数字化校园环境下的虚拟实验室建设思考

刘东生 王利森

（巢湖学院基础实验教学与实训中心，安徽 巢湖 238000）

数字化校园环境下的虚拟实验室建设思考

刘东生 王利森

（巢湖学院基础实验教学与实训中心，安徽 巢湖 238000）

本文基于教育技术、虚拟仪器设备、数字化校园在实验教学、科研中应用的思考，针对我院的现实和发展目标，介绍了网络虚拟实验室的内涵、优势，给出了应用实例，对虚拟实验中心建设的思路和方案进行了探讨。

虚拟实验；数字化校园

数字化校园就是利用先进成熟的计算机技术、网络技术与数据库技术，通过科学合理的管理规范与完备通用的技术规范，基于统一的信息标准整合、集成各种信息资源，构建安全、可靠、可扩展、易维护的综合平台，建设的目的主要体现在为学校“教学”和“管理”两大功能提供的服务上。2012年我校将投资1600万元人民币的数字化校园建设项目，如何把握这一契机，充分利用校园资源，建设我院实验教学虚拟平台，构建网络虚拟实验教学中心，将是我们不可回避一个思考内容。

1 网络虚拟实验室的概述

网络虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建起来的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生在任何时间、任何地点自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备，利用虚拟器材库中的器材，自由搭建实验教学计划中的实验教学项目，完成综合性、设计性实验方案，并可通过网络进行方案讨论，提交实验报告。在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。

2 网络虚拟实验室的优势

长期以来困扰我院实验教学发展原因，从表面上看，主要问题在于实验教学经费投入的严重不足，实验教学仪器设备紧缺和老化，实验教学用房面积缺口较大，实验教师队伍不稳定，不能满足当下各系的学科专业发展和实验教学质量的提高。但从深层次上看，真正制约的瓶颈是，我们的教育思想和教育观念不够解放，现代化的教学资源不能充分利用。虚拟实验室的建设不乏为当下我院实验教学质量的提高提供了一个有效的问题解决方案。

2.1 节省了实验教学经费的投入。基于数字化校园的虚拟实验室建设，大大节省了实验室建设中人力、物力和财力的投入，降低了实验教学成本。实验仪器、实验耗材都是通过虚拟技术实现。实验教学的改革、实验项目的调整、实验方案的优化，再也不受实验设备性能的制约，有效解决了传统实验室中设备功能缺乏、性能老化，更新补充不到位等问题，从而影响整过教学的正常开展。

2.2 提高了实验教学的安全系数。学生在实验室进行实验时可能会由于操作不慎或其他原因，使得人身安全或者仪器设备安全受到威胁甚至造成损失。在各种电子实验中，低压电路实验经常会因为设备原件的老化，造成短路，损坏仪器或芯片；而高压电路则会发生设备漏电，造成触电事故。对于一些化学化工的高危险类实验，我们不会亲自去体验，但通过虚拟可进行模拟仿真，强化实验现象。

2.3 改善了实验教学的教学环境。首先网络化虚拟实验室比传统实验室更具有开放性，他有效地打破了时间和空间的界限，学生可以灵活安排自己的实验时间，也可以根据专业、兴趣、爱好，对自己完成的综合设计性实验方案进行实验。其次，他使实验方案、实验效果的最优化成为可能，学生不再因受实验设备和耗材等限制，方便、快捷、及时地对某一实验项目进行反复比较实验。

2.4 优化了实验教学资源。虚拟实验室建设可以充分发挥现有实验教学资源的功能和应用，通过ORACLE集群、虚拟主机集群、服务器集群、计算机云技术等措施，共享教学资源，运用IPS入侵防御系统设置策略，确保系统的安全。就当下，也在很大程度上缓解了实验用房紧张，保证了整过教学计划有序执行。

2.5 降低了实验教师和实验技术人员的工作量。传统实验室的实验教学，受到教学时间和课时量等多种因素限制，管理、技术人员也不可能及时对现场出现故障的设备进行维护、维修完毕，实验指导教师更不可能将各种可能发生的实验情况一一罗列出来。学生通过虚拟实验，不仅扩大了实验的时间和内容，而且在过程中很多实验现象和问题，自己就迎刃而解了，再进入传统实验室，那叫一个字——顺！同时实验目的也更加明确。

3 软件共享网络虚拟实验应用实例

学生通过网络登录虚拟实验中心主页，输入个人信息，经过用户认证，进入虚拟实验室，选择实验教学模块和具体的实验项目，开展实验。以下为电子技术实验课程中的三极管放大电路虚拟实验。

在模拟电子技术课程中，三极管放大电路的直流分析和交流分析是教学中的重点和难点，学生在学习初期，由于刚接触，概念抽象，认识模糊，尤其对放大电路失真的原因、关系、本质理解不深。在虚拟实验室该实验项目界面，学生首先根据实验设计方案，从器件库中“取出”所需的各种电子元件，在界面“测试电路区域”构建出实验电路（图示），加电后，在设备库中选择万用电表，测试静态工作点电压。选择信号发生器和示波器，可方便测出上图所示中该电路对信号的不失真放大倍数。改变基极偏置电阻值，从而改变静态工作点，导致饱和失真与截止失真的因果关系一目了然，如图所示。全部实验数据整理后，形成实验报告，在网络上直接上传提交，经教师批阅后，获得实验成绩。

由于进入虚拟实验室必须是实名登录，他与全校的数据管理系统共享全部的信息资源，实验的结果是有网站自动生成，所以学生无法对此实验的过程和结论进行复制和修改，有效避免了少数学生拼凑实验结果、抄袭实验报告的现象。

4 网络虚拟实验室的建设思路

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，形成独立性与统整性、学际性与开放性、主体性与合作性、现实性与灵活性的有机统一。第一，在虚拟实验室的技术总体设计上，要符合“主体的主动性、结论的可计量性、结论的客观性、过程的可重复型和实验内容与结论的连续性（因果关系）”这一实验的基本属性。第二，在实验教学内容和实验项目设计上，使之不仅与专业教育相结合，同时与就业市场相结合，形成由“基本实验-综合实验-设计实验-毕业设计实践”的由浅入深，由易到难，由简单到综合，一体化多层次模块式的实验教学体系结构。第三，在实验教学管理上，通过开放式的管理平台，构建出多元化的实验教学质量监控主体体系和多层面的实验教学质量监控客体体系，形成对实验教学质量多要素、多角度、多层次、多形式的监控，运用实验教学统计、评价子系统，从而及时、全面、准时、系统地掌握实验教学的运行。第四，在建设的步骤上，要结构科学，系统开放，逐步扩充。首先要能满足新建专业基础学科学生的实验预习、实验操作、数据处理、实验报告等实验基本环节的急需，然后在功能上逐步扩充、性能上进一步完善，面向各学科专业有计划进行推广。在学校财力、人力允许的情况下，启动仪器共享网络虚拟实验室建设，探索远程控制网络虚拟实验室项目，直至建设成我院的校级“网络化虚拟实验中心”，面向企业、科研和社会进行有偿服务。

5 网络虚拟实验室的建设方案

网络虚拟实验室建设是基于数字化校园建设的项目基础之上，子项目的框架结构为如图所示：采用浏览器/服务器/数据和应用（BSDA，Browser/Server/Database&Application）结构，由客户端、网页服务器端、应用服务器端以及实验仪器设备四部分组成。网页服务器主要作用是提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境以及动态网页的生成；应用服务器主要作用是控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据；数据库的主要作用则是配合用户帐户的管理、动态网页的生成以及实验数据的存储和管理。网络虚拟实验室，主要由模拟仿真和实时测量两个部分组成，如图所示。模拟仿真部分，主要完成验证型、原理演示型实验，使用LabVIEW自带的网页发布功能，直接在Web服务器端生成嵌入实验平台的www网页，用户只需使用网页浏览器即可通过互联网访问网络虚拟实验室，进行实验，此部分是我院虚拟实验室建设的第一步。

实时测量部分，主要完成大型仪器设备的共享型，远程控制型的教学、科研实验。他有一个多媒体辅助模块，是对实际实验平台界面的虚拟呈现，让学生在进入实时测量模块之前来操作，用来检验学生的预习程度，让学生预先了解实验内容，熟悉具体的实验步骤；另一个是实时测量模块，它是实时测量部分的核心，负责本地实验数据的采集，并按远程用户的操作要求进行分析、存储以及显示，可使用LabVIEW的网页发布功能来实现，也可使用基于LabVIEW编程的Application Server模块与客户端API模块来实现网络互连，数据通信，完成远程实验。

6 结束语

一流的大学必须有现代化的教学、科研实验室。与传统的实验室相比，现代化的教学、科研实验室建设方向为：（1）现代化仪器设备本身应是可编程的，功能上很大程度可由使用者自行定义和设计，便于开展研究性和设计性的实验。（2）各种测量仪器设备不应是彼此间相互孤立的，必须能与计算机相连，组成一个以计算机为中心的测量系统。（3）系统应为开放式的，能够通过校园网形成一个网络化的仪器与测量环境，共享实验数据。（4）实验室的管理应是科学、透明和规范的，通过有效的管理，提高经费投入效益，提升实验教学质量。我院“十二·五”规划中明确了学校发展战略目标：“办合格，有特色，上层次”，则在实验室的建设和规划上，我们必须提炼出行之有效建设方案。

参考文献：

[1]何克抗等.现代教育技术研究与应用[M].西南师范大学出版社，2001.

[2]尚荣.浅谈虚拟仪器在物理实验教学中的作用[J].上海工程技术大学教育研究，2010，（1）.

[3]刘泽良.发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用[J].实验技术与管理，2011，（7）.

[4]付永庆,黄丽莲.网上虚拟电路实验室的建设与教学实践[J].实验技术与管理，2011，（5）.

[5]王涌,李国丽.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，（9）.

ON THE CONSTRUCTION OF VIRTUAL LABORATORY IN DIGITAL CAMPUS ENVIRONMENT

LIU Dong-sheng WANG Li-sen
（Basic Experimental Teaching and Training Center of Chaohu University,Chaohu Anhui 238000）

This article introduces the connotation and advantages of network virtual laboratory,gives application examples and explores the ideas and programmes on the construction of virtual experiment center based on thinkings of the application of educational technology, virtual instrument and equipment and digital campus in experimental teaching and research, considering the reality and development objectives of our college.

virtual experiment；digital campus

book=157,ebook=12

G434

：A

：1672-2868（2012）04-0157-04

责任编辑：陈 凤

2012-01-20

刘东生（1963-），男,安徽肥东人。巢湖学院基础实验教学与实训中心高级实验师，研究方向：教学资源开发利用。