基于网络平台的虚拟实验系统的设计与实现

【摘要】基于网络平台的虚拟实验系统就是从所建构的虚拟网络平台入手，对电类各门课程的实验、实训进行了系统的设计，达到远程控制实验、实训及设计的目的；所采用的方法是学生在线登录系统，按实验、实训项目从领料、连线、实验操作及实验结果记录等全部过程由网络平台监控完成，且还配以相应的测试系统；这样的结果解决了远程教学中由于实验条件不平衡代来的教学难度瓶颈；网络平台在完善实验、实训的前提下，将进一步推广到部分毕业设计中。

【关键词】网络平台 虚拟实验 三维界面 测试系统

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）41-0254-02

0引言

远程教育在国内外已经开展了几十年，从最初的电视、广播教学到目前的网络平台教学，技术手段日趋成熟。目前，不仅远程教育借助于网络平台教学，所有的教育系统都或多或少的使用网络平台进行教学，然而在远程教育中最突出的矛盾就是实践性环节，由于资源不足，且跟不上科技的发展速度，不仅实验设备参差不齐，实验效果和监控手段也不够完善。作者在90年代中期已开始尝试用虚拟实验软件进行教学，但由于没有网络的支撑，只能在小范围内容进行教学。随着网上教育的广泛应用，基于网络的虚拟实验的研究逐渐被人们关注。虚拟实验是现代创新教育的重要手段，是实现教学资源共享与优化配置的重要方式。虚拟现实技术在教育领域有最广泛的应用前景。随着科技的不断发展，基于网络的虚拟实验教学已在各类学校开展起来。2015年教育部首次批准了100个国家级虚拟仿真实验教学中心。可见虚拟实验在教学中的地位越来越重要。

网上远程虚拟试验系统的建设是现代创新教育的重要手段，是实现教学资源共享与优化配置的重要方式。借助于飞速发展的网络技术、现代通信技术和信息处理技术，网上虚拟实验可以有效地利用各种教育资源优势，优化资源配置，实现教育资源利用最大化。

本文所研究的是一个基于网络平台的虚拟教学系统，主要用于远程教学系统中的实践环节，不仅仅完成电类的各种实验，而且还可进行课程设计和部分毕业设计的操作。本系统的主要特色有：

（1）易学易懂的教学过程。与单纯的虚拟实验系统不同，基于网络平台的虚拟教学系统是一种集教学、实践、管理于一体的完整实践教学系统，学生按账号登录后，可以先从选中的实验项目开始进行理论复习，实验过程由网络教师以三维动画的形式进行视频教学，对操作过程及关键步骤进行详细讲解；（2）强大的管理系统。在基于网络平台的虚拟教学系统中，学生进行实验操作时从数据库中领料开始，从易到难搭建电路，并逐步进行测试，每一个步骤都由网络教师进行监控，并以文字进行提示，完成实验后提交实验结果，由网络教师根据实验进行批改；（3）灵活的更新手段，教师可在基于网络平台的虚拟教学系统中随时更新授课内容，并给学生布置阶段性测验，积极吸收与时俱进的新技术和新资源，在最短时间内更新实验项目和内容。

1.系统平台的总体设计

实践性环节的教学主要是帮助学生理解课堂上的理论知识、培养动手能力的重要手段。传统的实践性环节的教学往往局限于实验室内，在时间和空间上对学生有所限制，同时也跟不上科技发展的步伐，现有的实验设备不能及时更新，教师指导的时间和精力都有限等等。这些都限制了学生动手能力和自主学习能力的提高。

虚拟实验系统网络平台的登录界面如图1所示，登录身份分为4种，每一种身份注册后由后台管理员激活账号，其中平台用户可为非在校师生的临时用户，所享有的权限有限。学生注册一律按入学学号和姓名注册，以便统一管理，如统一进行阶段性测试和布置实验任务等。

系统总体设计如图2所示。图中除第二个模块内容必须要按照箭头指的方向走以外，其余2个模块内容都是可以独立操作的。这为组织相应资源和创新带了巨大的空间。

2.三大模块的运行

2.1教学模块功能

教学模块功能是网络虚拟实验平台的核心部分，该模块的作用一是设计教师要组织实验、实训的具体内容，从理论指导开始，该部分的理论指导不同于教材中从基本概念到公式建立和应用的过程，而是直接针对要做的实训内容将理论部分的精华在此进行总结，同时用三维视频的方式演示实训中的实验过程，从对着原理图开始领料，将元件插在接线板上，学生通过移动看到的是真实的印刷电路板，即使在视频教学过程中，学生也可以随时翻动画面查看正面插件、反面接线的过程，如图3所示。由图可见教学模块由三部分组成：最左边是实训项目列表，中间部分是原理图和文字介绍，最右边部分是三维视频动画，声、图、文并茂。这在很大程度上解决了远程教育中师资力量缺乏，通过远程实训教学平台，可以使成千上万的学生非实时进行学习，还能详细的看到实训操作的全部过程，起到了费省效宏的作用。

该模块的最大特色有：

（1）具有理论和实践相结合的融通性；（2）界面操作灵活，学生可以任意滑动、暂停、结束播放过程，对难点内容进行反复播放；（3）网络平台播放动画往往由于文件大对网速和机型要求较高，因此在校园网外无法访问三维动画或视频，而本系统采用特殊制作，三维动画文件非常小，在网速较慢和机型配置较低的情况下播放流畅，翻转自如。（4）每一位注册教师均可根据当地学生的实际情况独立设置一套在线教学体系，灵活进行实时备课、授课、调整实训内容以及网上答疑等操作，而对整个系统的运行、操作及其他注册教师的授课内容不会有任何影响。

2.2实训模块功能

实训模块中主要是给学生提供实际操作的环境，学生根据任务列表或注册教师提供的任务完成实训操作的全过程。该模块中仍然为不熟悉实训原理和过程的学生提供了实训的理论知识要点，实训的原理图随时可以调用。设备和元件均为三维形式，与真实元件和设备非常相像，以便留给学员有一个真实环境的印象。在实际操作过程中，发现学生最不容易通过的是领料环节，对一个中等复杂的电路而言，元件和设备多达几十种，每一种元件和设备必须严格按照电路图上的标示、型号和参数对等才能领料成功，因此，对元件和设备不熟悉的学员将反复调用授课模块中的三维动画进行学习才能通过这一关。连线过程由于是在插件电路板的反面，看不见电路的布局，因此方向和节点错误也是最常见的。对中等以上复杂的电路连线完成接通电源后几乎没有一个是一次性通过的，均要进行反复修改，才能使电路正常工作。我们发现，在网上进行虚拟实验操作所花费的时间比实际操作所花費的时间要长，那是因为学员不是在真实环境中操作，旁边没有教师随时提醒错误环节，错误问题出现往往是接通电源后现象不正常才发现，需要自己从头理清思路，检查连线才能找到出错的地方，但一旦找到问题所在，得到的收获远大于真实环境完成实训的收获。能力提高也更快。endprint

学员操作流程如图4所示

2.3 管理模块功能

本网络平台虚拟实验系统与其他独立环境下的虚拟实验相比主要体现在其强大的功能上，远程教育对网络平台的使用驾轻就熟，学员也习惯在网上进行学习、操作，现将虚拟实验系统架构在平台上，学生只要按学号登录，就直接可以进入到虚拟实验的操作环境中。该系统实际是集理论教学、实践教学、及强大的管理功能于一体的独立完整体系，是理论与实践相结合的最好的交互操作环境。

该系统的管理模块分为3大类，教学管理、实训管理和测试管理。教学管理中教师身份可以更新授课内容，将最新的知识和最先进的技术补充到授课内容中去，同时开发新的实验内容，建立新的实践性环节的项目。

备课系统特色：选择平台理论目录、选择平台实训目录、选择平台练习测试目录、选择我的PPT模板、选择我的项目模板应用。教师的身份是实训环节的核心和设计师，在组织一次实训项目时，要考虑远程教学中学生掌握知识的层次参差不齐，而要做到让绝大多数学生通过实训项目，就必须做好充分的学习支持服务所需要的资源，因此，就涉及到教师在备课的时候选择什么方式来组织教学和进行实训环节的顺利开展。这是一个创新的过程，给教师的教学设计和教学方法代来巨大的空间，目前各个行业都在提倡创新和改革，教育理应走在前列。

实训管理主要是管理学生实验、实训项目，监控学生从领料、插件和连线以及测试结果的全过程，如果其中出现错误，网络教师将及时提醒错误，提醒学生在制作过程中加以修改。

测试管理：一般系统中，服务器设置的考试时间通常题默认为5～10分钟，超时就传不上去，因此在服务器控制程序conn.asp中，将程序加入了如下的命令设置来控制考试时间和日期的有效性，以保证在长时间内考题不失效：

Session.Timeout = 144000

Response.Cookies（"SessionID"）.Expires=date+36500

DbName ="./database/exam.mdb"

Set Conn=Server.CreateObject（"ADODB.CONNECTION"）

ConnStr="DBQ="+Server.Mappath（DbName）+"；DefaultDir

=；DRIVER={Microsoft Access Driver （*.mdb）}；"

Conn.Open ConnStr

试卷生成有两种方案，一种是由教师自己命题发给学生进行测试；另一种是按章节或知识点建立题库，在确定内容和分数的前提下，由计算机随机配题，每个考生所抽的题可完全不同，以避免考试雷同；另外系统还根据远程教学的特殊性，解决了考生同时点击某一答案时造成服务器死机的现象，解决了10万人次同时点击某答案时不死机的问题。

3.结语

四川广播电视大学基于网络系统平台的虚拟实验系统的开发，为电类各专业实践性环节提供了新型的教学手段。本文主要阐述了系统的总体结构、平台运行模式、实际操作过程的演示。分别从网络教师授课、学生实训操作和后台管理等过程进行了介绍。不但解决了远程教学中难以突破的实践环节教学的瓶颈，充分实现了实践教学在时间和空间的延伸，还为学生提供了一个强大的虚拟实验实训基地。本系统自运行以来，已经过几轮应用，受到广大师生一致好评，系统也在不断的完善中。基于网络系统平台的虚拟实验系统的开发，使我校实训项目不但应用于理工类部分专业，还新推出了文经类的实训项目，且正在逐步推进部分毕业设计在系统中完成。

參考文献：

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[5]张欢，朱善安.基于MVC架构的电工电子网络实验室的B/S[J].机电工程，2013，30（9）：1159-1163

作者简介：

冯乃光（1962.07-），女，汉族，重庆市人，本科，四川广播电视大学工程技术学院教授，主要研究方向为电子及计算机。endprint