基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室设计研究

吕睿

（郑州轻工业学院 民族职业学院，河南 郑州 450000）

随着时代的发展，现实情况有力的推动了各种虚拟实验室的发展，并将其广泛应用于多个领域[1]。在虚拟实验室中，老师能够给予学生更科学的指导，学生更易获得相关知识，并能进行敏捷的反馈。虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向。其中，电工电子即为一个十分重要的组成，对在线技术虚拟实验具有较为明显的示范作用。本文分析了B/S体系的相关结构和应用优势，并对基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室设计方法以及实现 B/S结构的网络虚拟实验室的关键技术进行探讨。

1 B/S （Browser/Server， 浏览器/服务器模式）体系

管理信息系统平台模式可以分为多种不同的类型，包括主机终端模式和文件服务器模式以及客户机/服务器模式（C/S， Client/Server） 和浏览器/服务器模式（B/S，Browser/Server）等[2]。浏览器/服务器（B/S）模式是一种常见的模式类型，其结构如图1所示。

图1 浏览器/服务器模式（B/S，Browser/Server）结构示意图Fig.1 Mode of browser/server（B/S， Browser/Server） schematic diagram

在具体的应用过程中，在用户技术水平以及客户机配置方面，B/S体系的要求均相对较低。在客户端维护方面，程序分发简单，处于较小的维护量状态。另外，B/S体系还具有较强的跨平台能力以及较高的软件复用度。与其他一些体系类型大多面对固定用户群的情况不同，B/S体系面向的是不可知的非固定用户群，用户的地域处于相对分散的状态。B/S体系具有诸多应用优势，因此，在进行电工电子网络虚拟实验室设计的过程中，以B/S体系结构为基础进行构架是十分切实可行的。

2 基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室设计

基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室在设计过程中，可以结合实验室的具体应用功能，将实验室划分为不同的系统结构，并分为3个层次，基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室系统结构如图2所示。

图2 基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of electrical and electronic network virtual lab system based on B/S

基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室模型可以分为3个层次，分别为表示层、功能层和数据层。

其中，功能层可以完成对应用业务的处理，将各种虚拟仪器的功能编入程序。在收到用户不同请求之后，程序会从数据层中获得所需的数据，并按照用户的具体要求进行相应的处理，然后将处理得到的结果通过动态网页的形式反馈给用户。

表示层即为人机交互界面，是直接与用户进行接触的接口，可以实现与用户的各种交互，包括对用户输入的数据信息进行检查、显示返回结果等，还可以完成用户注册、调节虚拟仪器参数等[3]。

数据层负责对各种数据信息进行管理，包括读写和存取以及更新等，另外还要负责保证各种数据信息的完整和安全。数据信息的覆盖面十分广泛，包括各种实验的原始数据以及进行结果分析之后得到的数据信息，还有实验条件和仪器的参数等。在数据库中存在大量的数据信息，并以关系表、字段等形式进行存储。数据层的存在有效的将功能程序与数据信息隔离开来，从而有效提高程序的综合性能，包括可移植性和可维护性以及通用性和可靠性等[4]。

以电学实验为例，电学实验有助于用户理解各种物理概念，对学生实际做题也有帮助。现以某虚拟电学实验为例，通过虚拟的实验室设计，在表示层为用户提供了一个电子元件完备的电学实验环境，用户可以发挥自己的创造性思维，从而亲手创建所能想象的电学实验，进行实验验证、实验探究。界面示意如图3、图4所示。虚拟电学实验将软件优势与教育资源相融合，界面简洁大方，操作简单，可以进行交互式操作。且内置几十种电学实验器材，器材全而丰富，并且实验器材的参数可以进行修改，一种器材具备多种规格。可以模拟电路实验箱，可直接选用的器件种类多，电路组装灵活方便，能进行几十种不同电路的实验，特别适用各种设计性实验。还可以对实验进程进行实时保存，只需打开存档进行读取就可以调取进度。

图3 虚拟电学实验界面Fig.3 Virtual electrical experimental interface

图4 虚拟电学实验界面Fig.4 Virtual electrical experimental interface

3 基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室实现要点分析

在基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室系统的不同层次中，功能层是链接数据层和表示层的“桥梁”，因此，虚拟实验室的实现过程中，访问数据库是必不可少的。另外，在以B/S为基础的网络虚拟实验室设计过程中，Web服务器以“请求—应答”的方式进行工作。首先，服务器接受来自不同客户端浏览器的请求；然后，对各种服务端应用程序予以执行，并按照实际需要，决定是否进行数据库访问；最后，得到HTML文档，并对相应的请求予以回应。在进行服务器开发的过程中，可以选择使用不同的技术手段，目前常用的包括ASP（Active Server Page，动态服务器主页）和用于扩展服务器功能的 JSP （Java Server Page）技术，以及 CGI（Common Gateway Interface，公共网关接口）。通过对不同技术类型的比较和分析可以发现，在可移植性、安全性、执行效率等方面，较之CGI，JSP和ASP具有十分明显的应用优势。因此，在本文的实验室设计研究过程中，选择使用JSP技术进行Web服务器开发[5]。

在软件系统中包含了多个不同的基本单元，即构件。不同的构件均是由一个或者多个具有紧密逻辑联系的对象封装而成的。从本质角度进行分析，构件属于不必对其软件源代码进行改变便可以实现跨平台运行的独立软件，而且，构件可以在不同的软件环境下具有一定的功能，并实现重用。在进行电工电子网络虚拟实验室设计中，考虑到电工电子实验涉及到的仪器种类和数量均相对较多，且具有复杂的功能，因此，可以利用构件技术的特点进行开发，以更好的解决异构数据源间互联共享问题和互操作问题等，保证不同应用程序直接的高效协同。另外，在进行软件系统开发的时候，利用构件的重构性特点，可以有效提高开发效率，并促进系统开发性和稳定性的提高。构件技术具有很多类型，其中，通用对象请求代理体系结构 （Common Object Request Broker Architecture，CORBA）技术是目前应用较为广泛的一种构件技术，该技术为实际应用提供了功能强大的机制，支持多请求响应模型，可以满足请求和接收响应的透明化，并提供分布式应用程序的抽象和服务。在实际的使用过程中，不需要对其复杂的底层细节予以考虑，以其编程语言和操作系统的无关性以及透明的对象定位和调动很好的服务于应用程序开发和系统集成[6]。本研究中，以构件技术为基础，进行电工电子实验室虚拟仪器集成框架设计。以构建技术进行设计，可以有效提高实验室的可维护性、灵活性和可扩展性。该技术还提供了多种构件调用可能，包括跨语言、跨平台、跨协议等。因此，在实验室的设计过程中，在利用 Java语言进行仪器面板构件开发的时候，还可以对各种 C++语言实现的基本显示构件予以灵活的调用。例如，在电工电子基础实习的焊接训练3D虚拟实验过程中，在利用虚拟实验室完成实习的时候，通过3D虚拟辅助教学模式，可以方便学生课外自学和课堂演示教学，结合万用板的焊接向初学者讲解焊接训练关键内容，如：常用元器件和工具3D展示与使用教学，项目简介、元件布局、电路布线、焊接演示、通电测试等内容。

虚拟软件可以重复操作，学生熟悉各项内容后再进行实体实验，减少初学者造成的耗材浪费和仪器工具损坏，大大改善了教学效果。虚拟实验室中的元器件库以及元器件布局等如图5～图7所示。

4 结束语

图5 元器件库展示Fig.5 Component library display

图6 元器件布局Fig.6 The component layout

图7 焊接演示Fig.7 Welding demonstration

随着虚拟技术和网络技术的发展，建立虚拟实验室是改善传统实验教学不足的发展趋势。网络虚拟实验室的出现为各种实验的开展提供了极大的便利，并有效提高了各种资源和信息的利用率。以B/S为基础进行网络虚拟实验室设计，可以更好的激发出虚拟实验室的应用潜能。通过上文的分析可以发现，基于B/S体系[7]设计网络虚拟实验室具有较高的可行性。通过对各种技术要点的掌握，可以更好地保证实验室的设计与实现。

[1]戴成梅，戴成建.基于LabVIEW的电工电子网络虚拟实验室研究与开发[J].实验室研究与探索，2011，30（2）:74－77，81.DAI Cheng-mei，DAI Cheng-jian.Research and development ofelectric and electronic virtuallaboratory based on LabVIEW [J].Research and Exploration in Laboratory，2011，30（2）:74-77，81.

[2]师黎，王治忠，费敏锐，等.基于VRML与MATLAB的智能控制虚拟实验室设计与实现 [J].仪器仪表学报，2008，29（12）:2594-2598.SHI Li，WANG Zhi-zhong，FEI Min-rui，et al.The design and implementation ofvirtualLaboratory ofintelligent control based on VRML and MATLAB[J].Chinese Journal of Xcientific Instrument，2008，29（12）:2594-2598.

[3]虞江锋，刘兰英，盛羽，等.虚拟实验环境中协同支撑的设计与实现 [J].中南大学学报：自然科学版，2011，42（8）:2332-2337.YU Jiang-feng，LIU Lan-ying，SHENG Yu，et al.Design and implementation of virtual experiment environment for collaborative support[J].Journal of Central South University:Natural Science Edition，2011，42（8）:2332-2337.

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[6]Chananchai Wutthithanyawat，Nawadee Srisiriwat.Process Control Virtual Laboratory:Temperature Control Based on LabVIEW forConvection HeatTransfer [J].Applied Mechanics and Materials，2014，3380（619）:303-308.

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