基于web的虚拟仿真实验教学系统研究与应用

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基于web的虚拟仿真实验教学系统研究与应用
邹江  杨敏
摘  要：国内的教学系统大多界面拥挤，交互性不连贯，往往让教师和学生不能顺畅地完成一个教学任务。在页面上堆积了有用的和没用的信息，功能貌似强大繁杂，其实不然。简单而实用的教学系统应将良好的设计和简便的功能融为一体，让教师和学生以最简单高效的方式完成特定的任务。本文对虚拟仿真实验教学平台功能、特点、以及系统设计的关键技术和主要应用进行分析说明。     
关键词：  教学系统；实验教学；虚拟仿真；人机交互
虚拟仿真实验教学平台基于实验增强的教学环境建设理念，以实验教学为中心，提供了教学设计管理、教学资源管理、教学过程管理、实验报告管理、实验指导和答疑等功能，可满足开放式实验教学业务需求和开放式实验室管理业务的需求。然而在实际使用过程中发现系统的交互流程不连贯，这在很大程度上影响着教师的教学效果和学生的学习效果。
一、虚拟仿真实验教学平台概述
随着计算机技术和网络技术的迅速发展,以及科学研究进一步深入的需要,虚拟仿真实验技术日渐成熟和完善“虚拟实验”作为继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法,对社会发展和科技进步起到了越来越重要的作用,代表着科学研究方法的重要发展方向。整合教育信息化所必须的一切硬件计算资源，将这些资源经虚拟化之后，向教育机构、教育从业人员和学员提供一个良好的平台，让教育部门、学校、老师、学生、家长及其他与教育相关的人士，都能进入该平台，扮演不同的角色，在这个平台上融入教学、管理、学习、娱乐、交流等各类应用工具，构建个性化教学的信息化环境，支持教师的有效教学和学生的主动学习，促进学生高级思维能力和群体智慧发展，提高教育质量。
1、虚拟仿真实验的含义
虚拟仿真实验是指以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及与其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，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环境中一样，完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。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的一个创造和引导模拟实验的交互环境，用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把他们转化成超文本文件来扩充实验室。[1]
2、虚拟仿真实验的优势：
虚拟仿真实验教学可以做到实验资源开放、实验形式开放、实验对象开放，从而实现减少了设备消耗、节省了实验经费，减少了设备损耗，降底了实验项目的危险性。克服了实验时间与空间上的限制，学生可以在任何有网络终端的地方，利用该系统提供的网络实验平台，开展设计性实验，以及进行与实验有关的活动。促进了学生创新意识和创新能力的培养，打造了多样的教学环境，在线实验教学及管理设计与实现教学手段的现代化为学生开展创新活动营造了良好的条件。学生可以在网络环境下开展综合性的实验和创新型的实验，彻底摆脱了原有实验条件单一、枯燥的约束，在更深、更广的知识领域内探索。
二、虚拟仿真实验教学平台的功能和特点

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1、平台的功能说明
虚拟仿真实验教学平台是一种运用虚拟现实技术模拟真实实验的计算机教学软件，是面向教学的一个系统。它能够提供全方位的实验教学辅助功能，包括：实验前的预习、实验的课程管理、实验数据库的维护、实验教学安排、实验过程的指导、实验结果的批改、实验成绩统计查询等功能，为实验教学环境提供服务并开展应用。基于WEB的实验教学及管理可以促进学生学用结合，实验的安排更加灵活方便且不受时间空间限制。只要有网络的地方就可以动手做实验，实现真正意义上的开放实验室。在线实验可减少实验设备的维护强度，缓解当前实验设备不足，实现理论教学和实践教学的有机融合，完善现有实验教学体系。
2、平台的应用特点
虚拟仿真实验教学平台主要特点如下：
（1）提供一整套完善的实验管理系统，可以和其他教学教务系统无缝集成；
（2）利用计算机和多媒体技术，为实验教学提供丰富的教学资源，促进学生学习；
（3）实现学生实验数据自动批改，减轻教师的工作量；
（4）利用实验教育教学专家精心设计的典型实验，培养学生的实验设计、动手操作和创新能力；
（5）将实验教学知识点和实验动手能力的培养有机结合，形成完整的实验教学体系；
（6）开发实验操作界面友好、直观、具有真实感强的仿真器材；
（7）平台可扩展性强，可根据教学需要灵活添加实验器材及典型实验，提供个性化实验指导；
探究学习理论为虚拟仿真实验教学设计与实现的建设提供了理论支持。基于WEB的实验教学通过构建逼真的实验情境，引起学生的注意，极大的激发学生的学习兴趣。同时，通过学生在虚拟实验情境中进行实验操作、体验、发现问题、解决问题等探索活动，独立自主地获得知识、技能的发展，培养探索精神和创新能力。
三、虚拟仿真实验教学平台设计的主要技术
    1、Java技术
    Java虚拟机是软件模拟的计算机，可以在任何处理器上（无论是在计算机中还是在其它电子设备中）安全并且兼容的执行保存在.class文件中的字节码。java程序的跨平台主要是指字节码文件可以在任何具有java虚拟机的计算机或者电子设备上运行，java虚拟机中的java解释器负责将字节码文件解释成为特定的机器码进行运行。java源程序需要通过编译器编译成为.class文件 [2]。
Java虚拟机的建立需要针对不同的软硬件平台做专门的实现，既要考虑处理器的型号，也要考虑操作系统的种类。目前在SPARC结构、X86结构、MIPS和PPC等嵌入式处理芯片上、在UNIX、Linux、windows和部分实时操作系统上都有java虚拟机的实现[3]。

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2、ActiveX技术
ActiveX技术允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作。ActiveX使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进行通信，使用ActiveX开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在在线实验教学及管理的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这一点对于持续开发过程尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以划分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最终的项目。
3、VRML技术
VRML是“Virtual Reality Modeling Language”的缩写形式，意思是“虚拟现实造型语言”。VRML是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界, 可以集成文本、图像、音响、MPEG影像等多种媒体类型，还可以内嵌用Java、ECMAScript等语言编写的程序代码。
以VRML为核心构建的虚拟世界中用户如身处真实世界，可以和虚拟物体交互，人们可以以习惯的自然方式访问各种场所，在虚拟社区中“直接”交谈和交往。事实上，目前采用VRML技术取得成功的案例已经很多，例如探路者到达火星后的信息就是利用VRML在因特网上即时发布的，网络用户可以以三维方式随探路者探索火星。
四、虚拟仿真实验教学平台主要应用
虚拟仿真实验教学平台在教学中的主要应用有：
1、实现对实验的在线管理
系统管理员和教师主要通过平台进行课程管理和设置自主实验，任课老师可以对班级的学生布置实验任务，进行实验安排。实验老师在实验管理模块中可以将实验分为典型实验和普通实验，进行实验课程安排，可以进行实验操作成绩查询统计。学生在在线实验模块中可以完成实验任务，如果实验结束后，此时学生也可以重新修改或重做该实验。学生也可对自己感兴趣的实验进行尝试，进行自主实验。  
2、教学论坛的管理
任课老师和学生在教学论坛中可查看自己关心的实验帖子，对某一实现结论上发表个人见解，编辑发布回复帖子。系统管理员可对论坛进行管理操作，包括创建、修改和删除讨论区；同时可以对论坛中的帖子进行修改、删除和锁定操作。通过对教学论坛的管理，可以加强师生对某一实验现象的探讨和分析。
3、知识库维护
知识库维护只有系统管理员或教师来完成，教师可以通过查看器材的列表，可以实验要求添加器材，调整器材的参数和调整操作等。对平台的基本参数进行设计，如学校、班级信息。
4、实验消息的发布
管理员、教师可以通过虚拟仿真实验教学平台发布实验教学信息，管理员、教师和学生可以通过平台接收实验信息。
5、实现用户管理
平台管理员可以对登录这个系统的用户进行管理，包含用户名，密码，班级，联系地址等管理，对教师用户和学生用户进行添加和删除管理以及权限的设置。
五、结束语
实验教学一直都是教育中的一个薄弱环节，本文对深入开展实验教学是一个很大的促进。虚拟仿真实验教学平台通过实验教学辅助系统、实验报告提交系统、网上答疑系统的实现，极大地方便了学生的自学和自我检查，提高了实验管理的现代化水平。同时，在一定程度上减轻了教师的工作量。