計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)與設(shè)計

　　摘 要: 虛擬仿真實驗平臺是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相互融合的體現(xiàn)，是教育向互聯(lián)網(wǎng)的擴展。從計算機硬件實驗課程應(yīng)用的角度出發(fā)，提出創(chuàng)建虛擬仿真實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。重點探討了在“互聯(lián)網(wǎng) + ”環(huán)境中對計算機硬件課程進行虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)和設(shè)計，研究了建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng) + ”背景下的計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的各項技術(shù)，為實驗教學(xué)的多樣化和移動實驗課堂建設(shè)提供了一定的研究價值。

　　關(guān)鍵詞: 互聯(lián)網(wǎng) + ; 實驗平臺; 虛擬仿真; 交互式

　　0 引 言

　　“互聯(lián)網(wǎng) + ”已經(jīng)深入到各個行業(yè)[1]。在此計劃的影響下，教育行業(yè)中原來采用的傳統(tǒng)教學(xué)模式，必定受到互聯(lián)網(wǎng)浪潮的沖擊而發(fā)生實質(zhì)上的改變。實驗教學(xué)作為培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)人才的重要環(huán)節(jié)，實驗課程在學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)學(xué)習(xí)中起到了極其重要的作用，特別對于那些實踐能力要求高的理工類學(xué)科，實驗教學(xué)對學(xué)生綜合素質(zhì)的提高起到了很好的作用，實驗教學(xué)在高等學(xué)校的綜合素質(zhì)改革中有著極其重要的地位[2]。遠程虛擬實驗仿真教學(xué)平臺是一個基于互聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)平臺，它將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真等技術(shù)有機的融合一體。為實驗教學(xué)提供了實驗教學(xué)環(huán)境、實驗設(shè)備和信息資源等各項虛擬仿真服務(wù)。構(gòu)建遠程虛擬仿真實驗平臺打破了實驗設(shè)備數(shù)量以及實驗環(huán)境、實驗課時數(shù)等條件的限制，使實驗者可以不受時間空間的限制進行虛擬仿真實驗平臺的訪問和操作，從而大大提高實驗教學(xué)的伸縮性和擴展性[3-6]。

　　虛擬仿真實驗平臺作為可以從互聯(lián)網(wǎng)進行訪問及控制的計算機仿真實驗系統(tǒng)。遠程虛擬仿真實驗用戶通過互聯(lián)網(wǎng)對在本地軟件平臺上的各個虛擬仿真實驗項目進行檢測、驗證和操作。用戶通過終端設(shè)備就可以進行虛擬仿真實驗平臺的訪問和各項實驗項目的操作，同時還可以檢測和觀察實驗操作過程及獲得實驗數(shù)據(jù)等。虛擬仿真實驗平臺就是由“虛 擬 仿 真 前端———虛擬仿真硬件設(shè)備實體———虛擬仿真實驗場景”等組成的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)模式[7-9]。它將實驗教學(xué)進行仿真化增加了實驗操作的互動性和逼真性，提高了實驗教學(xué)的效率。它是將互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術(shù)有機融入到實驗教學(xué)中，為今后將實驗教學(xué)從課堂教學(xué)擴展到移動教學(xué)提供一個全新的發(fā)展方向和教學(xué)方式[10]。

　　1 虛擬仿真實驗平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1. 1 虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)成

　　一個優(yōu)良的虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建，必須將虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)成部分進行組件化操作，將平臺分成具有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能的各個組件，一個虛擬仿真平臺包括信號顯示、信號處理、數(shù)據(jù)存取等幾種組件，再將這些分布在不同區(qū)域的組件通過計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成遠程虛擬仿真實驗平臺。在遠程虛擬仿真實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建上主要采用的是客戶端/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫/應(yīng) 用 程 序 ( Browser/Server/Database /Application， BSDA) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，遠程客戶瀏覽器端、WEB 服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端及實驗儀器設(shè)備端 4 個組件通過計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了遠程虛擬仿真實驗平臺[7]。在這些組件中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是平臺的中心，承擔(dān)了各項實驗數(shù)據(jù)的存儲和管理工作，包括實驗用戶賬戶的生成、實驗交互動態(tài)網(wǎng)頁的生成以及實驗數(shù)據(jù)等工作; 應(yīng)用服務(wù)器承擔(dān)了實驗設(shè)備及儀器的控制和管理及實驗數(shù)據(jù)的采集和分析處理工作; WEB 服務(wù)器作為虛擬仿真實驗平臺的對外信息發(fā)布窗口，承擔(dān)了用戶登錄認證管理、開放式交互實驗環(huán)境生成以及實驗教學(xué)的動態(tài)網(wǎng)頁等頁面的生成和發(fā)布工作[11]，這些組件服務(wù)即相互獨立又互相協(xié)作。圖 1 所示為是一個標(biāo)準(zhǔn)的遠程虛擬仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)模型。圖 1 遠程虛擬仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)模型

　　1. 2 遠程虛擬仿真實驗平臺的組成

　　遠程虛擬仿真實驗平臺具有一定的復(fù)雜特性，為了很好地解決其復(fù)雜特性，同時也為了適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展的需要，采用模塊化進行遠程虛擬仿真實驗平臺的功能設(shè)計，為此，必須將虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)進行分層處理，將各個層次模塊單獨進行設(shè)計和建設(shè)，從而達到降低系統(tǒng)復(fù)雜程度的需求。在系統(tǒng)設(shè)計時上按照先底層再高層設(shè)計的思路，即先設(shè)計和驗證下層的程序模塊，然后再設(shè)計和驗證上層的程序模塊，模塊與模塊之間即相互獨立又互相依賴。交互式用戶操作界面、系統(tǒng)用戶管理、虛擬實驗?zāi)M仿真和數(shù)據(jù)庫管理等模塊共同組成了遠程虛擬仿真實驗平臺。其中虛擬實驗?zāi)M仿真模塊是系統(tǒng)的核心模塊，虛擬實驗?zāi)M仿真模塊主要完成各種類型實驗的仿真教學(xué)和虛擬操作，同時利用虛擬仿真實驗平臺具有的信息發(fā)布功能，直接將虛擬實驗網(wǎng)頁通過 Web 服務(wù)器端進行網(wǎng)頁動態(tài)的生成和發(fā)布，實驗學(xué)習(xí)者通過互聯(lián)網(wǎng)即可訪問虛擬仿真實驗平臺中的虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容，并進行實驗的仿真操作和實驗學(xué)習(xí)。

　　2 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計

　　2. 1 計算機硬件實驗課程的特點

　　隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，計算機已成為人們?nèi)粘坦ぷ骱蜕钪胁豢苫蛉钡男畔⑻幚碓O(shè)備，在金融、教育、商業(yè)、科研和工業(yè)等各個行業(yè)中計算機已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，成為信息采集和加工的重要工具。為了更好的將計算機應(yīng)用于人們的日常生活和工作中，必須了解計算機硬件設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)。為此，大部分高等學(xué)校都開設(shè)了計算機硬件及維護課程這門課程。計算機硬件及維護課程具有極強的專業(yè)性和實踐性，除了要求學(xué)生很好的掌握各種計算機機元器件的參數(shù)和計算機的理論知識外，更重要的是將這些理論知識很好的運用到實際的計算機維護和安裝過程中。可見，實踐和實驗環(huán)節(jié)在計算機硬件與維護課程中具有十分重要的地位，只有重視實驗教學(xué)，才可以以提高學(xué)生對計算機各個元器件及各類故障的了解和解決[12]。

　　計算機硬件組裝實驗和計算機維護實驗作為計算機硬件與維護程課程中的主要實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，計算機硬件組裝實驗，包含理論知識和實際操作過程，在該實驗項目中，實驗學(xué)習(xí)者需將計算機硬件理論知識和實踐知識融合起來，進行綜合運用。計算機硬件組裝實驗項目涉及到大量的設(shè)備和元器件，而且這些設(shè)備及元器件型號及廠家各異，結(jié)構(gòu)復(fù)雜及更新?lián)Q代極快。只注意理論上的講解和學(xué)習(xí)無法掌握計算機硬件的內(nèi)涵及發(fā)展趨勢。同時這些設(shè)備及元器件數(shù)量龐大，價格和費用較高，很多學(xué)校無法承受價格和數(shù)量的壓力，勢必影響實驗教學(xué)的開設(shè)和進行。為此在計算機硬件實驗教學(xué)中采用虛擬仿真實驗教學(xué)的方式，以提高整個課程的教學(xué)手段和學(xué)習(xí)成效。

　　2. 2 開發(fā)虛擬仿真實驗平臺的軟件工具

　　虛擬仿真實驗平臺的核心是將實驗操作和驗證過程虛擬的展示出來。構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺的最佳工具就是虛擬現(xiàn)實建模語言( Virtual Recility Modeling Language，VRML) ，VRML 具有交互及編程、3 維造型和實時渲染圖形描述等功能，這些功能讓它和 Java 語言、HTML 及多媒體信息等技術(shù)可以很好的融合一體，采用 VRML 語言可以很好地創(chuàng)建一個具有交互式的遠程虛擬仿真實驗平臺，同時還讓參與者具有身臨其境的感覺。VRML 語言是一種虛擬現(xiàn)實建模語言，它是一種具有 3 維建模的功能的面向?qū)ο蟮慕忉屝哉Z言，具有的跨平臺的特性，使其成為互聯(lián)網(wǎng)上制作 3 維互動網(wǎng)站的主流工具。

　　虛擬仿真實驗平臺中的重要環(huán)節(jié)就是交互模式， VRML 語言的 3 維模型構(gòu)建和交互方式特性很好的支持了這個重要環(huán)節(jié)。節(jié)點是 VRML 語言中構(gòu)建虛擬環(huán)境的要素，VRML 語言通過這些節(jié)點可以很好構(gòu)建 3 維虛擬場景及交互式環(huán)境，再通過 VRML 語言中的路由模塊進行信息的傳輸，就可以構(gòu)造一些簡單的虛擬仿真實驗操作模型。在采用 VRML 語言進行虛擬仿真實驗平臺的創(chuàng)建過程中，可以采用 VRMLScript、 JavaScript 等腳本語言來實現(xiàn)實驗操作者的目的與場景的交互模型; 在實現(xiàn)實驗操作者與虛擬現(xiàn)實場景的人機交 互 功 能 及 外 部 訪 問 功 能 時，VRML 提 供 了 VRML 封裝的 JAVA 類或 EAI 等技術(shù)來實現(xiàn)。

　　2. 3 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺交互模型的設(shè)計

　　VRML 語言的交互是通過一系列的傳感器節(jié)點來實現(xiàn)的，在 VRML 語言中，可以通過能感器節(jié)點來實現(xiàn)交互模式，VRML 語言提供了多種傳感器節(jié)點，在計算機硬件虛擬仿真實驗平臺中，采用了 Timesensor、 Planesensor 和 Cylindersensor 節(jié)點進行計算機各個零件和配件安裝的虛擬仿真演示[13]。

　　3 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　3. 1 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺總體統(tǒng)計

　　在計算機硬件虛擬仿真實驗平臺設(shè)計中，要滿足虛擬仿真實驗平臺的復(fù)雜性和專業(yè)性的特點，還要考慮到具有一定的擴展和升級能力。為此在計算機硬件及維護虛擬仿真實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上采用了模塊化分層設(shè)計方式，將虛擬仿真實驗平臺分解為多個層次的模塊進行分別的設(shè)計。通過分層設(shè)計方式，將極大地降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，提高了平臺開發(fā)的實效和進度。根據(jù)虛擬仿真實驗平臺各個模塊功能的劃分，一個高效的計算機硬件及維護虛擬仿真實驗平臺由用戶登錄、用戶管理、虛擬實驗仿真、數(shù)據(jù)庫管理和虛擬實驗室輔助系統(tǒng)等模塊組成。

　　在計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，采用了實驗室虛擬儀器工程平臺 LabVIEW 和微軟公司的 MS SQL Server 數(shù)學(xué)庫系統(tǒng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 是一款圖形化設(shè)計和編程功能的虛擬實驗儀器開發(fā)平臺，通過它內(nèi)置的控件，可以方便地創(chuàng)建用戶界面。在 LLabVIEW 中定義了前面板這個概念，就是為用戶界面進行服務(wù)的，在虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)中可以使用圖標(biāo)和連線及編程方式對用戶的前面板上的對象進行控制。LabVIEW 的圖形化源代碼和流程圖極其相似。通過這些流程圖代碼，LabVIEW 為虛擬仿真實驗平臺提供了一個輕松、便捷的開發(fā)環(huán)境，設(shè)計者利用這些代碼無需進行大量、繁瑣的編寫程序代碼工作，就可以輕松實現(xiàn)虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)和設(shè)計。為此利用 labVIEW 工具可以很方便的設(shè)計計算機硬件虛擬仿真實驗平臺網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[14]。

　　3. 2 系統(tǒng)用戶登錄和認證模塊的體現(xiàn)和設(shè)計

　　一個功能強大和完善的虛擬仿真實驗平臺應(yīng)具備安全和穩(wěn)定的用戶認證體系，為實驗教學(xué)系統(tǒng)中的各類資源和數(shù)據(jù)提供安全的防護和管理。學(xué)生實驗憑借自己的用戶名和密碼進行登錄虛擬實驗室系統(tǒng)的操作，在通過用戶和密碼校驗系統(tǒng)的驗證后才能進行實驗項目的操作和查看。它可以由 labVIEW 中的用戶控件模塊進行設(shè)置的。虛擬仿真實驗平臺通過 While 結(jié)構(gòu)來對比用戶的輸入用戶名和密碼與數(shù)據(jù)庫中的用戶名和密碼是否匹配。認證成功后則允許登錄虛擬仿真實驗平臺。用戶可單擊“進入系統(tǒng)”開始進入虛擬仿真實驗平臺，并可以在計算硬件機虛擬仿真實驗平臺中完成各項實驗仿真操作，實驗數(shù)據(jù)查詢和觀看實驗演示等任務(wù)。

　　4 結(jié)束語

　　計算機硬件虛擬仿真實驗平臺是將多媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，通過互聯(lián)網(wǎng)進行實驗教學(xué)的一種創(chuàng)新思路，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程虛擬仿真實驗平臺突破了實驗教學(xué)工作在空間和時間上的約束，豐富了實驗教學(xué)的手段。，通過一個具有豐富信息的交互式界面平臺來實時獲取實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象，完成各項實驗教學(xué)的輔助工作[15]。計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)，為計算機硬件及維護課程的實驗教學(xué)提供了一個全新的教學(xué)模式，為實現(xiàn)實驗教學(xué)的移動化課堂提供了一個切實可行的建設(shè)方案。計算機硬件相關(guān)論文推薦：中職院校計算機硬件芯片檢測及維修

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《計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)與設(shè)計》

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