虛擬實驗室范文10篇

摘要：臨床診斷學是醫學生的重點課程之一，不僅是學習臨床的基礎，更是從醫學基礎理論過渡到臨床醫學的橋梁。文章以虛擬實驗室在臨床診斷學信息化教學中的優勢為出發點，針對虛擬實驗室在臨床診斷學信息化教學中的有效應用，提出利用虛擬教學軟件開展課堂教學和學生自學、虛擬化信息實驗室用于豐富學生臨床實踐經驗、結合虛擬現實技術突破醫學教學重難點、醫學生虛擬診斷疾病搭建學習平臺等建議，以供借鑒。

關鍵詞：高校虛擬實驗室；臨床診斷學；信息化教學

一些高校由于教學資源緊缺，臨床教學的質量受到影響，對此，可以在臨床診斷教學中應用信息化虛擬實驗室。臨床診斷學虛擬實驗室是以信息技術為基礎，借助各種教學儀器與信息數據，采用人際交互的方式進行模擬實驗，并利用虛擬環境中的對象及醫療設備，讓學生身臨其境，在短時間內強化自身的臨床診斷能力［1］。

1應用虛擬實驗室開展教學的優勢

1.1提高教學資源利用率，改善教學方式

在傳統臨床診斷學教學模式下，教學內容主要是理論教學和實踐教學，教學工具以幻燈片、黑板和教科書等為主，尤其在實踐教學中，還會受到時間和空間的限制。此外，高校臨床診斷學所需的實驗設備費用較高，醫學院內一般沒有充足的資金購買專業的或大型的診斷醫療設備，也就不能構建健全的臨床診斷學實驗室，導致實踐教學效果大打折扣［2］；而虛擬仿真實驗室的應用，可以讓學生在虛擬環境下學習，學生可以直觀學習臨床知識。同時，虛擬實驗室可以長期使用，僅需定期維護即可，成本大幅降低，非常有利于提升教學資源的利用率，并優化教學方式［3］。

一、虛擬實驗室的研究背景

網絡的出現改變了人類的生活方式，大大提高了人們通信的效率和速度，使得不同地域的人們可進行實時對話。作為教育本身來說，為了給社會培養更多的高質量技術人才，其教學模式必將隨著通信手段的提高進行相應的改進，如何利用Internet進行網絡教學已成為近年來各國教育界的重要研究課題。其實遠程教學很早就開始了，如函授大學、電視大學等，只是由于現代的WWW技術給遠程教學提供了前所未有的交互性和巨大的資源共享潛力，遠程教學最近才得到如此重視。盡管目前人們對基于WWW的遠程教學模式還不是完全清楚，但有一點是確定的：基于WWW的遠程教學在不久的將來會成為一種重要的教育模式。作為一種教育模式，現代遠程教學應該是教師、學生、教學內容、教學媒體四要素的綜合體現，是在WWW環境中展開的教學活動的穩定結構形式。與現代教育一樣,現代遠程教育也應強調培養學生的能力、素質與創造性，要求學生能靈活地掌握知識，其教育理論和學習理論應建立在建構主義基礎上，強調以學為中心的教學模式。該教學活動應重點考慮以下三方面：要在學習過程中充分發揮學生的主動性，要能體現出學生的首創精神；要讓學生有多種機會在不同的情境下去應用他們所學的知識(將知識“外化”)；要讓學生能根據自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方案(實現自我反饋)。以上三點，即發揮首創精神、將知識外化和實現自我反饋可以說是體現以學生為中心的三個要素，是培養現代人才的必備條件。

然而，從目前的遠程課件來看，其網上素材基本分為兩類：靜態與動態。靜態素材一般是將書本、教案等以靜態的形式放于網上；動態素材一般是在靜態素材中出現的一些動畫表現。雖然后者以動畫的形式表現，但并不具備可變性，不能給學生提供真實的情景，很難達到以上的三點要求，即很難保證學生的質量。對于計算機專業來說，學生的大部分能力都是通過實驗得到的，真實的情景是現代遠程教學質量提高的關鍵。基于此,網上實驗已成為遠程教學研究的重要方面，而且已有很多成果出現。ICHIGAN大學為操作系統和高級語言課程建立了網上系統實驗室，其實驗都是基于軟件環境的，不涉及硬件模擬；PURDU大學建立了一種交互式的網上學習環境：學生可在網上做一些簡單的交互式硬件實驗，但由于其代碼是用JAVA語言編寫的，其實驗的復雜度受到一定的限制。然而，對于計算機專業來說，其中很多實驗計算量相當復雜，例如處理器設計、復雜電路設計等，要完成真實的實驗過程，這些計算量在客戶端利用APPLET在執行時間上是難以接受的。

針對目前網上實驗存在的問題，在實驗教學過程中，結合實際情況我們研究設計了《計算機組成原理》虛擬實驗室。從理論上講，《計算機組成原理》虛擬實驗室的研究是對傳統實驗教學模式的一種改革，為打破傳統模式的局限性，提高實驗教學質量，促使實驗教學由實物實驗教學向虛擬實驗教學、遠程虛擬實驗教學發展，提供了最佳解決方法。《計算機組成原理》虛擬實驗室將遠程教育的概念引入到實驗教學之中，結合強大的網絡功能，使得以虛擬現實技術為基礎的網絡虛擬實驗室資源以及虛擬實驗室儀器設備等資源的共享成為可能，它允許人們通過網絡訪問和使用自己沒有的設備資源，使得處于不同地理位置的學習者可以同時對一個實驗項目進行實驗操作，實現用戶信息的協同共享，同時可以及時的接觸到最新的儀器。

在實踐意義上，《計算機組成原理》虛擬實驗室通過網絡設施建設和實驗教育應用功能的開發、通過運用現代先進的計算機技術來改善實驗教學環境，建立與現代信息技術相融合的網絡實驗教學系統，及時更新教學內容，高效率傳播先進的科學技術，普遍提高學生實驗操作能力，從實踐中培養學生的創新能力。項目的研究和實施將極大緩解實驗設備經費、實驗教學人員不足，實驗教學內容更新緩慢等問題。極大提高學生的學習興趣和實驗操作能力，從實踐中培養學生的創新能力，并有助于校際之間、學校與科研院所之間、學校與企業之間及學校與社會之間實驗資源的交流和共享。

二、虛擬實驗室方案研究

摘要:為提高電子實驗室的使用質量及效率，對電子實驗室進行設計。在對電子實驗室現狀進行分析的基礎上，詳細闡述了虛擬儀器電子實驗室的整體結構，以及基本硬件電路和軟件程序的實現路徑，硬件部分通過PCI總線同計算機相連。通過在電子實驗室引入虛擬儀器技術，實現了對實驗環境的有效模擬以及電子測量中電路設計和相關實驗仿真，在提高學生實踐能力的同時節約了教育資金。

關鍵詞:虛擬儀器;虛擬環境;開放型虛擬電子實驗室;電路設計

隨著各行業及高校對學生實踐能力重視程度不斷提高，各高校尤其是工科類院校教學計劃中的實踐教學占比不斷提高，意在通過實踐與理論的有效結合，全面提升學生的綜合能力。實踐教學在提高實踐創新能力方面發揮著重要作用，目前在提高實驗室實驗質量及效率的同時降低投入成本成為高校建設與改革實驗、實訓室的主要目標。快速發展完善的計算機技術及儀器儀表技術，促使傳統儀器向虛擬儀器發展，通過引入虛擬儀器技術及平臺完成虛擬儀器電子實驗室教學系統的設計與應用，已成為高校改革和完善實驗、實訓教學工作的有效手段，建設虛擬儀器電子實驗室的重點在于對構成虛擬儀器設備進行充分運用。

1需求分析

隨著高校招生規模的不斷擴大以及各專業對實驗實訓需求的不斷提高，作為高校教學及課題研究的重要場所，實驗室教學過程對相關測試儀器及設備等的質量及數量要求隨之增加，而通常實驗儀器設備的使用及維護管理成本較高，并且部分設備技術更新速度較快，導致部分高校實驗室硬件資源緊缺問題日益突出。快速發展的虛擬現實技術為電子測量、設計、實驗等領域創新發展提供了技術支撐，在數據存儲、分析及顯示方面虛擬儀器技術具備較大的優勢，虛擬儀器技術通過計算機與儀器硬件間的有效結合，實現了計算機數據處理同現場測量、控制儀器硬件功能的有效結合，在提高儀器性能的同時降低了儀器使用成本，此種儀器模式具備優越的性價比，受到各高校實驗室的青睞，在改造、建設高校實驗室過程中通過虛擬儀器技術的應用可使實驗室的使用及維護成本得到顯著降低。基于虛擬儀器的電子實驗室通過相關軟件的優化與完善，可有效提高高校實驗教學質量［1］。

2虛擬電子實驗室的構建

摘要：高校單片機課程教學存在課堂與實驗脫節、實驗室維護成本高、學生學習效果不高等缺點，在教學改革中有必要引入基于Proteus和Keil技術為核心的虛擬實驗室教學手段。本文簡單介紹單片機虛擬實驗室的構建模式，從教材的選擇、仿真模型的設計、實驗操作的開展、自主性與創新性實驗的探索等方面作出相應的改革，提升了教學質量與效果，得到師生的充分肯定。并列舉教學實例說明。

關鍵詞：單片機；虛擬實驗室；Proteus；Keil

1概述

1.1課程介紹。單片機作為一種最基礎的電氣智能化控制部件，被廣泛應用在數碼控制、汽車制造、通訊、電器電子等方面，大到飛機郵輪，小到空調遙控器。目前單片機有關課程已經是高校信息工程、電氣工程、自動化工程、應用電子技術等專業的一門專業核心課程，該課程注重理論與實踐的綜合培養，強調學生動手能力與創新思維的培養，該課程的開展為培養工程技術人員奠定了良好的理論和實踐基礎[1]。1.2教學改革的必要性。在實際的學習過程中，學生反映這門課程過于抽象、晦澀難懂，理論課程中，僅通過書本與幻燈片無法理解單片機內部結構、框架流程、工作原理；實驗課上，學生只會按照既定步驟，機械的去重復實驗操作，對于其中原理知之甚少，也無法與理論融會貫通。溯其根源，還是因為單片機是一門硬件與軟件、理論與實踐高度結合的課程，需要同時進行學習與驗證。只學習理論，會覺得過于抽象、無法理解；只學習實驗，則變成機械模仿，無法掌握理論知識。同時由于實驗室承載能力與課程學時限制，學生動手操作機會比較有限。再加上實驗室設備的有形損耗（包括老化、故障、誤差過大等）與無形損耗（技術的進步導致設備落后），這都增加了實驗室的運行與維護成本。另外，出于對師生人身安全與設備安全的考慮，課程多為驗證性的實驗，無法開展自主與創新性的實驗。這種情況下，課堂的創新氛圍與學生的興趣也難以提高，最終導致該課程枯燥乏味。為提升教學質量，國內外很多高校都在采用圖形化、仿真模擬與虛擬現實等方法推動虛擬實驗室建設[2]，操作者可以在計算機上模擬真實實驗室條件下的實驗操作，可以更加直觀的了解內部結構、任意變更參數重復實驗、降低成本、提高人身與設備安全性。這項技術已經廣泛運用在機械、電子、物理、化學、醫學等學科。

2核心技術

虛擬實驗室在單片機領域主要包含以下兩個核心技術：2.1Proteus軟件。Proteus是英國LabCenterElectronics公司開發的E－DA程序（仿真軟件），是目前業界技術含量最高、型號最齊全的微控系統仿真平臺軟件。與同類產品相比，Proteus除了具備仿真功能外，還可以實現仿真單片機以及附屬外部設備[3]。該軟件從框架結構設計、參數調試到單片機與外接設備協同仿真，快速轉換到PCB（PrintedCircuitBoard印刷線路板）設計，可以將思路與產品完美銜接。該軟件不僅支持采用PLM（計算機編程語言）、匯編與C語言進行程序開發，同時支持多窗口、多文件編輯，支持兼容市面上常見芯片模型。Proteus主要包括設計圖輸入系統ISIS、動態原件庫、混合仿真器、以及印刷線路板編輯器ARES等。元件庫包括數字與模擬、直流與交流、信號發生器、示波器等多種虛擬設備。Proteus軟件不只是一個單片機的仿真環境，更是一個擁有無窮擴展范圍與創新空間的實驗平臺。在缺乏必要的輸入、輸出、顯示、調試等硬件設備的條件下，依然可以利用該軟件，清晰形象的了解單片機的結構原理、方便快捷的展示實驗過程與結果。既克服了硬件與學時上的困難，又提高了學生的掌握水平，培養了學習興趣，擴展了創新思維。這是過去的“灌輸式”課堂與“模仿式”實驗所無法達到的效果的。2.2Keil軟件。Keil是使用最廣泛的采用C語言的單片機開發軟件，由美國KeilSoftware公司出品。與匯編語言相比，C語言功能強大、結構簡單、可讀性強、維護方便。同時Keil擁有一整套開發程序，包括C語言編譯、宏匯編、項目鏈接、數據運行庫管理以及仿真調試模擬器等等，這些功能都被組合成一個集成開發軟件。該軟件安裝簡單、功能完善、調試準確、工作效率高、生成匯編代碼緊湊、便于理解與糾錯[4]。2.3協同作用。為了建設虛擬實驗室，需要將二者緊密聯系在一起。Proteus不僅支持MCS系列以及派生系列的單片機，同時也支持AVR和PIC核心的單片機。Proteus軟件可采用模擬與數字、直流與交流等數千種元器件，以及數據庫中沒有的型號，也可以根據實驗需求進行創建。這就需要將C語言與匯編語言進行編譯，然后進行軟件與硬件的仿真模擬。解決了這個框架問題后，采用Proteus建設虛擬實驗室就水到渠成了。

快速發展的現代化信息技術促進了高等教育教學的改革、加速了教學模式的多元化發展。虛擬仿真實驗室是一種基于Web技術、虛擬現實技術（VR）構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統［1］，是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。隨著虛擬仿真技術的成熟，虛擬仿真實驗在科學研究、實驗教學中得到了越來越廣泛的應用［2］。自2013年教育部開展了國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作以來，虛擬實驗室建設成為高校實驗教學改革的新方向，虛擬仿真實驗室的開發與應用將會對醫學檢驗技術專業的實驗教學改革產生變革性的影響。

1醫學檢驗技術專業實驗教學的現狀

實驗教學是醫學院校非常重要的實踐性教學環節，在培養學生實際動手能力和創新能力方面有著不可取代的作用。醫學檢驗技術屬于實驗室醫學，十分強調學生的實踐操作能力和儀器操控能力，尤其是隨著科技的進步，檢驗技術及檢驗儀器更是發生著日新月異的變化，這對醫學檢驗技術專業的人才培養提出了更高的要求。而本校醫學檢驗技術專業的實驗教學受儀器設備、實驗內容、場地、師資等多個因素約束、限制，使得本專業的在校生無法得到像臨床檢驗科一樣真實的實踐操作機會［3］。1．1檢驗儀器設備滯后。檢驗科常規使用的全自動分析儀器，由于價格昂貴，使用及維護成本高，因此本校的全自動分析儀器不僅數量少，而且規格陳舊，元器件老化，無法滿足日常實驗，大多數情況僅作為示教使用，使得實驗教學的檢驗儀器設備滯后于臨床，很多的新方法、新技術無法在實驗中展開，實驗項目多以傳統經典、驗證性實驗為主，缺乏對學生創新性思維和能力的培養［4－5］。1．2實驗內容受限。臨床樣本獲取困難，尤其是臨床基礎檢驗學、臨床血液學的形態學資源缺乏，臨床病原微生物學的疑難罕見樣本短缺［6］，導致實驗內容單一、項目陳舊，與臨床實際應用存在明顯的脫節。1．3影響實驗室安全。實驗教學中使用的檢驗標本多來源于人體體液的生物樣品，具有極大的感染性，實驗室存在很大的污染隱患。1．4實驗經費和場地限制。近年來本校醫學檢驗技術專業的招生人數逐年增加，實驗教室少，實驗教師缺乏，即使實驗課采用小班教學，學生也分成4人一組，無法保證每個學生都有操作的機會，學生難免生出偷懶、坐享其成的行為，難以保障教學效果。且常規實驗所需耗材量大，從而造成學校對本專業實驗教學的經費投入巨大。1．5實驗課時不足。醫學檢驗本科由五年制改為四年制，各課程的學時數都在減少，包括實驗學時，勢必造成教學內容減少、教學進度加快、實驗項目壓縮、學生學的不全、學得不精，教學質量難以保證。

2醫學檢驗技術專業構建虛擬仿真實驗室的意義

教育教學改革的著眼點是提升專業人才培養質量。在醫學檢驗教育“五改四”的背景下，傳統的教學方法和教學條件已明顯滯后于當前的人才培養需求，不僅直接影響學校的教學質量，更影響學生未來在社會及行業領域的競爭力。虛擬仿真實驗室的建設和應用，充分發揮學科專業優勢，改造實驗教學手段、革新實驗教學內容、突破實驗教學模式，是探索醫學檢驗技術實驗教學改革的有效途徑。2．1改善實驗教學條件。尤其是價格昂貴、結構復雜的大型、新型儀器可以在虛擬實驗室中全面展現，避免儀器設備的巨額投資和重復添置［7］，降低實驗室儀器設備建設、管理和運行成本，減輕保養維護的工作量［8］，保證了實驗開出率及使用率。有效緩解了實驗教學在經費、場地、器材等方面面臨的困難和壓力，解決了實驗室儀器設備落后、配置不足、試劑耗材浪費、生物安全隱患等傳統實驗教學的不足。2．2改革實驗教學模式。虛擬仿真實驗室開放共享的實驗環境，形象逼真的學習場景，直觀生動的實驗對象，靈活的學習方式，可再現的教學模式［9］，極大地調動學生學習的主動性和積極性，激發學生的學習興趣［10］。虛擬儀器在組建上具有高效性與靈活性，能夠適應測試功能的多樣化，可用表格、圖形快速準確顯示結果，方便教師與學生、學生與學生之間進行互動學習，從而改變了實驗教學模式，有效地提高教學效率和教學質量。2．3培養高素質創新人才。構建具有醫學檢驗特色的虛擬仿真實驗室，模擬檢驗科的工作環境、工作性質和工作方式，讓學生猶如身臨檢驗科，真實地體會到檢驗科的工作模式，能有效地培養學生將所學知識融入臨床工作，促進學生臨床思維能力、臨床操作能力的訓練［11］，實現與臨床無縫對接。教師可利用虛擬仿真系統搭建綜合性、設計性實驗或案例，極大地促進了綜合性、設計性、創新性實驗的開設，活躍學生思維，增強學生動手能力，鍛煉學生獨立思考和設計能力，對培養學生的創新思維及開拓精神起到積極的引導作用，促進醫學檢驗技術專業高素質、創新性人才的培養［12］。

3醫學檢驗虛擬仿真實驗室建設思路與規劃

摘要隨著計算機、網絡技術的不斷發展，網絡虛擬實驗室得到越來越多的應用。介紹了虛擬實驗室的基本特點及其體系結構，實現虛擬實驗室的四種關鍵技術：Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探討了虛擬實驗室開發過程當中應注意的幾個問題。

關鍵詞虛擬實驗室遠程教育現代教育技術

迅速崛起的現代教育技術把虛擬實驗引入到了實驗教學中。虛擬實驗的應用改變了傳統的教育模式，使得教與學方式發生了革命性的變化。目前，用于實驗教學的計算機虛擬實驗軟件非常豐富，加上高校計算機及網絡資源，為虛擬實驗的開設提供了必要的基礎條件。通過網絡虛擬實驗室，能夠通過計算機在網絡中模擬一些實驗現象，它不僅僅能夠提高實驗教學效果，更加重要的是對一些缺乏實驗條件的學生，通過網絡同樣能夠身臨其境地觀察實驗現象，甚至和異地的學生合作進行實驗。

1網絡虛擬實驗室的發展及其特點

網絡虛擬實驗就是在WEB中創建出一個可視化的環境，其中每一個可視化的物體代表一種實驗對象。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬的實驗。網絡虛擬實驗實現的基礎是多媒體計算機技術與網絡技術的結合。無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗。為實驗類課程的教學改革及遠程教育提供了條件和技術支持。許多國內外從事實驗室工作的研究者們在實踐中還提出這樣一些概念：DigitalLab、MBL（Micro-computerBasedLab），盡管這些名詞不統一，但他們的實踐從不同的層面實現了虛擬實驗室。

1．1印地安那州立大學的MBL化學實驗室

【摘要】實驗教學是高校化學教學中的重要環節，近年來，隨著高等教育觀念的更新、手段的改進、計算機化學的興起和化學知識的創新，使計算機模擬化學實驗成為可能。借助計算機模擬手段，可以解決化學實驗教學課時不足的問題，并根據具體實驗操作，盡可能避免直接接觸危險及有毒的化學藥品，減少廢棄物的排放，提高學生的環保意識，從而達到提高學習效率和教學水平的目的。

【關鍵詞】虛擬實驗室計算機模擬多媒體技術

在高等教育實現大眾化的今天，由于眾多主客觀因素制約，國內許多高校教學質量有所下降，特別是在實踐教學中，出現重視課堂理論教學，忽視成本高、難度和質量彈性都較大的實踐教學。在全球競爭高度激烈的時代，市場經濟對人才所具備的創新精神、實踐能力的要求越來越高，如果高校所培養的學生理論基礎與實踐能力脫節，學生將無法立足于當前的市場經濟，因此，加強高校實踐教學工作是我們必須要解決的重要任務。

目前，國家已將培養適應新世紀現代化建設所需要的具有創新精神、實踐能力和創業精神高素質人才列為高等教育戰略工程，這種人才只有通過系列的實踐教學環節才能得到有效的培養。而我校許多學科專業都屬于實踐性較強的應用型專業，如何將學生的創新精神和實踐能力有機結合起來是我們面臨的難題，下面就如何培養提高學生的實踐能力談幾點自己的認識：

我校實驗教學計劃主要設置有無機化學、分析化學、有機化學、儀器分析以及物理化學等實驗課程，實驗教學分散在各門理論課程中，教學主要按照理論課講授的內容順序自成體系，各門實驗教學課程尚未進行整合形成一個科學系統的實驗教學體系，內容存在重復、脫節現象，不利于培養學生的綜合能力；實驗教學內容簡單分散，多為一些驗證性的實驗，實驗內容的深度和廣度也不夠，知識也不能及時得到更新，學生很難將化學知識和操作技能應用到工作中去解決實際問題；實驗的教學手段基本上采用傳統的一塊黑板、一套舊式儀器設備、一本實驗教材，缺乏計算機多媒體和先進儀器等現代化教學手段，教學方法主要是學生課前預習，教師重點講解和指導，學生按實驗指導書“照方抓藥”，進行機械式操作，最后填寫實驗報告，學生缺乏獨立思考和自己設計實驗的能力；實驗教學課時安排偏少，培養學生動手能力的實踐時間不能得到充分保證。

鑒于以上事實，我們認為虛擬實驗室的建設將在一定程度上解決目前存在的問題，有助于培養和鞏固學生掌握實驗基本理論、知識、方法、技能，培養學生發現問題和綜合分析、解決問題能力以及培養學生初步的科學研究能力。其依據在于：化學虛擬實驗室充分利用計算機多媒體的技術，將化學實驗過程中的文、圖、聲像、動畫各種因素有機組合在一起，把一些抽象理論、復雜結構、虛幻情景、跨越時空等因素，通過三維動畫、視頻圖像、虛擬現實等手段形象生動地展現出來，使學生通過多種感官刺激全方位地獲取豐富的信息，學生對實驗過程和實驗現象觀察得很清楚，讓學生在計算機上操作也能達到身臨其境的效果，這樣就可以激發學生的學習興趣，起到良好的教學效果。

【摘要】傳統教學機房存在如下問題：實驗環境搭建復雜，機房管理員需要為每臺機器安裝相應的實驗軟件；實驗課考核困難，給學生布置平時作業時，通常布置相同的題目，很難杜絕學生之間互相抄襲的現象；機房成本高、利用率低，部署實驗室機房需要采購大量計算機和網絡設備，機房設備的維護也耗費工作量。本文研究了面向計算機實驗教學的虛擬化技術，在在線虛擬實驗室中通過Linux的虛擬化技術，為每個學生在服務器端創建獨享的實驗環境，教師在服務器端安裝實驗軟件和實驗數據，只需要在服務器端配置一次實驗環境，即可被所有的學生共享，從而大大地簡化了實驗機房的管理。

【關鍵詞】在線實驗室；虛擬化；Linux操作系統

在傳統的教學機房中進行實驗教學面臨實驗環境搭建復雜、機房利用率低等問題。本文研究面向計算機專業實驗教學的在線虛擬實驗室建設，解決傳統機房教學的易用性問題。教師只需要在服務器端配置一次即可為所有學生提供相應的實驗環境，在客戶端無須安裝實驗軟件，學生使用瀏覽器即可訪問自己的實驗環境。

1在線虛擬實驗室要解決的問題

計算機類課程是實踐性很強的課程，在機房進行教學，學生可以及時上機嘗試操作、消化所學內容，能夠取得良好的教學效果。然而，傳統機房教學存在如下弊端。（1）傳統實驗課實驗環境搭建復雜。在傳統的實驗教學中，機房管理員需要為每臺機器安裝相應的實驗軟件，教師需要將實驗包（包括文檔、實驗數據）分發給學生，學生在實驗前需要手動配置自己的實驗環境[1]。某些實驗的實驗環境搭建尤其復雜，例如大數據實驗，需要為每個學生分配多臺機器，實驗數據的大小可能超過1GB，Hadoop配置較為復雜。（2）傳統實驗課考核困難。在傳統實驗教學中，教師給學生布置平時作業時，通常布置相同的題目，很難杜絕學生之間互相抄襲的現象；在最后的課程考核中，如果采用上機考核，無論是分發考試實驗環境還是收取考試題目，都很復雜。（3）傳統實驗機房成本高、利用率低。部署實驗室機房需要采購大量計算機和網絡設備，機房設備的維護也消耗很多工作量[2]。本文研究面向計算機專業實驗教學的在線虛擬實驗室建設，解決傳統機房教學面臨的諸多問題。在線虛擬實驗室通過Linux的虛擬化技術，為每個學生在服務器端創建獨享的實驗環境，教師在服務器端安裝實驗軟件和實驗數據，只需要在服務器端配置一次實驗環境，即可被所有的學生共享，從而大大簡化了機房管理工作。學生的實驗數據全部保存在服務器端，可以隨時隨地登錄系統繼續實驗，不需要每次實驗前再進行一次環境配置。使用在線虛擬實驗室，教師在服務器端可以為每個學生布置不同的實驗題目，在一定程度上避免了互相抄襲。在最后的上機考核中，教師不再需要分發考試實驗環境，還可以直接在服務器端收取考試結果，簡化了實驗考核的工作量。使用在線虛擬實驗室無須采購大量硬件，資源的利用率更高，一臺服務器可以服務約100臺虛擬機，滿足相應數量學生實驗需要；虛擬實驗室運維工作可在網頁上通過點擊鼠標完成，快捷方便。傳統教學機房與在線虛擬實驗室的優劣勢總結如表1所示。

2國內外現狀對比

1虛擬實驗室簡介

虛擬實驗是依托“虛擬現實”技術產生和發展的一種實驗模式，利用計算機及仿真軟件來模擬實驗環境及過程，學生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統的實物實驗。虛擬實驗一般通過虛擬實驗室進行。虛擬實驗室是由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統，包括虛擬實驗室環境、相關實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等，是一個基于網絡的實驗教學、技術交流、共同研究、協同工作的平臺。虛擬實驗室最早由美國弗吉尼亞大學的威廉•沃爾夫教授于1989年提出，被稱為“無墻的研究中心”。虛擬實驗室具有傳統實驗室無法比擬的特點，如資源共享性、互動操作性、用戶自主性、安全性等，并且可以有效地減少實驗設備購置經費和實驗學時。隨著虛擬實驗技術的成熟，虛擬實驗室在教育領域得到了越來越廣泛的應用［8］。

2機械設計虛擬實驗室

以“CAXA實體設計”和“CAXA－EB”軟件系統為依托，利用VisualBasic6．0和C/C++開發了機械設計虛擬實驗室(見圖1)，包括三維虛擬實驗環境和二維虛擬實驗環境，可進行機構運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等11個機械設計虛擬實驗。學員可利用虛擬實驗室進行實驗，完成并提交實驗報告，教師可利用該平臺查閱批改實驗報告。機械設計虛擬實驗室由服務器端核心處理模塊、客戶端實時運算模塊、用戶管理模塊、機構庫模塊、零件庫模塊等七大模塊組成。其中，機構庫包含40多個常用機構，零件庫包含80多個常用零件，標準符號庫由100多個常用標準符號組成，在線幫助信息庫有近5萬字的在線幫助信息［9－10］。目前機械設計虛擬實驗室已在全軍院校推廣使用。近幾年的教學應用表明，機械設計虛擬實驗可部分取代實物實驗，某些傳統實驗如簡圖測繪、齒廓范成等可利用虛擬實驗室獨立完成;同時，虛擬實驗室大大擴展了原有實驗內容，增加了機構改進設計、軸的設計、連桿機構的設計等綜合性和設計性實驗，并且實驗室為開放性環境，實驗內容還可根據需要繼續擴充;另外，虛擬實驗室是實物實驗和課堂教學的有力補充，連桿機構的基本形式和演化等實驗內容對進一步理解和鞏固課堂知識具有重要作用，通過虛擬實驗還可進行一些實物實驗很難實現的實驗，如齒廓范成原理實驗，傳統的范成儀只能加工兩種參數的齒輪，而利用虛擬實驗室可以任意設置加工參數。又如軸的設計實驗，可實時設計、實時修改，并及時觀測設計結果。虛擬實驗室有效拓展了課內實驗的時間和空間，在提高課程教學效果和實驗教學質量及培養學生工程實踐能力方面，起到了非常重要的作用。

3虛擬實驗室在課程教學中的作用

機械設計虛擬實驗室具備強大的模擬實驗和相關輔助功能，對課程教學和能力培養具有非常重要的作用。

計算機教學除了課堂理論教學,還有大量的實驗教學,實驗教學是教學活動的重要環節,實驗教學和課堂理論教學相輔相成。實驗室主要對課程的理論作出科學驗證或展開演繹,讓學生加深對理論的認識,同時通過實驗培養學生的創新意識和科學嚴謹的作風。但從目前情況來看,很多學校安排了較多的驗證性實驗、演示性實驗,而讓學生唱主角、自己動手的實驗開設很少。因此,在不同程度上影響到學生動手能力的培養,尤其是在硬件動手能力方面。為了提高實驗的教學效果,提高學生的專業實踐能力,鑒于目前學校建有校園網并接入互聯網的情況,行之有效的方法是建立專業的網絡虛擬實驗室系統。

一、網絡虛擬實驗室的建立

1.虛擬現實技術

虛擬現實VR(VirtualReality)是近幾年來信息技術迅速發展的產物,畢業論文是一門在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術和傳感技術的基礎上發展起來的交叉學科。其基本方法和目標是集成并利用高性能的計算機軟硬件及各類傳感器創建一個使參與者處于身臨其境的、具有完善的交互能力、能幫助和啟發構思的信息環境,即讓用戶在人工合成的環境里獲得角色的體驗。

虛擬現實具有三個基本特征。沉浸性,是指觀察者對虛擬世界的情感反映,這種感覺能使用戶全方位地投入這個虛擬世界,這是虛擬現實的首要特征。交互性,是指虛擬現實是一個開放的環境,能對用戶的輸入作出響應,并能通過監控裝置來影響用戶和被用戶影響。想象性,是指虛擬現實不僅是一個媒體、一個高級用戶界面,還是一個應用系統,它以生動形象的形式反映設計者的思想。虛擬現實的三個基本特征強調了人在這個系統中的主導作用。虛擬現實系統按其功能不同,可以分為三種類型:沉浸式虛擬現實系統、桌面式虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統。其中,桌面式虛擬現實系統是運用軟件編程方法在顯示器上顯示三維場景,用戶通過鍵盤、鼠標等設備與虛擬場景交互,它的特點是結構簡單、成本較低,易于推廣。

2.網絡虛擬實驗室