān)的實驗指導(dǎo)材料。

(二)芝加哥伊利諾伊大學(xué)數(shù)字化有機化學(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、形式、時間；虛擬實驗；相關(guān)教學(xué)資源的鏈接等。他們還用計算機進行實驗教學(xué)的教務(wù)管理。

(三)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；實驗結(jié)果評價模塊；協(xié)作學(xué)習(xí)模塊。

二、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大的網(wǎng)上運行系統(tǒng)。各部分之間相互聯(lián)系相互補充，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。

三、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)進行了這方面的研究。他們所使用的技術(shù)，可以看出大多可以劃分下面幾類：

(一)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。

(二)ActiveX控件。ActiveX技術(shù)允許不同軟件開發(fā)的組件可以互相進行操作。ActiveX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。

(三)VRNL技術(shù)。VRML是虛擬實境描述模型語言(Virtual RealityModeling Language)的簡稱。VRML是一種建模語言，其基本目標是建立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。

(四)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)器程序。ASP不只是動態(tài)的網(wǎng)頁，它更是當今眾多的Web應(yīng)用程序?qū)嵶鞣绞街唬撠?zé)整個Web應(yīng)用程序的控制部分。

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

計算機軟件技術(shù)發(fā)展到今天，為虛擬實驗室開發(fā)提供了極大的方便。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)過程當中要注意以下幾個問題：

事件觸發(fā)時機的選擇，實際操作中當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)或隨機觸發(fā)的事件，若為隨機觸發(fā)的事件則可用一定時限內(nèi)的隨機數(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。

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)備中是靠機械、電路等去完成，而現(xiàn)在將這些機械及電子邏輯關(guān)系使用計算機軟件實現(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，強化學(xué)生實際操作能力。

五、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)有一個先進的投資理念，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，不斷地進行知識更新，加強學(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，促進了觀念的改變。虛擬實驗在21世紀實驗教學(xué)中必將占有重要地位，無疑會起到很大的作用。