?远程电子虚拟培训系统研究与开发

张英 周涛

摘  要 针对传统职工培训教学的各种制约和弊端，依据电子类课程培训教学要求，提出基于互联网技术和虛拟仪器技术搭建远程电子虚拟培训系统的设计及开发方案。系统经过测试，可以实现远程访问和操控虚拟项目的目标，提高职工培训教学的伸缩性和适应性。

关键词 虚拟仪器;组网模式;职工培训;远程电子虚拟培训系统;LabVIEW;虚拟实验室

中图分类号：TP391.9    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）18-0026-03

1 引言

现代企业随着生产工艺的不断改进，生产过程自动化程度不断提高，对企业职工的职业技能提出更高的要求。职工职业技能的提高主要依靠企业的培训体系。然而，传统的企业培训模式存在诸多不足，主要表现在以下几个方面。

1）培训经费投入不足。根据对282家国有企业的调查，职工培训经费投入只有工资总额的2.2%，远低于发达国家10%～15%的水平，制约了职工培训工作的深入开展。

2）培训模式单一，多以课堂讲授为主，偏重于知识的灌输和书本学习，难以激发受训职工的学习兴趣;在内容安排上对技能培训关注不够，培训效果不佳。

3）工学矛盾突出，培训时间难以协调。当工作与培训在时间上发生冲突时，往往培训让位于工作，使培训流于形式。

4）受师资、时间、空间等客观条件限制，培训受众少，培训效率低。

由于传统企业培训模式存在上述缺点，因此有必要进行培训教学模式的改革，探讨科学的培训教学策略，探索新型培训教学方法。远程虚拟培训系统不仅提供了一种新型的远程培训教学模式，而且给学员提供了一种全新的学习环境，在改进传统培训教学方法、实现教育资源共享、提高培训教学水平和节约资金等方面具有重要的作用和意义[1]。

2 技术背景——虚拟实验室

网络化的虚拟实验室实际是一个资源共享的综合各种技术和工具的信息平台，通过网络，使用者在这个平台上可以高效地使用分布在不同地方的相关实验的各种信息化的资源[2]。1999年，联合国教科文组织将虚拟实验室定义为：为实现科学研究或其他创新活动，利用分布式通信技术产生并发布结果的不受空间限制的信息体。虚拟实验室已经发展了20多年，涉及生物工程、人工智能、生命科学、数学和物理等工业、教育领域，应用前景广阔，发展日渐成熟。

远程虚拟实验室在国外十分普及，其代表性成果有：美国休斯敦大学和美国航天局合作开发了虚拟现实宇航训练系统;麻省理工学院将远程虚拟实验和远程控制实验有机地结合，已经开发出多个远程共享实验室;埃及的法尤姆大学和巴林大学联合开发了FPGA远程实验系统。

近年来，国内远程虚拟实验室的建设迅速发展，许多高校和科研机构逐步开发出一定规模的虚拟实验系统，比较著名的有：浙江大学研制了基于网络的工程化学实验室系统;大连理工大学电气工程学院与麻省理工学院合作开发了远程虚拟实验系统;同济大学建筑学院采用高端的虚拟现实设备，开发了虚拟建筑实验室。

从国内外发展状况可以看出，远程虚拟实验室在各个领域都有很好的应用性、研究性和可行性。

3 系统研究的意义和目标

远程虚拟培训系统融合了虚拟仪器技术和计算机网络通信技术，学员可以通过互联网在直观的人机交互的环境中反复操作，完成各种预定的培训项目，提供与实物的操作方法相类似的实践体验。远程虚拟操作与传统的实际硬件操作相比，主要优点包括：提供自主的开放操作空间，有利于学员创新能力的培养;突破时间和空间的限制，使学员可以灵活方便地参与操作;可以模拟实际上难以实施或实施成本高、破坏性强的实验;理论教学与实践教学可以同步实施，可以有效地提高教学质量;投入资金少、损耗小，能够有效地降低实验成本，缓解实验设备的不足;器件装配容易，拆除方便，实验过程效率高，可降低实验设备的维护强度;实验项目适应性强，易于扩展，生命周期长。

本文的主要目标是依据电子类课程职工培训教学要求，利用互联网技术，搭建一个基于虚拟仪器技术的远程电子虚拟培训系统。将开发的电子虚拟培训项目放入建立的网站上，远程用户通过网络浏览器登录网站，首先选择要进行的培训项目，其次进行相应的培训项目操作，然后观察现象并记录数据，最后完成培训项目操作后提交报告，旨在为学员提供一种既经济方便又可以满足学员自操自训的需求，有效提高学员职业技能水平的信息化教学手段。

4 方案设计

开发远程虚拟培训系统主要解决虚拟培训项目设计、远程通信方式选择和网站培训课程管理三方面的问题。首先在深入了解虚拟仪器技术的基础上，采用图形化编程软件LabVIEW作为开发工具设计虚拟培训项目;其次分析比较C/S和B/S两种组网模式，确定系统的网络通信模式;然后利用LabVIEW提供的Web服务器技术实现远程通信;最后采用Moodle软件设计远程虚拟培训系统的网站课程管理系统。最终实现从教师安排培训项目到学员自主选择培训项目、远程操控培训项目、提交培训作业，再到教师批改培训作业并反馈给学员作业成绩和评语的完整培训教学过程。

虚拟培训项目的开发  LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instruments，NI）推出的虚拟仪器开发平台软件[3]。使用LabVIEW开发出来的程序叫虚拟仪器（Virtual Instrument），缩写为VI，其扩展名默认为.vi。一个最基本的VI由前面板、程序框图和图标/连接器三个部分组成。LabVIEW最主要的两个特点是采用图形化编程和数据流驱动程序，利用图形组建直观的人机交互界面，用图标表示函数，用连线表示数据流向，多线程运行程序。目前，LabVIEW可支持Windows、UNIX、Linux、Macintosh等操作系统，广泛应用于开发测试、测量与自动化控制系统，所以利用LabVIEW可方便地搭建自己的虚拟培训系统。

依据此技术，笔者已经开发出电子类专业课中的一些虚拟培训项目，包括触发器、移位寄存器、計数器、谐振电路、二阶动态电路、有源滤波电路、积分微分器、信号发生器、信号分析仪等。

组网模式的选择和实现  远程虚拟培训系统可采用基于C/S（Client/Server）模式和B/S（Browser/Server）模式的两种网络模型来组建：对于数据传送量较大，要求可靠完整的传输数据、传输速率高、兼容性强的情况，可以采用C/S组网模式[4];而B/S组网模式适用于传输数据量小，传输延迟要求不高，需要远程模拟仿真的场合。

采用B/S组网模式，降低了对客户端的要求，并且不需要在客户端上安装专用的客户端软件，只要客户端装上浏览器，就可实现对服务器端远程数据的监测。由于本文所开发的电子虚拟培训系统是通过LabVIEW软件模拟实验过程，传输数据量小，实时性要求不高，因此决定采用基于B/S的网络通信模式。

采用B/S模式构成的远程电子虚拟培训系统有三层体系结构：浏览器/Web服务器/应用程序服务器和数据库服务器。它是将虚拟培训项目的前面板发布到Web页面上，以浏览器/服务器的方式实现网络数据、命令传输，用LabVIEW虚拟仪器实现相关项目的显示与分析，最终通过Web服务器与应用程序服务器的交互来实现相关项目的操作与控制需求。采用B/S这种组网模式，学员只需要通过客户端的浏览器登录Web服务器，向Web服务器申请控制权后即可完成培训项目的操控;同时，教师可随时根据培训教学的需要，更新应用程序服务器上的虚拟培训项目，便于后期的管理和维护，使系统具有良好的灵活性、适应性和扩展性。

远程网站管理系统的建设  为了增强远程电子虚拟培训系统的可学习性，同时便于管理培训课程资源，本文采用Moodle软件搭建远程电子虚拟培训系统的课程管理网站，将虚拟培训项目利用Web发布的HTML文件的网址URL作为培训课程的一部分资源链接到网站中。学员登录到网站上，找到相应课程的培训项目后就可以进行远程操作，网站培训项目如图1所示。Moodle平台是用PHP脚本语言编写的动态网站程序，需要Apache、PHP和MySQL的支持[5]。Apache是一个Web服务器，提供WWW服务;MySQL是一个数据库服务器，提供数据管理功能;PHP是多数开源软件采用的开发语言及运行环境。由于Windows具有操作方便易用、界面友好、软件丰富等优点，因此选择Windows Server 2003 R2作为服务器操作系统。本文的Moodle平台运行的环境为Windows+Apache+MySQL+PHP，使用适用于Windows的集成化安装包bitnami-moodle-2.7.1-0-windows-installer

来搭建Moodle的工作环境[6]。网站课程管理系统主要功能有管理员角色的网站管理、学员角色的学习管理和教师角色的课程管理三大部分，各部分的主要功能如图2所示。

5 结语

利用计算机网络技术结合虚拟仪器技术开发的远程电子虚拟培训系统具有灵活性、开放性，教师可及时更新培训项目，保持培训项目的最佳适应性，又可满足学员不受时间、地点限制的自主学习方式，使学员的个性化学习成为可能。远程虚拟培训系统不仅可以在一定程度上代替传统的培训教学，而且可以克服传统职工培训教学模式的各种制约和弊端，从而有效地解决目前职工培训教学中存在的诸多问题。

参考文献

[1]张民.远程虚拟实验平台及LabVIEW实验研究[D].太原：太原理工大学，2010.

[2]谌志群，曾文华，丁颖.基于Web的虚拟实验系统研究与实现[J].杭州电子工业学院学报，2002（6）：53-56.

[3]火元莲，张洁英.基于虚拟仪器技术的数字信号处理实验室的构建[J].自动化与仪器仪表，2009（1）：89-91.

[4]景军锋，聂鲁华，李鹏飞.基于LabVIEW的远程控制实验系统[EB/OL].[2010-05-05].http：//www.chinaaet.com/article/22569.

[5]潘山青，王琴.浅谈Moodle在高校实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2009，26（10）：90-93.

[6]刘艳青.基于Moodle的网络课程管理平台的设计与应用研究[J].电脑知识与技术，2011，7（22）：5513-5514.