基于Web技术的虚拟实验平台开发与实现

孙澄宇 于军 鲁志海

1.吉林化工学院;2.山东京博控股集团有限公司

虚拟实验技术因其具有交互性,直观性、趣味性等优点在教育领域不断被应用。本文利用Web技术设计开发了基于B/S基本框架的远程虚拟实验系统,系统采用模块化功能设计方法,利用Lab VIEW软件仿真实现数据传输,使实验教学脱离了时间和空间的限制。设计完成后,利用平台进行了模拟电路实验测试,验证其方案的可行性,并通过测试对比分析了虚拟实验的教学效果。

0 引言

实验室是学生获取知识的重要场所,而实验教学则是对理论知识再理解和再深化的过程,是提高学生动手能力、培养创新精神和综合素质的一个有效手段。近年来,随着高校规模增加以及人才培养模式改革,传统实验室教学中存在的问题也日益凸显,已经难以满足教学需要。为突破当前教学中存在困局、强化教学中的薄弱环节,一些高校开始着力寻求和拓展新的教学途径[1-3]。网络及虚拟技术的发展,给学校优化教学资源、缓解教师压力带来新的教学手段,也给虚拟实验室的建设提供契机。

1 高校虚拟实验室概述

1.1 虚拟实验室的内涵

虚拟实验室是以Web网络数据共享技术为依托,利用虚拟仪器构建的实验平台。该系统可以真实模拟出实验设备及场景,学生可利用虚拟仪器替代传统实验仪器,在虚拟场景中进行操作与控制,达到实验学习的目的。虚拟实验室无需依赖硬件实验设备,是一种由用户界面、模块化仪器、计算机硬件资源组成的具有数据分析功能的操控系统。

1.2 建设虚拟实验室的必要性

1.2.1 拓展教学手段的需要

传统实验教学拘泥于课堂,往往采用教师演示,学生观看的教学方法,动手能力受到束缚,理解不深,创造性不强,学生学习积极性不高。虚拟实验室可以使教师和学生摆脱时间和空间上的限制,随时随地通过Web网络进行学习和实验,可以提高学生的学习效率和学习积极性,提升自身学习和创造能力。

1.2.2 优化整合教学资源的需要

随着当前各高校的不断扩招,教师数量与学生数量相差越来越大,有限的教学资源渐渐无法满足教学要求,有的学校甚至没有实验条件,只能提供给学生基本的理论知识,与培养具有实用型人才的理念相背离。虚拟实验教学可以利用虚拟仪器代替实际设备,不仅能用更为灵活的教学模式圆满完成课程教学的内容,还能缓解学样在资源、场地等方面的困境。另外,虚拟实验教学还能实现不同院校之间的资源共享,合理利用和优化资源,避免资源重建造成的浪费,减少经费支出。

1.3 虚拟实验室的特征和优势

与传统实验室教学相比,虚拟实验具有很多优势[4],具体如表1所示。

表1 虚拟实验与传统实验的区别Tab.1 The difference between virtual experiment and traditional experiment

由此可见,虚拟实验室不仅能降低实验成本,还能突破传统实验的束缚,提高教学直观性和有效性, 带给学生全新的学习体验过程,提高学生学习的主动性、积极性和创造性,提升整体的教学质量。但就目前虚拟实验室的建设和使用来看,部分学校重程度还比较低,利用率不高。另外,还存在不同学校重复建设的情况,共享和专业融合程度低,资源浪费严重,不能实现优势互补。因此除了教学理念的转变外,还要大力提高虚拟实验教学效果,使学生和教师认清虚拟实验的重要性。

2 基于Web技术的虚拟实验平台开发

2.1 虚拟实验室的框架结构

根据本单位实际设计本于Web的虚拟实验平台,平台为B/S三层结构,如图1所示。在用户进行实验操作时,首先通过Web 服务器发送登陆申请,验证通过后登陆虚拟实验系统。然后用户通过人机交互界面选择虚拟仪器,按照实验步骤开始具体操作,实验完成后平台可将分析结果反馈到Web服务器,最后在用户端进行展示,让学生查看实验效果。

图1 虚拟实验室的框架结构Fig.1 The frame structure of the virtual laboratory

2.2 Lab VIEW软件介绍

Lab VIEW是一种基于数据流和面向对象的图形化编程软件,可实现数据采集、仪表显示和程序控制等功能,所开发的模型称为虚拟仪器,因此非常适合开发虚拟实验平台[5-6]。Lab VIEW采用流程框图代替代码进行编程,能高度模拟实际仪器的外形与操作方式,并可通过连接功能模块使多个数据通道实现同步操作。Lab VIEW程序由界面和程序框图两部分组成,界面指的是在程序的前面板,作用是放置控制按钮和显示控件,等同于传统实验设备的外部按钮[7]。程序框图相当于程序的后台,是虚拟实验的核心,是用于控制前面板中的对象的程序的源代码,与传统实验设备的内部功能相同,不同之处在于程序框图能依据实验要求进行实时调整。

2.3 虚拟实验平台开发流程

(1)确定方案,设计界面。首先按照设定好的实验内容设计实验方案,选择需要用到的实验器材,选择连接通道与各输入输出控件。然后设定实验参数,为各器材和插件赋值。

(2)设计程序框图。根据实验具体需求,选用所需的程序函数和逻辑结构,将界面中的设备进行连接,并对设定的参数进行分析处理,得出实验结果,形成一个完整的程序框图编程。

(3)运行和调试。运行设计好的程序框图,进行实验分析,并对运行中出现的错误进行改正、优化及调试,直到得出正确结论。

2.4 虚拟实验室功能设计

2.4.1 用户登录

登录是用户进入实验平台的主界面,用户按照用户名、密码、身份信息进行验证,当输入信息与数据库内的个人信息完全匹配时显示登录成功。以学生用户为例,当通过身份验证后,进入用户界面。主要分为模拟电路、数字电路、电路基本理论以及实验成绩查看等模块,如图2所示。

图2 用户界面Fig.2 User interface

2.4.2 实验模块设计

以模拟电路模块为例,其中包括单管放大电路、RC振荡电路以及半波整流电路,其程序框图如图3所示[8]。

图3 模拟电路程序框图Fig.3 Block diagram of analog circuit

3 教学效果测试

为研究虚拟实验教学的学习效果,学校中选择知识程度相似的A、B两个学生班组进行对照测试,每组20名学生。其中A组在传统实验室中进行实验教学,B组则利用所开发的虚拟实验平台进行学习。学习周期为10学时。学习完成后,采用相同考核办法对两组学生进行学习效果检验。成绩结果如表2所示。

表2 不同教学方式成绩对比Tab.2 Comparison of achievements in different teaching methods

测试结果表明,采用虚拟实验教学的学生平均分数为91分,比传统实验室教学方式提高了11%左右;另外,采用虚拟实验教学的学生及格率为95%,比传统实验室教学方式提高了12%左右,由此可见,虚拟实验室教学可有效提高学生的学习成绩,具有更好的教学效果,本虚拟实验平台合理、有效。

4 结论

基于Web的虚拟实验室是利用虚拟设备和虚拟操作环境进行实验教学的网络平台,不仅可以为学校优化教学资源、缓解资金和教师缺乏等问题压力,还为高校实验教学拓展了新的教学途径。通过虚拟实验学习,学生可以自由支配自己的学习时间,提高了学习的主动性和积极性。通过实际测试结果表明,采用虚拟实验平台有效提高学生的学习成绩,与传统实验室教学相比,具有更好的教学效果。

引用

[1] 张建华,肖中正.高校智慧实验室资源融合治理与共享机制研究[J].信息记录材料,2021,22(3):208-210.

[2] 张丽娟.基于仿真技术的数字电路3D虚拟实验室的设计[J].信息记录材料,2021,22(3):61-63.

[3] 李乐欣.高校虚拟仿真实验室建设与管理探究[J].无线互联科技,2021,18(2):84-85.

[4] 孙雷.基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验在远程开放教育中的应用研究[J].电脑知识与技术,2020,16(17):200-201+221.

[5] 赵莉华,张亚超,金阳,等.基于Lab VIEW和MATLAB虚拟实验室的实现[J].实验室研究与探索,2014,33(4):62-64.

[6] 张娟.基于LabVIEW的电子电工专业虚拟现实的设计与实现[J].现代职业教育,2021(34):142-143.

[7] 林思宇.基于LabVIEW的虚实结合实验平台的设计与实现[D].长沙:长沙理工大学,2020.

[8] 王林艳,王晓刚.电工电子虚拟实验室建设的研究[J].电子测试,2019(20):126-127+97.