虚拟实验室搭建与应用

杨阳

摘 要：虚拟实验室是并立与实体实验室而存在的一种实验环境，它摒弃了实体实验室投资大、受时空约束的缺陷。本文通过网络搭建虚拟实验室，讨论了几种虚拟实验室搭建的关键技术及教学中的应用。

关键词：虚拟实验室；优势；搭建

1 引言

虚拟实验室是一种借助计算机虚拟技术构建的实验环境，是独立于实体实验室之外的一种科学研究方法。在实际的应用中，学者根据不同的角度和不同的应用范畴给出了不同的定义。

从技术角度上来看，虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的实验环境中一样完成各种预定的实验项目。

从功能角度来看，虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境，它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。

从教学应用角度来看，虚拟实验室是教师和相关设计者借助日益发展的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使得学生可以通过操作计算机来操作自定义的仪器，对被测试量进行采集、分析、判断、显示、数据存储等，充分利用了最新的计算机技术来实现模块重组配置，异地实时操作，扩展传统实验仪器的功能，促进教学平台的适用性和实验内容的先进性。

2 虚拟实验室优势

2.1 学习不受时空约束

不受时间及空间的限制，可以利用网络教育提高教学效率。对于实验任务重、实验基地有限的中职院校而言，虚拟实验室有非常大的实用性。学生们无需到真实的实验室便可以完成专业课程实验所需要的实验作业，并能根据教师的布置，从网络上适时地从事实验，并从实验室老师那里得到及时的帮助。

2.2 节省资金，没有损耗

可以节省大量的实验设备的投入。目前中职院校普遍存在着实验室建设经费投入严重不足的问题，虚拟实验室能够充分发挥现有科学仪器的作用，提高使用效率，尤其是通过互联网后能实现大型科学仪器的资源共享，避免了大型仪器设备的重复添置、购买和浪费，并且虚拟实验室不存在设备老化问题。

2.3 开放性，效率高

虚拟实验具有开放性，因而容易实现网络及其他部件间的连接和重新组建，且组建系统的效率高。由于虚拟实验系统的硬件和软件的标准化、规范化，用户往往只需经历一次组建工作。软件技术是虚拟实验的关键，虚拟仪器由于在组建上具有高效性与灵活性，能够适应测试功能的多样化，以及可用表格、图形快速准确显示结果，达到一机多用，从而具备了传统实验难以比拟的优势。

3 虚拟实验室的搭建及教学应用

3.1 虚拟实验室搭建

Microsoft.NET是Microsoft XML Webservices平台，它允许应用程序通过Internet进行通信和共享数据。.NET技术极大地简化了开发、获取、发布网络化虚拟仪器，同时增强功能和服务互用性、集成性和扩展性。我们可以将LabView开发工具与.NET平台相集成，将虚拟仪器的开发优势与.NET平台的网络开发优势相结合，提供更快捷、更灵活、更安全的網络化虚拟实验室。搭建虚拟实验室的关键技术有：

⑴数据交换技术。在网络数据通信中，常使用TCP/IP、UDP等网络协议。LabView开发系统包含网络通信方面的工具包或方法。

⑵组件技术。组件技术是将大而复杂的应用软件分成一系列的可现行实现、易于开发、理解和调整的软件单元，即组件。虚拟实验室中常用的组件有COM和DCOM组件、ActiveX组件和.NET组件等。

⑶CGI技术。CGI是各种应用程序、数据库与WWW接口的方法和标准。利用CGI进行虚拟实验的设计时，首先通过相应的开发工具开发CGI程序。当客户端发出请求时，CGI程序在很短的时间间隔内产生并发送虚拟仪器的图像映射。这些图像映射中通常包含按钮和开关等热点区。当学生在浏览器端点击这些热点区时CGI程序根据点击区判断用户的输入，并处理相关命令，然后将结果发回浏览器。当用户请求较多时，服务器就会过载，因此，适合一些简单、学生交互量少的应用。

⑷Java技术。虚拟实验室是基于网络的，而且为不同的客户端服务，因此，对安全性和平台通用性要求极高。Java是一种面向对象的多媒体编程语言，具有平台无关性、可移植性、安全性、多线程和交互式语言等特点。开发网络虚拟实验室主要涉及的Java技术包括JavaApplet、AWT和SWING、JSP与Servlet。

构建网络虚拟实验室，还需要考虑其它技术，如网站开发技术，需要一个专门的网站对网络虚拟实验室进行管理，包括实验项目管理、虚拟仪器的发布、维护、升级和培训等服务。实验者可以选择网站中已经设计好的实验，也可以根据网站中提供的虚拟仪器自行设计实验。另外，数据库连接技术、协同实验技术、网络安全技术等都是构建时必须考虑的因素。

3.2 教学中的应用

虚拟实验室在教学中的作用可分为三类：一是为进行真正的实验（或操作）做准备练习；二是替代传统的实物实验室；三是对传统的实物实验的结果和现象进行分析。因此，在实验内容的规划中，应大力开发实验、综合性实验、应用性实验和探索性实验。在教学设计上，突出以学生自主学习为主，重视交互操作的过程，强调情景创设的效果。网上虚拟实验室的建设，还必须按照实验教学规律，结合学校当前实际情况，逐步建立起功能完善的网上虚拟实验室系统。

[参考文献]

[1]张建碧.虚拟实验室的教学应用[J].科技信息.2009.01.

[2]徐红，刘羽，王林.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术.2007.08.