组装计算机的虚拟实验室

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摘 要: 本文首先分析了我国近年来高校实验教学面临的困境,为了缓解高校实验教学压力,改善实验教学条件,提高实验教学质量,就高校组装计算机实验课的现状提出了构建组装计算机虚拟实验室的设想,即用软件代替硬件,用编程模拟实验的全过程。功能是让学生采用虚拟仪器完成组装过程,以达到学会计算机组装的目的。

关键词: 虚拟实验室 虚拟实验 体系结构 功能 功能模块

随着高等教育的深化改革和招生规模的急剧扩大,我国高校普遍陷入了实验教学的困境,主要表现在硬件设施不足、教学时空受限、教学方法和内容落后。在计算机和网络通信技术快速发展的前提下,充分利用计算机资源的虚拟实验室成为解决这些现存问题、提高实验教学质量的重要选择。

1.虚拟实验室的功能

1.1教育功能

让学生通过使用虚拟或真实仪器、装置或系统的模拟装置来熟悉实验过程,掌握相关技术:能满足不同知识背景学生的要求,根据其能力、实验经验等调整资源模块,保证学生在单独使用模拟环境时能进行各种实验操作。

1.2辅助设计功能

例如现代电子系统的设计与分析,是运用EDA(Electronic Design Automation),在分布式网络环境下,在EDA平台上进行设计、下载、综合、仿真,然后在实际条件下进行测试。EDA模拟软件将仪器、仪表、模拟器件、数字器件等直观地反映在计算机屏幕上,可灵活地改变电路结构和参数,反复观察实验的结果,并动态显示电路的波形。

1.3协同实验和研究功能

虚拟实验室利用当前网络技术和设施,使参与试验的人员在远程相互合作,进行试验研究,为分布在世界各地的研究人员提供共同从事一个项目的分布式问题解决环境。

2.虚拟实验室系统体系结构及功能

2.1系统体系结构

组装计算机虚拟实验室的设计应遵循开放性、交互性、安全性、易于维护等原则。构建一个完整的虚拟实验模型,是开发虚拟实验的重要环节。根据虚拟实验室必须完全网络化的要求,以及计算机硬件系统的特性及课程的教学要求,我们设计如图所示的计算机硬件系统虚拟实验室体系结构。

2.2系统功能

2.2.1网络管理平台

2.2.1.1用户管理子系统。从安全性角度考虑,按权限由高到低将用户分为管理员、教师、学生和普通用户4个等级。管理员可对整个实验室的各个子系统进行控制管理;教师能够编写、修改和更新实验教学材料,确定实验报告提交的具体事项和修改实验报告,网上与学生交流,等等;学生能进入各子系统,能设计实验项目;普通用户仅能进行网上讨论、仿真运行已有的实验和浏览系统的教学资料。

2.2.1.2教学管理子系统。包括实验选择、实验报告管理、师生交互等。实验选择子项包括实验教学内容浏览,实验项目选择。实验报告管理子项包括实验报告的上传,教师对实验报告的批阅,学生下载批阅后的实验报告。该子项可确定实验报告的内容、提交的时间,并对报告提交进行时限管理。师生交互子项主要实现师生和学生之间的网上交流,并可通过电子邮件和BBS的方式实现。

2.2.2虚拟实验平台

虚拟实验平台主要用于实验项目(计算机硬件系统电路)的设计和仿真运行,是整个系统的核心部分。

2.2.3数据库

根据虚拟实验室性能要求,设计的系统数据库有:元器件库,设备库,实验项目库,用户库,实验报告库。

2.3系统功能模块

系统功能模块共分为七大模块。

2.3.1实验管理模块

由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登录成功后可浏览实验项目,查看实验的详细资料,预约实验项目及做实验的时间,在线发送和接受消息,进行问题讨论,进行实验登记,实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面,可对实验内容添加、修改、整理、删除,对学生提交的实验报告列表,批改实验报告,填写评语和成绩,提交批改结果,与学生进行讨论。仪器管理方面,对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理,以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况(实验次数、实验报告,以及完成情况)给出成绩,并进行统计分析与提供查询,等等。

2.3.2安装过程演示模块

对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理,以图形的方式直观呈现出来。

2.3.3实验指导模块

包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

2.3.4实验报告模块

主要对学生完成实验后,提供相关的实验报告模板,供学生下载,由学生填写相关内容以及实验的结果,完成后上传电子版实验报告,由教师进行批阅,并进行记载。

2.3.5实验答疑模块

由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答,帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度,并及时反馈、调整教学。

2.3.6论坛交流模块

教师和学生可以通过论坛进行充分的交流,学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上,教师可以将一些典型的问题提出来,供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解,教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息。

2.3.7虚拟实验模块

该模块是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验,以达到巩固强化知识的目的。模块内容根据学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。

计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。

参考文献:

[1]朱凤,王汝传,王海艳等.基于VRML室内虚拟环境构建的研究与实现[J].南京邮电学院学报,2004,24,(4):80-85.

[2]黄文丽等.VRML语言入门与应用[M].北京:中国铁道出版社,2003.

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