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摘 要：Internet的飞速发展与应用，引发了现代教育技术领域一场重大变革。远程教学以一种全新的教学方式越来越受到人们的广泛关注。然而，远程教育中实验的进行是一道难题。本文从远程教育的实际需要出发，介绍了虚拟实验和传统实验教学的特点，提出了基于Web的虚拟实验室的实现方法与技术。
关键词：Web 虚拟实验室 虚拟元件 虚拟设备
中图分类号：G424.31 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2008）23-0027-03
一、引言
随着Internet的飞速发展与应用，引发了现代教育技术领域一场重大变革。远程教学以一种全新的教学方式越来越受到人们的广泛关注。由于课程实验是学习课程的基础，学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握理论知识，获得一定的综合技能和实践能力。因此，根据课程建设需要，建立各种功能齐全、跟随时代发展的网络虚拟实验室是现代远程教育发展的必然要求。
美国国家研究委员会把虚拟实验室定义为：它是一个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或学习者将不受时间空间的限制，能随时随地与同行协作，共享数据和计算机资源，得到老师的远程指导。[1] 在当前高校扩招，教育经费严重不足的情况下，显然，虚拟实验室的建设有着深远的现实意义。
跟传统实验相比，虚拟实验有以下优点：
1.经济性。传统实验需要借助具体的实验仪器设备，但仪器设备价格昂贵，损耗大，实验成本高。而虚拟实验中的设备不存在磨损、老化、变质和损坏现象，因而可以反复使用。既节约了实验成本，又能满足教学需要。
2.开放性。网上实验可以打破传统实验模式，使学习者不受时间和空间的限制，根据自己的学习需要，随时随地进入虚拟实验室进行实验。也可以选择不同的实验伙伴共同实验，其所取得的学习或训练效果就像在真实实验环境中一样。
3.针对性。利用计算机的模拟功能、动画效果、虚拟现实等技术能够实现缓慢过程的快速播放和快速过程的缓慢回放，将实验现象、实验结果忽略细节，重点突出地展示出来，便于学生观察，从而提高实验效果。
4.安全性。对于一些危险性比较大、有毒有害、污染环境和破坏性的实验，虚拟实验更加安全、有效。
5.共享性。虚拟实验软件可以通过计算机网络实现共享，从而节省大量的重复投资，提高教学水平。
二、虚拟实验室的设计
1.虚拟实验平台的功能结构设计
虚拟实验室主要由虚拟实验平台和一系列虚拟实验组成。虚拟实验平台为学生提供一个虚拟、逼真的实验环境以及实验所用的各类实验仪器设备和元件，使学生在此环境下完成实验的全过程，最后通过仿真程序得到实验结果和相关数据。因此，虚拟实验平台应是一个集实验教学管理系统、实验教学指导系统和网络仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。[2] 这样一个系统应基于B/S结构，提供远程访问和远程操作功能。学校或院系可将所有课程的实验置于同一平台之上，以便于集中管理。
虚拟实验平台有三种角色：实验超级管理员、实验指导教师和学生。他们分别具有不同的权限。实验超级管理员认证登录实验室管理总后台，能发布实验新闻、通知、实验安排、添加实验课程及课程管理密码，具有最高权限。实验指导教师能够发布课件、多媒体资料（视频、flash等），并提供在线答疑和辅导。而学生几乎没有权限，但所有的服务都是为学生提供的。
该虚拟实验室软件平台的结构设计如图1所示。
2.系统的总体设计
构建在Web之上的虚拟实验室是一种典型的B/S（浏览器/服务器）计算模式，其体系结构如图2所示。
在这个体系中，远程客户端通过浏览器访问Web服务器上的页面，而Web页面中嵌有虚拟实验软构件，服务器通过虚拟实验软构件对实验环境及各种实验进行仿真，并接受来自客户端的实验操作请求，根据客户端的操作，虚拟实验软构件调整虚拟元件的状态，模拟产生实验对象，输出对应的实验数据。
学习者在客户端进行实验操作，实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于服务端也可以放置于客户端，服务端主要存放公共实验数据、实验指导书及说明等内容，它们可以以静态页面的形式存放在Web服务器上，具体实验的判断逻辑体现在虚拟实验的软构件中。[3]
三、虚拟实验室实现技术与应用
1.虚拟元件和虚拟仪器构造技术
虚拟仪器/元件对象是虚拟实验平台交互操作的主体对象。在逻辑上，用户对仪器库中的虚拟仪器进行操作，这些虚拟仪器是由基本的虚拟元件构成的，它们是现实世界中的元件的直接映射，是虚拟实验室系统中的重要组成部分，也是整个虚拟实验室系统的设计难点。虚拟仪器/元件模型建立的好坏，将直接影响到整个系统性能及仿真算法的效率。一个良好的虚拟仪器/元件模型具有以下特征：良好的封装性、可扩展性、可重用性和完备性。[4]
（１）虚拟元件的构造
面向对象的虚拟元件构造直接以客观世界的元件作为对象，虚拟实验室中的元件库主要由实验中所需的各种元件模型组成，这些元件就是组成元件库的对象。在使用面向对象的方法设计时，可以将实验所用的元件按照其功能、特性进行分类，组成元件库，如图3所示。
在库中，每个元件都独立封装成一个对象，每个对象都有自己的外观特性、几何形状、参数变量和区域空间等属性，还有自我绘制、更新及其它实现与用户交互功能的方法。实验中，当需要相关元件时，可以通过访问各类的属性和方法实现，[5]比如通过该元件类的区域空间属性判断事件是否发生在此图形对象上，通过改变其参数从而改变其显示状态，通过事件管理和事件处理实现其与用户的交互。
构造虚拟元件的基本方法如下：
首先定义一个父类，该类包括所有元件的一些基本属性和方法，如元件名称、所在区域、标志码属性和自我绘制等方法。而对每一个特定的元件，可根据自身的需要，在继承父类属性和方法的基础上，添加新的功能或者覆盖父类的功能，构成一个子类。如在数字电路实验中，逻辑芯片类（LogicChip）是一个虚基类，由它可以派生出组合芯片类（CombChip）和时序芯片类（SequenChip）。再通过继承和组合机制，可派生出各种芯片。
确定元件对象的类描述一般包括：
1）类属性：内部属性/外部属性，同步显示变量（和实际物理值相对应的物体外观变量），异步显示变量（不随外界变化的显示变量），控制变量（器件的类型标识符，唯一标识符）等。它们在Java和C 中用成员变量来描述。
2）类方法：构造方法（用于产生实例化初始对象），消息响应方法（用于与用户交互，如获取鼠标所在点的区域位置、改变参数值大小等），外观绘制方法（用于产生、改变元件的外观形状等），外部方法（提供其他对象访问自己的接口等），其他辅助方法（如接线端口判断）等。它们在Java和C 中用成员函数来描述。
根据以上定义，用UML统一建模语言构建类图和状态图，再依据类图和状态图，用C 、Java等编程语言编写代码，并进行封装，即可完成一个元件的构造。
（２）虚拟仪器的构造
虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常由控制模块、仪器模块和软件组成。它充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。[6] 虚拟仪器在虚拟实验过程中主要为虚拟实验提供信号显示、检测等服务功能，虚拟仪器必须与虚拟元件之间有机结合，以便与虚拟元件进行信号处理。虚拟仪器的特点有：①将信号的分析、显示、保存、打印和其他管理集中由计算机处理。②仪器由用户自已定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改，可方便地同外设、网络及其它仪器连接。
通过面向对象的继承和组合机制，采用模块化设计思想，同样可以构造出虚拟实验室所需的各类仪器设备。
2.人-机界面技术及应用
人-机界面，又称用户界面，或简称界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介。通过人-机界面，用户向计算机系统发送命令、数据等输入信息。同样计算机通过人-机界面把计算机得到的输出信息回送给用户。虚拟实验室的人-机界面应具备以下功能：（１）虚拟实验项目的电路设计功能；（２）虚拟实验的仿真运行功能。
具体来说，虚拟实验室界面应能提供以下操作：①实验项目的选择；②虚拟元件或设备的选择、布局、编辑和参数设置；③元件/仪器之间的连接；④实验用的程序编辑和编译；⑤电路测试和实验的仿真运行；⑥实验数据显示；⑦实验报告的上传下载等。
根据以上功能及要求，虚拟实验室界面设计应包含主界面设计和特定实验界面的设计。其中，主界面用于引导用户进入虚拟实验室，并进行实验选择。实验界面则用于实验的操作、演示和仿真。实验界面一般由实验面板和菜单组成。实验面板用于放置实验所需的元件/仪器、完成元件/设备之间的接线，显示元件引脚状态和实验数据等。菜单则应包含用于完成实验操作、测试、程序编译、仿真、数据显示、结果保存和帮助在内的各个菜单项。此外，系统还应提供用于实验数据处理、实验报告编写和提交的实验报告处理界面，以及用于实验帮助的帮助界面。同时把诸如在线答疑、资料下载等栏目作为设计内容一并考虑，以方便学生学习和与教师互动交流。
构建一个接近物理原型、界面友好的人-机界面，是实现虚拟实验系统的一个重要方面。这里的界面友好是指人在与计算机进行交流（做实验）时，就像在真实环境中操作具体的实验仪器一样。不仅实验结果符合理论要求，而且实验场景应该尽量接近于现实。
人-机界面的实现，仿真是关键。目前用于开发仿真实验的关键技术有VRML、ActiveX、Flash和Java。采用这些技术及它们的结合，能满足一般实验的仿真要求。如使用Java小程序对实验进行仿真计算，可实现仿真结果的二维输出（通过仪器面板等）。用虚拟现实建模语言VRML模拟实验的三维场景，能给人以身临其境的感觉。而采用Java和VRML混合编程，则可以实现二维、三维场景的仿真，达到真实实验无法比拟的效果。用户只需在客户端安装常规的网络浏览器和用于浏览VRML场景的VRML插件即可对实验进行操作。常用的浏览器（如Internet Explorer）均带有VRML插件。用户在HTML页面内的Java小程序中输入实验参数，然后提交实验请求。这时Java程序对实验数据进行计算，并绘制出二维输出结果。与此同时，由VRML绘制的三维实验仪器也根据实验内容作相关变化。
四、结束语
基于Web的网络虚拟实验教学作为一种新生事物，目前正处在发展壮大之中。网络虚拟实验具有投资少、效率高、实验费用低、实验内容丰富、界面友好、集成性强、不受时间空间限制等特点，对于网络课程建设和远程教育的发展具有很高的实用价值和重要意义。
参考文献：
[1]李仁发,周祖德,李方敏等.虚拟实验室体系结构研究[J].仿真学报,2002,14(2):359-362.
[2]谢维成,李富干.基于WEB的虚拟实验室平台设计及软件实现[J].西华大学学报（自然科学版）,2008,27(1):69-72.
[3]谌志群,曾文华,丁颖.基于WEB的虚拟实验系统的研究与实现[J].杭州电子工业学院学报,2002，22(6):53-56.
[4]曾正军.基于Web的数字逻辑虚拟实验平台的设计与实现[J].计算机时代,2006，（1）32-33.
[5]蓝红莉.基于网络的计算机硬件系统虚拟实验室研究[J].广西工学院学报,2007,18(2):41-44.
[6]李琰.构建网络虚拟实验室及虚拟现实技术应用[J].长春理工大学学报,2007,30(2):59-62.
关键词：Web 虚拟实验室 虚拟元件 虚拟设备
中图分类号：G424.31 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2008）23-0027-03
一、引言
随着Internet的飞速发展与应用，引发了现代教育技术领域一场重大变革。远程教学以一种全新的教学方式越来越受到人们的广泛关注。由于课程实验是学习课程的基础，学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握理论知识，获得一定的综合技能和实践能力。因此，根据课程建设需要，建立各种功能齐全、跟随时代发展的网络虚拟实验室是现代远程教育发展的必然要求。
美国国家研究委员会把虚拟实验室定义为：它是一个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或学习者将不受时间空间的限制，能随时随地与同行协作，共享数据和计算机资源，得到老师的远程指导。[1] 在当前高校扩招，教育经费严重不足的情况下，显然，虚拟实验室的建设有着深远的现实意义。
跟传统实验相比，虚拟实验有以下优点：
1.经济性。传统实验需要借助具体的实验仪器设备，但仪器设备价格昂贵，损耗大，实验成本高。而虚拟实验中的设备不存在磨损、老化、变质和损坏现象，因而可以反复使用。既节约了实验成本，又能满足教学需要。
2.开放性。网上实验可以打破传统实验模式，使学习者不受时间和空间的限制，根据自己的学习需要，随时随地进入虚拟实验室进行实验。也可以选择不同的实验伙伴共同实验，其所取得的学习或训练效果就像在真实实验环境中一样。
3.针对性。利用计算机的模拟功能、动画效果、虚拟现实等技术能够实现缓慢过程的快速播放和快速过程的缓慢回放，将实验现象、实验结果忽略细节，重点突出地展示出来，便于学生观察，从而提高实验效果。
4.安全性。对于一些危险性比较大、有毒有害、污染环境和破坏性的实验，虚拟实验更加安全、有效。
5.共享性。虚拟实验软件可以通过计算机网络实现共享，从而节省大量的重复投资，提高教学水平。
二、虚拟实验室的设计
1.虚拟实验平台的功能结构设计
虚拟实验室主要由虚拟实验平台和一系列虚拟实验组成。虚拟实验平台为学生提供一个虚拟、逼真的实验环境以及实验所用的各类实验仪器设备和元件，使学生在此环境下完成实验的全过程，最后通过仿真程序得到实验结果和相关数据。因此，虚拟实验平台应是一个集实验教学管理系统、实验教学指导系统和网络仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。[2] 这样一个系统应基于B/S结构，提供远程访问和远程操作功能。学校或院系可将所有课程的实验置于同一平台之上，以便于集中管理。
虚拟实验平台有三种角色：实验超级管理员、实验指导教师和学生。他们分别具有不同的权限。实验超级管理员认证登录实验室管理总后台，能发布实验新闻、通知、实验安排、添加实验课程及课程管理密码，具有最高权限。实验指导教师能够发布课件、多媒体资料（视频、flash等），并提供在线答疑和辅导。而学生几乎没有权限，但所有的服务都是为学生提供的。
该虚拟实验室软件平台的结构设计如图1所示。
2.系统的总体设计
构建在Web之上的虚拟实验室是一种典型的B/S（浏览器/服务器）计算模式，其体系结构如图2所示。
在这个体系中，远程客户端通过浏览器访问Web服务器上的页面，而Web页面中嵌有虚拟实验软构件，服务器通过虚拟实验软构件对实验环境及各种实验进行仿真，并接受来自客户端的实验操作请求，根据客户端的操作，虚拟实验软构件调整虚拟元件的状态，模拟产生实验对象，输出对应的实验数据。
学习者在客户端进行实验操作，实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于服务端也可以放置于客户端，服务端主要存放公共实验数据、实验指导书及说明等内容，它们可以以静态页面的形式存放在Web服务器上，具体实验的判断逻辑体现在虚拟实验的软构件中。[3]
三、虚拟实验室实现技术与应用
1.虚拟元件和虚拟仪器构造技术
虚拟仪器/元件对象是虚拟实验平台交互操作的主体对象。在逻辑上，用户对仪器库中的虚拟仪器进行操作，这些虚拟仪器是由基本的虚拟元件构成的，它们是现实世界中的元件的直接映射，是虚拟实验室系统中的重要组成部分，也是整个虚拟实验室系统的设计难点。虚拟仪器/元件模型建立的好坏，将直接影响到整个系统性能及仿真算法的效率。一个良好的虚拟仪器/元件模型具有以下特征：良好的封装性、可扩展性、可重用性和完备性。[4]
（１）虚拟元件的构造
面向对象的虚拟元件构造直接以客观世界的元件作为对象，虚拟实验室中的元件库主要由实验中所需的各种元件模型组成，这些元件就是组成元件库的对象。在使用面向对象的方法设计时，可以将实验所用的元件按照其功能、特性进行分类，组成元件库，如图3所示。
在库中，每个元件都独立封装成一个对象，每个对象都有自己的外观特性、几何形状、参数变量和区域空间等属性，还有自我绘制、更新及其它实现与用户交互功能的方法。实验中，当需要相关元件时，可以通过访问各类的属性和方法实现，[5]比如通过该元件类的区域空间属性判断事件是否发生在此图形对象上，通过改变其参数从而改变其显示状态，通过事件管理和事件处理实现其与用户的交互。
构造虚拟元件的基本方法如下：
首先定义一个父类，该类包括所有元件的一些基本属性和方法，如元件名称、所在区域、标志码属性和自我绘制等方法。而对每一个特定的元件，可根据自身的需要，在继承父类属性和方法的基础上，添加新的功能或者覆盖父类的功能，构成一个子类。如在数字电路实验中，逻辑芯片类（LogicChip）是一个虚基类，由它可以派生出组合芯片类（CombChip）和时序芯片类（SequenChip）。再通过继承和组合机制，可派生出各种芯片。
确定元件对象的类描述一般包括：
1）类属性：内部属性/外部属性，同步显示变量（和实际物理值相对应的物体外观变量），异步显示变量（不随外界变化的显示变量），控制变量（器件的类型标识符，唯一标识符）等。它们在Java和C 中用成员变量来描述。
2）类方法：构造方法（用于产生实例化初始对象），消息响应方法（用于与用户交互，如获取鼠标所在点的区域位置、改变参数值大小等），外观绘制方法（用于产生、改变元件的外观形状等），外部方法（提供其他对象访问自己的接口等），其他辅助方法（如接线端口判断）等。它们在Java和C 中用成员函数来描述。
根据以上定义，用UML统一建模语言构建类图和状态图，再依据类图和状态图，用C 、Java等编程语言编写代码，并进行封装，即可完成一个元件的构造。
（２）虚拟仪器的构造
虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常由控制模块、仪器模块和软件组成。它充分利用了最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。[6] 虚拟仪器在虚拟实验过程中主要为虚拟实验提供信号显示、检测等服务功能，虚拟仪器必须与虚拟元件之间有机结合，以便与虚拟元件进行信号处理。虚拟仪器的特点有：①将信号的分析、显示、保存、打印和其他管理集中由计算机处理。②仪器由用户自已定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改，可方便地同外设、网络及其它仪器连接。
通过面向对象的继承和组合机制，采用模块化设计思想，同样可以构造出虚拟实验室所需的各类仪器设备。
2.人-机界面技术及应用
人-机界面，又称用户界面，或简称界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介。通过人-机界面，用户向计算机系统发送命令、数据等输入信息。同样计算机通过人-机界面把计算机得到的输出信息回送给用户。虚拟实验室的人-机界面应具备以下功能：（１）虚拟实验项目的电路设计功能；（２）虚拟实验的仿真运行功能。
具体来说，虚拟实验室界面应能提供以下操作：①实验项目的选择；②虚拟元件或设备的选择、布局、编辑和参数设置；③元件/仪器之间的连接；④实验用的程序编辑和编译；⑤电路测试和实验的仿真运行；⑥实验数据显示；⑦实验报告的上传下载等。
根据以上功能及要求，虚拟实验室界面设计应包含主界面设计和特定实验界面的设计。其中，主界面用于引导用户进入虚拟实验室，并进行实验选择。实验界面则用于实验的操作、演示和仿真。实验界面一般由实验面板和菜单组成。实验面板用于放置实验所需的元件/仪器、完成元件/设备之间的接线，显示元件引脚状态和实验数据等。菜单则应包含用于完成实验操作、测试、程序编译、仿真、数据显示、结果保存和帮助在内的各个菜单项。此外，系统还应提供用于实验数据处理、实验报告编写和提交的实验报告处理界面，以及用于实验帮助的帮助界面。同时把诸如在线答疑、资料下载等栏目作为设计内容一并考虑，以方便学生学习和与教师互动交流。
构建一个接近物理原型、界面友好的人-机界面，是实现虚拟实验系统的一个重要方面。这里的界面友好是指人在与计算机进行交流（做实验）时，就像在真实环境中操作具体的实验仪器一样。不仅实验结果符合理论要求，而且实验场景应该尽量接近于现实。
人-机界面的实现，仿真是关键。目前用于开发仿真实验的关键技术有VRML、ActiveX、Flash和Java。采用这些技术及它们的结合，能满足一般实验的仿真要求。如使用Java小程序对实验进行仿真计算，可实现仿真结果的二维输出（通过仪器面板等）。用虚拟现实建模语言VRML模拟实验的三维场景，能给人以身临其境的感觉。而采用Java和VRML混合编程，则可以实现二维、三维场景的仿真，达到真实实验无法比拟的效果。用户只需在客户端安装常规的网络浏览器和用于浏览VRML场景的VRML插件即可对实验进行操作。常用的浏览器（如Internet Explorer）均带有VRML插件。用户在HTML页面内的Java小程序中输入实验参数，然后提交实验请求。这时Java程序对实验数据进行计算，并绘制出二维输出结果。与此同时，由VRML绘制的三维实验仪器也根据实验内容作相关变化。
四、结束语
基于Web的网络虚拟实验教学作为一种新生事物，目前正处在发展壮大之中。网络虚拟实验具有投资少、效率高、实验费用低、实验内容丰富、界面友好、集成性强、不受时间空间限制等特点，对于网络课程建设和远程教育的发展具有很高的实用价值和重要意义。
参考文献：
[1]李仁发,周祖德,李方敏等.虚拟实验室体系结构研究[J].仿真学报,2002,14(2):359-362.
[2]谢维成,李富干.基于WEB的虚拟实验室平台设计及软件实现[J].西华大学学报（自然科学版）,2008,27(1):69-72.
[3]谌志群,曾文华,丁颖.基于WEB的虚拟实验系统的研究与实现[J].杭州电子工业学院学报,2002，22(6):53-56.
[4]曾正军.基于Web的数字逻辑虚拟实验平台的设计与实现[J].计算机时代,2006，（1）32-33.
[5]蓝红莉.基于网络的计算机硬件系统虚拟实验室研究[J].广西工学院学报,2007,18(2):41-44.
[6]李琰.构建网络虚拟实验室及虚拟现实技术应用[J].长春理工大学学报,2007,30(2):59-62.