面向开放实验的网络虚拟实验室系统设计

盛苏英+周笑语++祡佩佩

摘要： 本文基于南通大学开放实验教学的实际，设计并构建了一套面向开放实验的网络虚拟实验室系统。系统模拟了一个突破时间、空间、区域限制的交互式实验教学与学习环境，学生在校园网内可随时随地登录网络虚拟实验室系统，与真实实验室课堂进行同步实验与互动，支持实验教学资源共享、虚拟实验的仿真与同步测试、实时视频点播与交互讨论，提高了虚拟实验教学质量。

Abstract： A set of network virtual laboratory system is designed and constructed based on the open experiment teaching practice in Nantong University. The system simulates an interactive experiment teaching and learning environment which breaks through the limitation of time， space and region. Students can log in the network virtual laboratory system， and then carry on simultaneous experiment and interaction with the real laboratory classroom at anytime and anywhere. The designed system supports some functions， such as the sharing of experimental teaching resources， the virtual experiment simulation and synchronization test， real-time video-on-demand and interactive discussion. The quality of virtual experiment teaching is improved to some extent.

关键词： 虚拟实验室；开放实验；视频点播；虚拟实验；交互讨论

Key words： virtual laboratory；open experiment；video-on-demand；virtual experiment；interactive discussion

中圖分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）20-0173-03

0 引言

随着教育技术的发展，传统实验教学模式的局限性显得越来越为突出，而远程教育因其具有远距离实时交互的优势，现已得到了广泛应用。其中作为远程教育核心组成部分的网络虚拟实验室引起了人们的极大关注，其有助于学校扩大实验教学规模、降低实验教学成本、提高实验教学质量[1]。那如何科学、有效地建立网络虚拟实验室，更好为教师和学生服务，现已成为国内外实验教育领域与信息化技术领域的研究热点。

本科院校学生已逐步开始利用开放实验室进行自主学习，同时本科院校目前正在不断发展壮大，多校区运行已经是常态，实时的网络虚拟实验室成为本科院校多校区实验课程运行的必要的手段。通过调研发现：传统实验教学中的面对面交流，可以保证实验操作的及时性，固定的班级教学可以保证实验教学的针对性，从而也保证了答疑的有效性；而在网络虚拟实验教学形式中，由于参与网络学习的人数增多加之网络的距离阻隔，使得虚拟实验教学在操作实时性和答疑互动性方面存在问题，一定程度上制约了网络虚拟实验室系统的应用和推广[2]。

以南通大学电工电子实验中心为例，虽然之前投入运行了开放实验教学管理系统，提供了网上教学资源共享、实验预约、教学管理等功能，但由于其缺乏虚拟实验的功能，学生必须步入开放实验室才能进行实验，因此从一定程度上制约了开放实验的效果，尤其是随着启东新校区电工电子实验课程的开设，电工电子实验中心对建设网络虚拟实验室的愿望日益迫切。在近两年启东新校区学生的电工电子实验课程教学过程中，学生往往会为了做一次实验而耗费半天的时间在路上奔波，中心适时采取两次实验集中进行的调整方案，但极易造成实验太集中而效果不佳的局面。

在此情况下，本文构建了一套适用于南通大学电工电子实验中心实际的网络虚拟实验室系统，实现让更多的学生通过虚拟实验室参与到实验活动中，让老师更方便地开展异地实时实验教学，并能对教学过程进行高效管理，提高实验教学质量和效率，使教与学起到“事半功倍”的效果。

1 网络虚拟实验室的研究现状

从20世纪80年代开始欧美国家就开始研究虚拟实验室[3]，到90年代初期，国内也开始加入了这方面的研究。目前国内外专家、学者对虚拟实验室的研究，从虚拟实验室的研究技术上来分，主要集中在以下几个方面：

①基于虚拟现实技术的虚拟实验室——利用虚拟现实技术来实现场景再造，旨在提高场景的真实性、虚拟实验室的交互性以及智能性，创设出一个能真实模拟传统实验教学情境的虚拟实验室，提供自然的、多方面的交互方式。浙江大学的各位学者在这方面做了大量的工作，实现了面向远程教育的智能虚拟实验室[4]。

②基于计算机支持协作学习技术的虚拟实验室——基于CSCL技术，运用计算机多媒体技术、网络技术、通信技术等构建网络实验教学环境，实现以协同实验PPT浏览、在线实验研讨为主的虚拟教学形式[5]。国防科技大学和复旦大学的学者们通过CSCL技术实现了能够提高在线学习效率和协作学习质量，加快协作学习任务的虚拟实验室[6]。

③基于网络视频会议系统的虚拟实验室——在现有的视频会议系统的基础上，通过在普通的实验室安装投影、电子白板、麦克风、摄像头等硬件设备来共享各种服务，实现远程实验教学[7]。

④基于流媒体技术的虚拟实验室——基于网络技术、通讯技术、多媒体技术的交互实验教学平台，流媒体技术具有对视频音频数据的高压缩比，能够在网络里稳定地进行视频、音频的传输[8]。

目前，西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学等高校把流媒体技术应用到远程异步教学中，但他们只在流媒体技术的基础上构建了文档上传、下载以及视频点播功能，并没有实现真正的虚拟实验室在线交互功能[9]。

纵观网络虚拟实验室（特别是基于流媒体的网络虚拟实验室）的研究历程，虽然先进的互联网技术为虚拟实验室的实现打下了坚实的基础，但是仍存在诸如以下的问题：实时网络虚拟实验室的研究较少（现有的虚拟实验室大多数借助于昂贵的硬件设备，而基于互联网的实时虚拟实验室却相对较少）；虚拟实验室的功能不够完善（基于流媒体技术的虚拟实验室不具有在线交互功能）；虚拟实验室缺乏开放性；同时由于互动性的缺失，无法激起学生的热情，挫伤学生参与网络教学的积极性与主动性。

2 网络虚拟实验室系统设计

本文立足于南通大学开放实验教学体系的实际情况，基于计算机技术、多媒体技术、网络通讯技术和电气控制技术，设计并研发了一套面向开放实验的网络虚拟实验室系统。系统模拟了一个突破时间、空间、区域限制的交互式实验教学与学习环境，学生在校园网内可以随时随地、“随心所欲”地登录网络虚拟实验室系统，与真实实验室课堂进行同步实验与互动，支持实验教学资源的下载、虚拟实验的仿真与同步测试、实时视频点播与交互讨论，方便学生的学和教师的教。

面向开放实验的网络虚拟实验室系统采用B/S架构，物理拓扑如图1所示，主要包括客户端、服务器端和控制器端。

其中，客户端允许多个用户并行登录网络虚拟实验室系统；服务器端主要负责用户的服务请求与分析处理，以及与控制端的通信和实验结果传递、保存；控制器端主要完成实验同步测试与视频录制，利用工控机（现场总线设备、串行口仪器、GPIB接口卡和数据采集卡）控制相应实验模块和测试仪器进行某个实验的测试，利用网络摄像头、幕布、投影仪、无线话筒和中控设备进行实验课堂的现场录制与广播。

面向开放实验的网络虚拟实验室系统采用模块化设计理念，系统模型从功能模块上划分为“实验教学资源”、“虚拟实验室”和“基础信息管理”三大部分，具体如图2所示。

①实验教学资源：

提供丰富的实验教学资源，包括实验设备、相关实验芯片和部分实验项目的视频，实验测试题库，以及相应的实验指导书。学生在实验前，可以通过观看视频（如实验芯片、实验设备和实验项目演示），了解本次实验用到的芯片、实验仪器和实验步骤，再通过撰写预习报告（或进行实验预习测试）对本次实验“做什么、怎么做、为什么这么做”三个问题的回答“了然于胸”；学生实验完成后，可以及时进行实验总结测试，对本次实验加深理解。

②虚拟实验室：

通过网络多媒体技术、电气控制技术和编程技术，实现了虚拟电路仿真、实验电路同步测试、实时视频实验点播教学、实时视频实验广播教学、多媒体实验备课与演示和交互实验讨论等功能。

学生可以利用EWB、Multisim、Quartus、Labview和Protel等仿真软件进行电路的仿真，并将仿真结果上传至系统；学生可以利用现场总线设备、串行口仪器、GPIB接口卡和数据采集卡等接口设备，将仿真电路下载至相应的实验模块进行调试；学生也可以通过工控机直接进行实验模块的远程操作，实现实验现场操作一样的效果。

系统支持的视频点播（Video-On-Demand）和视频广播（Video Broadcasting），采用windows Media多媒体技术，將视频数据压缩，并利用RTP/UDP协议实时传输视频数据。实验指导教师在实验集中讲解过程中，利用网络摄像头、投影仪、幕布和无线麦克风等设备采集实验PPT、实验现场搭试电路，进行视频广播，让每一位在线学生都能如“身临其境”实验室般聆听老师的实验讲解；在实验过程中，学生如果遇到问题，可随时视频点播或查看多媒体备课与演示视频，跟踪老师的实验步骤，及时排除故障；对于实验过程中的疑问或者难以排除的故障，学生可寻求“交互实验讨论”，达到老师“亲临现场指导”的效果。

③基础信息管理：

主要是进行学生、实验指导教师以及虚拟实验室（相关的工控机、实验模块、网络摄像头、幕布等硬件设备）等基础数据的维护管理。

3 网络虚拟实验室系统测试

学生可以在学校任意校区的任何地方登录“面向开放实验的网络虚拟实验室系统”，进行实验预习、网络实时虚拟实验（视频观看、虚拟实验仿真下载、交互讨论等），以及实验消化巩固。学生在实验前，通过查阅实验指导书，观看实验芯片、实验设备和实验项目演示的视频，完成实验预习测试，及时、有效地进行实验预习。

学生在实验过程中，选择“视频广播”子菜单，实时观摩实验指导教师的集中讲解，相应界面如图3所示，有PPT、实物接线和实景讲解三个图供学生点击切换观看；也可以选择“视频点播”子菜单，观看录制的实验集中讲解视频；学生可以通过仿真软件、实验下载调试和实验模块的远程操作三种方式进行网络虚拟实验，其中第一种方式的界面如图4所示，学生选择相应实验课程→相应实验项目，点击“上传仿真文件”，将EWB的软件仿真文件以及仿真结果上传至系统，系统会保存每个同学的仿真文件供实验指导教师批阅；学生间或师生间可实时开展“交互实验讨论”。

4 小结

本文构建的网络虚拟实验室系统为南通大学电工电子实验中心（乃至全校兄弟实验中心）提供了一个良好的实验教学方式和学习平台，一定程度上提高了教师实验教学兴趣和学生实践兴趣，实验教学质量稳步提升，形成“良性”发展。

南通大学电工电子实验中心的课程主要覆盖三个校区（主校区、钟秀校区、启东校区），在传统实验教学条件下，很难有效地达到几个校区的资源共享与协同实验教学，通过网络虚拟实验室系统的试运行，初步实现了三个校区网络虚拟实验教学的同步开展，真正实现了实验室空间、时间和实验内容的开放，方便了师生共享优质网络教学资源。

参考文献：

[1]王涌，李国丽，应艳杰.建设网络虚拟实验室，深化实验教学改革[J].实验技术与管理，2010，27（09）：85-88.

[2]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教育装备，2010，17：107-109.

[3]吕睿.基于B/S体系的电工电子网络虚拟实验室设计研究[J].电子设计工程，2015，23（11）：57-59，63.

[4]叶时平，欧阳杨，董亚波.基于Web的数字电子虚拟实验系统平台[J].系统仿真学报，2008，20（08）：2092-2096.

[5]袁学倩，邬家炜.基于协作实验模式的虚拟实验系统研究[J].计算机与现代化，2010（08）：23-27.

[6]辛勤.数字信号处理课程虚拟实验室设计[J].价值工程，2010（19）：153-154.

[7]杨公义，王胜清.基于Big Blue Button为Blackboard增加交互式语音视频虚拟课堂[J].软件，2016，37（10）：1-6.

[8]王璁，屠幼萍.基于Flash的高电压虚拟实验室探索[J].电气电子教学学报，2013，35（02）：98-100.

[9]谭勇.富互联网环境下远程测控实验技术研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2013.