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摘要：介绍了网络虚拟实验室的内涵和国内外的研究现状，在分析虚拟实验室关键技术的基础上，从实现原理和体系结构两方面提出了虚拟实验室的构建方案。
关键词：虚拟实验室；计算机网络；体系结构；实践教学
作者简介：马仕海（1977-），男，辽宁朝阳人，沈阳工程学院国际教育学院，工程师。（辽宁 沈阳 110136）
中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0164-02
在现阶段，高校实践教学与人才培养存在着诸多问题，一方面表现为招生人数增加与实验场地、设备数量之间的矛盾，另一方面表现为新技术应用与实验设备更新的矛盾。因此，依托网络构建虚拟实验系统便成为很好的解决方案。虚拟实验室的建立打破了传统实验室在时间和空间上的局限性，学生通过自主登录网络即可提前完成实验的理论设计、验证和实验结果分析，为进入真实实验环境节省了时间，提高了实验效率。
近年出现的虚拟现实（Virtual Reality）技术使得虚拟实验室的功能得以进一步延伸。目前，学术界公认的虚拟实验室的（Virtual—Laboratory）概念有以下两种：[1]定义一：虚拟实验室是以计算机网络为核心，基于网络技术实现虚拟仪器对数据的采集、分析和远程操作的系统。定义二：是基于Web技术、多媒体技术和虚拟现实技术的开放式、网络化虚拟实验教学系统，是现有实验室的数字化和虚拟化。上述两种定义虽然侧重点不同，却都指明了虚拟实验室的实质是一个无墙实验室，是通过计算机网络远程控制与交互的系统。
一、虚拟实验室建设的现状分析
1.国外的研究现状
国外比较著名的有麻省理工学院（MIT）的远程实验室iLab（http：//ilab.mit.edu），主要用于微电子学课程的相关教学与实验研究，虽然界面是二维的，但是功能非常强大，SMA（Singapore MIT Alliance）微电子学科的学生在新加坡就可以访问和使用iLab，通过点击“设备”菜单，选择合适的仪器设备，就能获得来自MIT实验室的实验数据。[2]德国Ruhr大学的网络控制工程虚拟实验室呈现给实验者的是三维的实验场景，它依赖各虚拟设备的仿真特性，实现了对控制工程类实验项目虚拟的交互式操作。其他比较著名的还有英国牛津大学化学系的“LiveChem”实验项目、新加坡国立大学的虚拟电子实验室、意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室等。
2.国内的研究现状
与发达国家相比，国内在虚拟实验室的建设方面还存在一定差距，但是很多高校和科研院所也都积极的展开了相关研究，并取得了显著的成果。如清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；中科院上海有机化学研究所的虚拟化学实验室；北方交通大学的RECEL（Remote Electronics and Circuits Experience Lab）网络电工电子实验教学系统；[2]大连理工大学的基础仪器分析和化学分析实验室；中国科技大学的物理仿真实验室；同济大学的建筑景观结构仿真实验室等。
2009年，“十一五”国家科技支撑计划重点项目《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》开始实施，项目由华中科技大学联合北京航空航天大学等十家单位共同承担，将为我国在相关领域的发展提供核心技术支撑。
二、虚拟实验室实现的关键技术
虚拟实验包括演示型实验和操作型实验两种。前者只是完成实验现象的演示；后者则要求实验者亲自参与。演示型实验的构建策略可采取多种方法。如用摄像机拍摄真实的实验后制成avi或其他格式的视频文件，或者采用Flash、Authorware等多媒体软件制成动画进行演示，但这种实验缺少交互性。操作型实验的构建相对较为复杂，需用软件来虚拟硬件设备的功能，具有很好的仿真性和交互性，其实现方式主要有以下几种：
1.LabVIEW虚拟仪器编程语言
LabVIEW是美国国家仪器公司NI（National Instruments）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台，被工业界、学术界视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。它集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。LabVIEW以计算机为核心，集各种传统仪器的功能于一身，其表现形式和功能类似于实际仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。LabVIEW建立在功能齐全的图形化编程语言的基础上，为实验数据采集、仪器设备控制、数据分析与显示等应用提供了很好的解决方案。特别适用于实验室中一些需要经常改变仪器和设备的参数及功能的场合。[1]
2.数学工具MATLAB
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是由mathworks公司发布的，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。具有友好的编程环境、简单易学的程序语言、强大的数据处理能力、实用的程序接口和发布平台等优势。已广泛应用于信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多领域。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，是一种可视化仿真工具，它提供了一个动态的建模、仿真和综合分析的集成环境，通过直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Stateflow有限状态机是一个交互式的设计工具，可以用来对复杂的事件驱动系统进行建模和仿真，可以将Stateflow创建的复杂控制逻辑直接嵌入到Simulink的模型中，如基于MATLAB Simulink和JAVA的虚拟实验室建设。
3.面向对象的编程语言JAVA JAVA是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。广泛应用于个人PC、数据中心、游戏控制台、移动电话和互联网。JAVA是一个简单、面向对象、分布式、解释性、安全与系统无关、可移植、高性能、多线程和动态的语言。并且提供了并发的机制，故在虚拟实验系统的构建中被广泛采用。比较典型的有台湾国立大学Han-Pang Huang教授构建的基于JAVA的网络电子仪器实验室系统，该校机械工程系的本科生通过登录网络实验室来使用包含示波器、函数发生器和逻辑分析仪在内的远程设备。另外，明尼苏达州立大学计算机科学系的网络实验室以及西班牙国家远程教育大学的用于定性分析的远程控制实验室等。
4.虚拟现实语言VRML
VRML即虚拟现实建模语言，本质上是一种面向Web、面向对象的三维造型语言，用于建立真实世界或人们虚构的三维世界的场景模型，具有平台无关性，是目前Internet上基于www的三维互动网站制作的主流语言。VRML同HTML语言一样，也是一种ASCII描述语言，受HTML的限制，网页只能是平面的结构，而不支持三维图像和立体声音文本的显示，而VRML则创造了一个可进入、可参与的世界，它不仅支持数据和过程的三维表示，还能提供带有音响效果的结点，带领用户走进视听效果逼真的虚拟环境。在国外，VRML已经被广泛的应用于生活、生产、科研教学、商务甚至军事等各种领域。而且，随着互联网的普及和发展，VRML作为一种ISO国际标准将得到越来越广泛的应用。[3]
5.虚拟现实（Virtual Reality）平台
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近年来出现的高新技术，是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，通过计算机模拟出的三维虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，及时、没有限制地观察三度空间内的事物。目前，已被广泛应用于城市规划、工业仿真、军事模拟、三维游戏、教育教学等领域。利用虚拟现实技术输出逼真的具有交互功能的三维实验场景，是目前虚拟实验建设的发展方向。典型的虚拟现实软件有：法国交互三维开发解决方案公司开发的虚拟平台软件Virtools；瑞典Cycore公司开发的Cult3D；中视典数字科技公司开发的具有我国完全自主知识产权的三维虚拟现实平台软件VRP等。
三、网络虚拟实验室的构建方案
虚拟实验室的建设应以数字化校园为依托，作为传统实验室建设的补充和完善，形成主体性与合作性、现实性与灵活性的有机统一。
1.虚拟实验室的实现原理
网络虚拟实验室由计算机网络、系统服务器、虚拟仪器和物理仪器四部分组成。其中，虚拟仪器包括硬件和软件两个子要素，硬件主要完成对真实世界中被测信号的采集，而软件则用于对数据采集、分析、处理和显示的控制。服务器分为网页服务器和应用服务器，网页服务器用于接入网络服务、用户信息认证、开放交互式实验环境以及动态网页的生成，应用服务器用于控制和管理仪器设备、采集和处理实验数据。数据库的作用是用户信息存储和仪器设备、实验数据等实验室资源的管理。[4]网络虚拟实验项目主要由模拟仿真和实时测量两个子系统组成，如图1所示。
模拟仿真子系统用于完成验证型和演示型实验。使用网页的发布功能在Web服务器端生成嵌入实验平台的网页，远程实验用户只需通过登录网络浏览器，即可访问实验室进行虚拟实验。
实时测量子系统主要用于大型仪器设备的共享和远程控制的科研实验。实验者通过虚拟仪器的控制面板输入实验参数或操作指令，物理仪器接受虚拟仪器传送的指令或参数后执行操作，将实验数据通过虚拟仪器和网络返回到远程实验用户。
2.虚拟实验室的体系结构
虚拟实验室的网络系统主要有两种体系结构：
（1）C/S（客户机/服务器）二层结构，如图2所示。该模式一般有多个采集数据客户端和一个服务器端，基于TCP/IP协议构建，适合数据的大量传输。其实现机制较为简单，但需要在客户端上安装客户端软件，且客户端的维护工作量较大，因此这种模式的适用范围相对集中，不适合普及性的网络教育。[5]
（2）B/S（浏览器/服务器）三层结构，如图3所示。客户端即为标准浏览器，实验者可通过测试网站来监视测试点的数据变化。该模式不涉及客户端程序的开发与维护，通常采用HTTP协议，缺点是不适合大量数据的传输。[6]
通过上述分析，结合虚拟实验室应用于高校教学的特点，可优先选择B/S模式。这种结构降低了客户端的要求，同时由于实验主体集中在服务器端，对系统的维护和实验项目的增加，只需在服务器端进行。这样不但使系统的维护工作大大减轻，还使系统的扩展性和适应性增强。
四、结论
虚拟实验应用于教学实践，打破了传统实验室在空间上和时间上的局限性，可以有效解决高校实验经费、设备、场地不足的问题，对于提高实验教学质量、改革实验教学模式具有重要的意义。但它并不是万能的，也存在着诸多缺点与不足。第一，在虚拟实验中，学生面对的是冷冰的交互界面和虚拟化的仪器设备，缺少了师生之间、同学之间的情感交流，这在一定程度上影响了教学效果。第二，实验过程、实验现象、实验反馈都是程序开发者事先设计好的，而科学实验往往是一个复杂的过程，操作顺序、实验条件等诸多因素只要发生细微变化都会影响到实验结果，因此虚拟实验很难模拟出真实实验中出现的不确定现象。第三，容易让学生养成不爱惜实验设备、不重视操作规范等不良习惯，不利于培养科学、严谨的实验态度。因此，开展基于网络的虚拟实验教学活动，需要教育者在长期的教学实践中逐步完善。
参考文献：
[1]曾令菊.基于Virtools的三维虚拟实验的研究与实现[D].武汉：华中师范大学，2011.
[2]赵顺喜.基于网络的虚拟电子实验室[D].重庆：重庆大学，2006.
[3]刘惠临.基于校园网的虚拟实验室的建立[J].安徽理工大学学报，2006，26（2）.
[4]数字化校园环境下的虚拟实验室建设思考[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view，2012.
[5]李欣.虚拟实验室的设计与开发[J].现代教育技术，2008，18（2）.
[6]郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学，2010，13（5）.
（责任编辑：孙晴）
关键词：虚拟实验室；计算机网络；体系结构；实践教学
作者简介：马仕海（1977-），男，辽宁朝阳人，沈阳工程学院国际教育学院，工程师。（辽宁 沈阳 110136）
中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0164-02
在现阶段，高校实践教学与人才培养存在着诸多问题，一方面表现为招生人数增加与实验场地、设备数量之间的矛盾，另一方面表现为新技术应用与实验设备更新的矛盾。因此，依托网络构建虚拟实验系统便成为很好的解决方案。虚拟实验室的建立打破了传统实验室在时间和空间上的局限性，学生通过自主登录网络即可提前完成实验的理论设计、验证和实验结果分析，为进入真实实验环境节省了时间，提高了实验效率。
近年出现的虚拟现实（Virtual Reality）技术使得虚拟实验室的功能得以进一步延伸。目前，学术界公认的虚拟实验室的（Virtual—Laboratory）概念有以下两种：[1]定义一：虚拟实验室是以计算机网络为核心，基于网络技术实现虚拟仪器对数据的采集、分析和远程操作的系统。定义二：是基于Web技术、多媒体技术和虚拟现实技术的开放式、网络化虚拟实验教学系统，是现有实验室的数字化和虚拟化。上述两种定义虽然侧重点不同，却都指明了虚拟实验室的实质是一个无墙实验室，是通过计算机网络远程控制与交互的系统。
一、虚拟实验室建设的现状分析
1.国外的研究现状
国外比较著名的有麻省理工学院（MIT）的远程实验室iLab（http：//ilab.mit.edu），主要用于微电子学课程的相关教学与实验研究，虽然界面是二维的，但是功能非常强大，SMA（Singapore MIT Alliance）微电子学科的学生在新加坡就可以访问和使用iLab，通过点击“设备”菜单，选择合适的仪器设备，就能获得来自MIT实验室的实验数据。[2]德国Ruhr大学的网络控制工程虚拟实验室呈现给实验者的是三维的实验场景，它依赖各虚拟设备的仿真特性，实现了对控制工程类实验项目虚拟的交互式操作。其他比较著名的还有英国牛津大学化学系的“LiveChem”实验项目、新加坡国立大学的虚拟电子实验室、意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室等。
2.国内的研究现状
与发达国家相比，国内在虚拟实验室的建设方面还存在一定差距，但是很多高校和科研院所也都积极的展开了相关研究，并取得了显著的成果。如清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；中科院上海有机化学研究所的虚拟化学实验室；北方交通大学的RECEL（Remote Electronics and Circuits Experience Lab）网络电工电子实验教学系统；[2]大连理工大学的基础仪器分析和化学分析实验室；中国科技大学的物理仿真实验室；同济大学的建筑景观结构仿真实验室等。
2009年，“十一五”国家科技支撑计划重点项目《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》开始实施，项目由华中科技大学联合北京航空航天大学等十家单位共同承担，将为我国在相关领域的发展提供核心技术支撑。
二、虚拟实验室实现的关键技术
虚拟实验包括演示型实验和操作型实验两种。前者只是完成实验现象的演示；后者则要求实验者亲自参与。演示型实验的构建策略可采取多种方法。如用摄像机拍摄真实的实验后制成avi或其他格式的视频文件，或者采用Flash、Authorware等多媒体软件制成动画进行演示，但这种实验缺少交互性。操作型实验的构建相对较为复杂，需用软件来虚拟硬件设备的功能，具有很好的仿真性和交互性，其实现方式主要有以下几种：
1.LabVIEW虚拟仪器编程语言
LabVIEW是美国国家仪器公司NI（National Instruments）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台，被工业界、学术界视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。它集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。LabVIEW以计算机为核心，集各种传统仪器的功能于一身，其表现形式和功能类似于实际仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。LabVIEW建立在功能齐全的图形化编程语言的基础上，为实验数据采集、仪器设备控制、数据分析与显示等应用提供了很好的解决方案。特别适用于实验室中一些需要经常改变仪器和设备的参数及功能的场合。[1]
2.数学工具MATLAB
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是由mathworks公司发布的，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。具有友好的编程环境、简单易学的程序语言、强大的数据处理能力、实用的程序接口和发布平台等优势。已广泛应用于信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多领域。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，是一种可视化仿真工具，它提供了一个动态的建模、仿真和综合分析的集成环境，通过直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Stateflow有限状态机是一个交互式的设计工具，可以用来对复杂的事件驱动系统进行建模和仿真，可以将Stateflow创建的复杂控制逻辑直接嵌入到Simulink的模型中，如基于MATLAB Simulink和JAVA的虚拟实验室建设。
3.面向对象的编程语言JAVA JAVA是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。广泛应用于个人PC、数据中心、游戏控制台、移动电话和互联网。JAVA是一个简单、面向对象、分布式、解释性、安全与系统无关、可移植、高性能、多线程和动态的语言。并且提供了并发的机制，故在虚拟实验系统的构建中被广泛采用。比较典型的有台湾国立大学Han-Pang Huang教授构建的基于JAVA的网络电子仪器实验室系统，该校机械工程系的本科生通过登录网络实验室来使用包含示波器、函数发生器和逻辑分析仪在内的远程设备。另外，明尼苏达州立大学计算机科学系的网络实验室以及西班牙国家远程教育大学的用于定性分析的远程控制实验室等。
4.虚拟现实语言VRML
VRML即虚拟现实建模语言，本质上是一种面向Web、面向对象的三维造型语言，用于建立真实世界或人们虚构的三维世界的场景模型，具有平台无关性，是目前Internet上基于www的三维互动网站制作的主流语言。VRML同HTML语言一样，也是一种ASCII描述语言，受HTML的限制，网页只能是平面的结构，而不支持三维图像和立体声音文本的显示，而VRML则创造了一个可进入、可参与的世界，它不仅支持数据和过程的三维表示，还能提供带有音响效果的结点，带领用户走进视听效果逼真的虚拟环境。在国外，VRML已经被广泛的应用于生活、生产、科研教学、商务甚至军事等各种领域。而且，随着互联网的普及和发展，VRML作为一种ISO国际标准将得到越来越广泛的应用。[3]
5.虚拟现实（Virtual Reality）平台
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是近年来出现的高新技术，是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，通过计算机模拟出的三维虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，及时、没有限制地观察三度空间内的事物。目前，已被广泛应用于城市规划、工业仿真、军事模拟、三维游戏、教育教学等领域。利用虚拟现实技术输出逼真的具有交互功能的三维实验场景，是目前虚拟实验建设的发展方向。典型的虚拟现实软件有：法国交互三维开发解决方案公司开发的虚拟平台软件Virtools；瑞典Cycore公司开发的Cult3D；中视典数字科技公司开发的具有我国完全自主知识产权的三维虚拟现实平台软件VRP等。
三、网络虚拟实验室的构建方案
虚拟实验室的建设应以数字化校园为依托，作为传统实验室建设的补充和完善，形成主体性与合作性、现实性与灵活性的有机统一。
1.虚拟实验室的实现原理
网络虚拟实验室由计算机网络、系统服务器、虚拟仪器和物理仪器四部分组成。其中，虚拟仪器包括硬件和软件两个子要素，硬件主要完成对真实世界中被测信号的采集，而软件则用于对数据采集、分析、处理和显示的控制。服务器分为网页服务器和应用服务器，网页服务器用于接入网络服务、用户信息认证、开放交互式实验环境以及动态网页的生成，应用服务器用于控制和管理仪器设备、采集和处理实验数据。数据库的作用是用户信息存储和仪器设备、实验数据等实验室资源的管理。[4]网络虚拟实验项目主要由模拟仿真和实时测量两个子系统组成，如图1所示。
模拟仿真子系统用于完成验证型和演示型实验。使用网页的发布功能在Web服务器端生成嵌入实验平台的网页，远程实验用户只需通过登录网络浏览器，即可访问实验室进行虚拟实验。
实时测量子系统主要用于大型仪器设备的共享和远程控制的科研实验。实验者通过虚拟仪器的控制面板输入实验参数或操作指令，物理仪器接受虚拟仪器传送的指令或参数后执行操作，将实验数据通过虚拟仪器和网络返回到远程实验用户。
2.虚拟实验室的体系结构
虚拟实验室的网络系统主要有两种体系结构：
（1）C/S（客户机/服务器）二层结构，如图2所示。该模式一般有多个采集数据客户端和一个服务器端，基于TCP/IP协议构建，适合数据的大量传输。其实现机制较为简单，但需要在客户端上安装客户端软件，且客户端的维护工作量较大，因此这种模式的适用范围相对集中，不适合普及性的网络教育。[5]
（2）B/S（浏览器/服务器）三层结构，如图3所示。客户端即为标准浏览器，实验者可通过测试网站来监视测试点的数据变化。该模式不涉及客户端程序的开发与维护，通常采用HTTP协议，缺点是不适合大量数据的传输。[6]
通过上述分析，结合虚拟实验室应用于高校教学的特点，可优先选择B/S模式。这种结构降低了客户端的要求，同时由于实验主体集中在服务器端，对系统的维护和实验项目的增加，只需在服务器端进行。这样不但使系统的维护工作大大减轻，还使系统的扩展性和适应性增强。
四、结论
虚拟实验应用于教学实践，打破了传统实验室在空间上和时间上的局限性，可以有效解决高校实验经费、设备、场地不足的问题，对于提高实验教学质量、改革实验教学模式具有重要的意义。但它并不是万能的，也存在着诸多缺点与不足。第一，在虚拟实验中，学生面对的是冷冰的交互界面和虚拟化的仪器设备，缺少了师生之间、同学之间的情感交流，这在一定程度上影响了教学效果。第二，实验过程、实验现象、实验反馈都是程序开发者事先设计好的，而科学实验往往是一个复杂的过程，操作顺序、实验条件等诸多因素只要发生细微变化都会影响到实验结果，因此虚拟实验很难模拟出真实实验中出现的不确定现象。第三，容易让学生养成不爱惜实验设备、不重视操作规范等不良习惯，不利于培养科学、严谨的实验态度。因此，开展基于网络的虚拟实验教学活动，需要教育者在长期的教学实践中逐步完善。
参考文献：
[1]曾令菊.基于Virtools的三维虚拟实验的研究与实现[D].武汉：华中师范大学，2011.
[2]赵顺喜.基于网络的虚拟电子实验室[D].重庆：重庆大学，2006.
[3]刘惠临.基于校园网的虚拟实验室的建立[J].安徽理工大学学报，2006，26（2）.
[4]数字化校园环境下的虚拟实验室建设思考[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view，2012.
[5]李欣.虚拟实验室的设计与开发[J].现代教育技术，2008，18（2）.
[6]郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学，2010，13（5）.
（责任编辑：孙晴）