摘 要: 虛擬仿真實驗平臺是虛擬現實技術、多媒體技術與互聯網相互融合的體現，是教育向互聯網的擴展。從計算機硬件實驗課程應用的角度出發，提出創建虛擬仿真實驗平臺的網絡架構。重點探討了在“互聯網 + ”環境中對計算機硬件課程進行虛擬仿真實驗教學的建設和設計，研究了建設“互聯網 + ”背景下的計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的各項技術，為實驗教學的多樣化和移動實驗課堂建設提供了一定的研究價值。

　　關鍵詞: 互聯網 + ; 實驗平臺; 虛擬仿真; 交互式

　　0 引 言

　　“互聯網 + ”已經深入到各個行業[1]。在此計劃的影響下，教育行業中原來采用的傳統教學模式，必定受到互聯網浪潮的沖擊而發生實質上的改變。實驗教學作為培養創新、創業人才的重要環節，實驗課程在學生的創新和創業學習中起到了極其重要的作用，特別對于那些實踐能力要求高的理工類學科，實驗教學對學生綜合素質的提高起到了很好的作用，實驗教學在高等學校的綜合素質改革中有著極其重要的地位[2]。遠程虛擬實驗仿真教學平臺是一個基于互聯網的實驗教學平臺，它將計算機技術、網絡技術和虛擬仿真等技術有機的融合一體。為實驗教學提供了實驗教學環境、實驗設備和信息資源等各項虛擬仿真服務。構建遠程虛擬仿真實驗平臺打破了實驗設備數量以及實驗環境、實驗課時數等條件的限制，使實驗者可以不受時間空間的限制進行虛擬仿真實驗平臺的訪問和操作，從而大大提高實驗教學的伸縮性和擴展性[3-6]。

　　虛擬仿真實驗平臺作為可以從互聯網進行訪問及控制的計算機仿真實驗系統。遠程虛擬仿真實驗用戶通過互聯網對在本地軟件平臺上的各個虛擬仿真實驗項目進行檢測、驗證和操作。用戶通過終端設備就可以進行虛擬仿真實驗平臺的訪問和各項實驗項目的操作，同時還可以檢測和觀察實驗操作過程及獲得實驗數據等。虛擬仿真實驗平臺就是由“虛 擬 仿 真 前端———虛擬仿真硬件設備實體———虛擬仿真實驗場景”等組成的網絡虛擬仿真實驗教學模式[7-9]。它將實驗教學進行仿真化增加了實驗操作的互動性和逼真性，提高了實驗教學的效率。它是將互聯網和虛擬仿真技術有機融入到實驗教學中，為今后將實驗教學從課堂教學擴展到移動教學提供一個全新的發展方向和教學方式[10]。

　　1 虛擬仿真實驗平臺的結構設計

　　1. 1 虛擬仿真實驗平臺的構成

　　一個優良的虛擬仿真實驗平臺的構建，必須將虛擬仿真實驗平臺的構成部分進行組件化操作，將平臺分成具有數據的發送和接收功能的各個組件，一個虛擬仿真平臺包括信號顯示、信號處理、數據存取等幾種組件，再將這些分布在不同區域的組件通過計算機網絡構成遠程虛擬仿真實驗平臺。在遠程虛擬仿真實驗平臺的網絡構建上主要采用的是客戶端/服務器/數據庫/應 用 程 序 ( Browser/Server/Database /Application， BSDA) 網絡架構，遠程客戶瀏覽器端、WEB 服務器端、應用服務器端及實驗儀器設備端 4 個組件通過計算機網絡構成了遠程虛擬仿真實驗平臺[7]。在這些組件中，數據庫系統是平臺的中心，承擔了各項實驗數據的存儲和管理工作，包括實驗用戶賬戶的生成、實驗交互動態網頁的生成以及實驗數據等工作; 應用服務器承擔了實驗設備及儀器的控制和管理及實驗數據的采集和分析處理工作; WEB 服務器作為虛擬仿真實驗平臺的對外信息發布窗口，承擔了用戶登錄認證管理、開放式交互實驗環境生成以及實驗教學的動態網頁等頁面的生成和發布工作[11]，這些組件服務即相互獨立又互相協作。圖 1 所示為是一個標準的遠程虛擬仿真實驗平臺結構模型。圖 1 遠程虛擬仿真實驗平臺結構模型

　　1. 2 遠程虛擬仿真實驗平臺的組成

　　遠程虛擬仿真實驗平臺具有一定的復雜特性，為了很好地解決其復雜特性，同時也為了適應信息技術發展的需要，采用模塊化進行遠程虛擬仿真實驗平臺的功能設計，為此，必須將虛擬仿真實驗平臺系統進行分層處理，將各個層次模塊單獨進行設計和建設，從而達到降低系統復雜程度的需求。在系統設計時上按照先底層再高層設計的思路，即先設計和驗證下層的程序模塊，然后再設計和驗證上層的程序模塊，模塊與模塊之間即相互獨立又互相依賴。交互式用戶操作界面、系統用戶管理、虛擬實驗模擬仿真和數據庫管理等模塊共同組成了遠程虛擬仿真實驗平臺。其中虛擬實驗模擬仿真模塊是系統的核心模塊，虛擬實驗模擬仿真模塊主要完成各種類型實驗的仿真教學和虛擬操作，同時利用虛擬仿真實驗平臺具有的信息發布功能，直接將虛擬實驗網頁通過 Web 服務器端進行網頁動態的生成和發布，實驗學習者通過互聯網即可訪問虛擬仿真實驗平臺中的虛擬實驗教學內容，并進行實驗的仿真操作和實驗學習。

　　2 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的設計

　　2. 1 計算機硬件實驗課程的特點

　　隨著信息技術的廣泛應用，計算機已成為人們日程工作和生活中不可或缺的信息處理設備，在金融、教育、商業、科研和工業等各個行業中計算機已經得到普遍的應用，成為信息采集和加工的重要工具。為了更好的將計算機應用于人們的日常生活和工作中，必須了解計算機硬件設備的組成和結構。為此，大部分高等學校都開設了計算機硬件及維護課程這門課程。計算機硬件及維護課程具有極強的專業性和實踐性，除了要求學生很好的掌握各種計算機機元器件的參數和計算機的理論知識外，更重要的是將這些理論知識很好的運用到實際的計算機維護和安裝過程中?？梢?，實踐和實驗環節在計算機硬件與維護課程中具有十分重要的地位，只有重視實驗教學，才可以以提高學生對計算機各個元器件及各類故障的了解和解決[12]。

　　計算機硬件組裝實驗和計算機維護實驗作為計算機硬件與維護程課程中的主要實驗教學環節，計算機硬件組裝實驗，包含理論知識和實際操作過程，在該實驗項目中，實驗學習者需將計算機硬件理論知識和實踐知識融合起來，進行綜合運用。計算機硬件組裝實驗項目涉及到大量的設備和元器件，而且這些設備及元器件型號及廠家各異，結構復雜及更新換代極快。只注意理論上的講解和學習無法掌握計算機硬件的內涵及發展趨勢。同時這些設備及元器件數量龐大，價格和費用較高，很多學校無法承受價格和數量的壓力，勢必影響實驗教學的開設和進行。為此在計算機硬件實驗教學中采用虛擬仿真實驗教學的方式，以提高整個課程的教學手段和學習成效。

　　2. 2 開發虛擬仿真實驗平臺的軟件工具

　　虛擬仿真實驗平臺的核心是將實驗操作和驗證過程虛擬的展示出來。構建虛擬仿真實驗平臺的最佳工具就是虛擬現實建模語言( Virtual Recility Modeling Language，VRML) ，VRML 具有交互及編程、3 維造型和實時渲染圖形描述等功能，這些功能讓它和 Java 語言、HTML 及多媒體信息等技術可以很好的融合一體，采用 VRML 語言可以很好地創建一個具有交互式的遠程虛擬仿真實驗平臺，同時還讓參與者具有身臨其境的感覺。VRML 語言是一種虛擬現實建模語言，它是一種具有 3 維建模的功能的面向對象的解釋性語言，具有的跨平臺的特性，使其成為互聯網上制作 3 維互動網站的主流工具。

　　虛擬仿真實驗平臺中的重要環節就是交互模式， VRML 語言的 3 維模型構建和交互方式特性很好的支持了這個重要環節。節點是 VRML 語言中構建虛擬環境的要素，VRML 語言通過這些節點可以很好構建 3 維虛擬場景及交互式環境，再通過 VRML 語言中的路由模塊進行信息的傳輸，就可以構造一些簡單的虛擬仿真實驗操作模型。在采用 VRML 語言進行虛擬仿真實驗平臺的創建過程中，可以采用 VRMLScript、 JavaScript 等腳本語言來實現實驗操作者的目的與場景的交互模型; 在實現實驗操作者與虛擬現實場景的人機交 互 功 能 及 外 部 訪 問 功 能 時，VRML 提 供 了 VRML 封裝的 JAVA 類或 EAI 等技術來實現。

　　2. 3 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺交互模型的設計

　　VRML 語言的交互是通過一系列的傳感器節點來實現的，在 VRML 語言中，可以通過能感器節點來實現交互模式，VRML 語言提供了多種傳感器節點，在計算機硬件虛擬仿真實驗平臺中，采用了 Timesensor、 Planesensor 和 Cylindersensor 節點進行計算機各個零件和配件安裝的虛擬仿真演示[13]。

　　3 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的網絡設計

　　3. 1 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺總體統計

　　在計算機硬件虛擬仿真實驗平臺設計中，要滿足虛擬仿真實驗平臺的復雜性和專業性的特點，還要考慮到具有一定的擴展和升級能力。為此在計算機硬件及維護虛擬仿真實驗平臺的網絡設計上采用了模塊化分層設計方式，將虛擬仿真實驗平臺分解為多個層次的模塊進行分別的設計。通過分層設計方式，將極大地降低了系統設計的復雜度，提高了平臺開發的實效和進度。根據虛擬仿真實驗平臺各個模塊功能的劃分，一個高效的計算機硬件及維護虛擬仿真實驗平臺由用戶登錄、用戶管理、虛擬實驗仿真、數據庫管理和虛擬實驗室輔助系統等模塊組成。

　　在計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的網絡設計中，采用了實驗室虛擬儀器工程平臺 LabVIEW 和微軟公司的 MS SQL Server 數學庫系統相結合的網絡開發環境。LabVIEW 是一款圖形化設計和編程功能的虛擬實驗儀器開發平臺，通過它內置的控件，可以方便地創建用戶界面。在 LLabVIEW 中定義了前面板這個概念，就是為用戶界面進行服務的，在虛擬仿真實驗平臺的開發中可以使用圖標和連線及編程方式對用戶的前面板上的對象進行控制。LabVIEW 的圖形化源代碼和流程圖極其相似。通過這些流程圖代碼，LabVIEW 為虛擬仿真實驗平臺提供了一個輕松、便捷的開發環境，設計者利用這些代碼無需進行大量、繁瑣的編寫程序代碼工作，就可以輕松實現虛擬仿真實驗平臺的開發和設計。為此利用 labVIEW 工具可以很方便的設計計算機硬件虛擬仿真實驗平臺網絡環境[14]。

　　3. 2 系統用戶登錄和認證模塊的體現和設計

　　一個功能強大和完善的虛擬仿真實驗平臺應具備安全和穩定的用戶認證體系，為實驗教學系統中的各類資源和數據提供安全的防護和管理。學生實驗憑借自己的用戶名和密碼進行登錄虛擬實驗室系統的操作，在通過用戶和密碼校驗系統的驗證后才能進行實驗項目的操作和查看。它可以由 labVIEW 中的用戶控件模塊進行設置的。虛擬仿真實驗平臺通過 While 結構來對比用戶的輸入用戶名和密碼與數據庫中的用戶名和密碼是否匹配。認證成功后則允許登錄虛擬仿真實驗平臺。用戶可單擊“進入系統”開始進入虛擬仿真實驗平臺，并可以在計算硬件機虛擬仿真實驗平臺中完成各項實驗仿真操作，實驗數據查詢和觀看實驗演示等任務。

　　4 結束語

　　計算機硬件虛擬仿真實驗平臺是將多媒體技術與虛擬現實技術相結合，通過互聯網進行實驗教學的一種創新思路，基于互聯網的遠程虛擬仿真實驗平臺突破了實驗教學工作在空間和時間上的約束，豐富了實驗教學的手段。，通過一個具有豐富信息的交互式界面平臺來實時獲取實驗數據和實驗現象，完成各項實驗教學的輔助工作[15]。計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的建設，為計算機硬件及維護課程的實驗教學提供了一個全新的教學模式，為實現實驗教學的移動化課堂提供了一個切實可行的建設方案。計算機硬件相關論文推薦：中職院校計算機硬件芯片檢測及維修

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