一站式虚拟实验平台的设计与建设

一站式虚拟实验平台的设计与建设（共7篇）

一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇1

一站式虚拟实验平台的设计与建设

摘 要：本文提出一站式虚拟实验平台设计与建设方案，利用现代信息技术搭建一个集教、学、考于一体的一站式虚拟实验平台，为开放性实验教学和优质教学资源的建设提供平台。该平台具有教学过程和教学资源的“整合性”与“共建共享性”等特点。实践证明，该实验平台能整合职业院校多种专业的实验“教”与“学”资源，为学生多样化的技能训练提供较全面的一体化实践平台，同时提高了优质信息化资源的覆盖率和利用率。

关键词：教育信息化；共建共享；虚拟实验平台

中图分类号：TP311.56 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）07-0074-04

一、引言

与普通教育不同，职业教育以就业为导向，具有专业性、实践性、应用性、操作性、技能性等特点[1]。其中，技能教育是职业教育的核心。而当前的职业教育中，存在以下的问题：

（1）实验实训设备昂贵，数量有限，损耗比较严重并且型号落后，更新换代难以跟上科技发展的步伐。而社会对技能型人才的需求使得职业院校不断扩招。这就造成了有限的实验资源与大规模学生的教学需求之间的矛盾。

（2）教学过程中涉及高危或极端环境的技能操作，如核电站、矿井采煤等专业操作，涉及不可及或不可逆条件下的操作，如心脏搭桥手术，煤制乙炔工艺，以及一些高成本、高消耗、大型综合操作训练，如船舶建造、飞机发动机的装配等缺乏有效的实训资源，无法经常开展实训。

（3）受课程内容影响，配套的实验实训或“片段式”的企业案例使学生只注重专项技能训练，忽略了对行业整体技能的培训。“只顾埋头拉车，不会抬头看路”导致学生缺乏行业性思维，就业灵活性和适应性大大降低。另外，目前的教学资源存在着分散和不连贯的现象和缺乏信息化和体系化的建设，导致其不能形成一个有机整体，甚至某些优秀教学资源没能传承下去和被持续地应用。

（4）现有的实验实训无法及时跟踪、反馈学生的实践结果，加上评价体系单一，缺乏让学生不断修正、提高和完善的阶段性建议和步骤。

以上原因造成学生缺乏兴趣，积极性不高，动手实践能力差等问题，与职业教育提高学生职业技能，培养学生职业素养的初衷不一致[2]。二、一站式虚拟实验平台的设计方案

通过信息技术与教育过程、内容、方法和质量评价深度融合，提高实习实训、项目教学、案例分析、职业竞赛和技能鉴定的水平，吸引行业企业参与专业教学，从而全面提高各专业学生新时代的职业能力和信息素养。《教育部关于加快推动职业教育信息化发展的意见》（职教成[2012]5号）中明确提出了“十二五”时期职业教育信息化建设的基本思路和总体目标：“以科学发展观为指导，坚持以人为本，需求导向，创新引领，共建共享，突出特色，加快推进职业教育信息化发展。”

然而很多职业院校信息化的建设，仅仅停留在应用多媒体课件展示教学内容上，没有体现出信息技术与课程整合的实质性内涵。根据前面引言提出的职业教育存在的问题来看：解决问题（1）需要建设一个开放性的实验平台；解决问题（2）需要借助虚拟仿真技术弥补实物实训的不足；解决问题（3）必须使该实验平台具备良好的共建共享性；解决问题（4）必须使该平台具有完整性，即良好的整合性。综上几点，利用现代信息技术搭建一个集教、学、考于一体的一站式虚拟实验教学平台，实现职业教育与信息技术真正深度融合，能为解决当前职业教育面临的问题提供新途径。

一站式虚拟实验教学平台对学生而言，联通了课堂、实训基地和社会岗位，为学生创造一种能够随时随地在做中学、例中学，及时得到反馈和指导的“空中课堂”[4][5]如图1所示，有效地解决了职业教育实训难、实习难的问题。

一站式虚拟实验教学平台对于教师而言，整合了课程建设、教学资源、评价模式，形成一个一体化的教学体系如图2所示，实现信息技术与现有教学内容和知识点完整配套，便于随时更新和异地共享，为加快推进职业教育资源开发和共享，缩小校际和区域资源配置差距，提供了新的可能。

三、一站式虚拟实验平台的组成

一站式虚拟实验平台由实验管理系统、实验教学系统、自主学习系统和自动化考核系统组成，如图3所示。

1.实验管理系统

实验管理系统包含通知系统、用户管理、用户组管理、角色管理、权限管理等，负责对各种实验资源、实验资讯、用户信息等进行统筹管理，提高实验管理运作的科学化、智能化，并加快系统化建设进程。

2.实验教学系统

实验教学系统提供开放实验环境下的资源共建共享、实验教学、作业管理以及实验教学评价，为提高实验教学效率和效果提供支持。

资源共享共建模块提供可用性高、易获取、优质丰富的实验教学案例资源及题库，对课件、精品课程、微课程、企业的真实案例等进行分门别类的标注，方便检索。同时这些资源是开放和共享的，支持自主扩展，能够逐渐形成一个完整的学科资源库。

实验教学模块通过虚拟现实技术和网络技术创建高交互的实验教学环境，并进行实验过程跟踪与针对性指导。同时也包括实验任务的发布、回收与评价以及作业的收发与批改，优秀案例作业的展示与分享[6]。实验教学过程如图4所示。

3.自主学习系统

自主学习系统中有登录模块、知识呈现模块、资源集成模块、学习工具模块、在线测试与在线作业模块、实时自由讨论区和专题讨论区模块、学习过程记录、查询模块。自主学习系统提供丰富的实验案例和具有高度交互功能的虚拟实验环境供学生进行实验实训，并全程跟踪操作过程，实时诊断与评价操作技能及结果，指出错误的原因，并提出学习建议和操作示范，实现真正的一对一教学实验指导。

学生可以随时随地登录到该学习系统进行某门专业课程的学习，过程是：学生登录自主学习系统，在知识呈现模块获取学习任务后进行相关知识的学习，可以通过资源集成模块提供的专业教学实验案例、真实环境下的操作演示视频等各种资源进行例中学，遇到不懂的问题可以在讨论区进行咨询，同时使用学习工具在虚拟实验环境中进行反复的交互性操作，实现做中学，而学习过程记录模块已在学生登录自主学习系统时开始进行学习轨迹跟踪，查询模块提供学习进度、策略方面的支持。学生无论进行在线学习还是完成作业或测试，高度交互的虚拟操作系统都会实时反馈与评价，给出针对性的提示信息和操作演示，直至该学生最终掌握正确的操作技能和方法。最后系统还会对本次自主学习进行总结分析，给出进一步学习的建议，指明继续努力的方向[7]。自主学习过程如图5所示。

4.自动化考核系统

建立以技能自动化测评为中心的多元化评价体系，通过科学化评价机制，采用多样化的评价方式[8]，最终实现按照不同情况的需要，实现作业评价、实验过程的跟踪评价、认证评价和课堂总结性评价。

自动化考核系统提供真实环境下的技能训练和考核，全面地考察操作者实际操作能力和解决实际问题的能力，学生可以在该系统下进行各类认证考核的模拟练习。系统提供自定义测试卷组，学生可以由答题库随机出卷，也可以自由组合客观题与操作技能题目，考核系统都将进行操作技能的自动化评测，为学生提供一个有效的指导。

四、一站式虚拟实验平台的特点

1.整合性

集教、学、考于一体的一站式虚拟实验教学平台使学生获得“教学练评”的一体化技能训练，即学生在生动逼真的虚拟环境中体验并训练技能，并随时与实验对象、学习资源、教师、同学等进行交互反馈，得到实时评价，锻炼和培养真实的职业行为[5]。

该平台整合了校内不同专业的虚拟实验实训，一方面为学生进行本专业和跨专业技能培训和自主探究式学习提供开放的、综合性的虚拟实验环境，同时也为教师进行交叉学科实验建设和多工种技能鉴定提供平台。

2.可扩展性

为随时增加不同的专业训练项目、实验场景和其他功能模块预留可更新和扩展的数据接口、功能接口，使平台应用可持续更新[9]。

3.共建共享性

平台具备教学资源上传、试题添加、优秀作业成果展示等功能，这些资源可以逐级推荐和审核，实现优秀教学资源的共建共享。该平台可以使教师持续有效地开展优质职业教育资源体系化建设。教师一方面可以把已有的信息化教学资源和成果进行共建共享；另一方面随着实验平台不断应用产生的新经验成果及资源，教师可以进行二次整理和进一步的开发和实时更新，提高实验教学的效率和质量。

五、一站式虚拟实验平台的建设实践

为了更好地管理校内的实验实训资源，提高优质实验教学资源的利用率，促进职业教育与信息技术的深度融合，工业中心开展智能管理系统二期工程项目建设，一站式虚拟实验平台是其中一个重要组成部分。该项目获广东省2015年“创新强校工程”项目资助。该平台整合了校内原有的电子工程、自动控制、物流管理、数字传媒、机械加工五个专业类别的22个虚拟仿真实验实训项目，如中央空调远程控制、高电压控制、虚拟数控铣削加工、教育电声系统、虚拟演播、非隔离型AC-DC变换器、物流三维模拟仿真、交互式虚拟装配等，并在此基础上进行进一步的扩充和建设。

学生可以在此开放性的平台进行自主学习与技能训练，获得实时评价，提高操作能力。某些专业还可以进行认证考核模拟练习，例如“CZK数控加工仿真训练与智能化考核系统”开展面向实际生产过程的机床仿真加工训练；如“电气故障信息化考核系统”中的“制冷设备电气故障检测智能考核系统”提供了四种不同的制冷设备控制电路：（1）变频空调控制电路、（2）热泵式分体空调控制电路、（3）中央空调控制电路、（4）冷库控制电路供学生进行仿真训练。这四种电路均由信息化系统以智能化方式设置各种故障点：变频空调设置了28个故障点、热泵式空调设置了24个、中央空调设置了30个、冷库24个，以满足不同等级的技术培训与考核使用。另外，考核系统中的试题库含有两类试题：一类是针对制冷设备控制电路板设置的培训应会试题库；另一类是根据国家劳动部有关制冷设备相应职业技能等级的应知考试题库；再如“中央空调信息化智能考核系统”，学生可以远程进入中央空调的虚拟仿真界面，如图6，图7所示，进行中央空调和冷库的正确开关机顺序、延时时间长短控制、运行状态实时监控和故障排除等仿真操作和模拟考核[7]。仿真界面上显示的各种动态变化的数值来源于可编程控制器PLC上的对应变量链接，通过传感器采集空调运行的各种实时数据获得。

该平台计划提供面向广东省支柱产业：数控、电子、电工、软件、汽车、金融等专业技术考核60多个方向的项目实验实训，28个工种的职业技能鉴定，向其他职业院校开放，形成辐射作用，扩大优质信息化资源覆盖面。同时各专业的教师可对平台内的实验实训资源共同进行建设与开发，保证优质的教学资源得到持续性的更新和共享，为我校“面向职教、服务职教、引领职教、特色发展”的办学思想提供支持。

六、结束语

本文提出一站式虚拟实验平台的设计思想，在建设与应用的实践中，该平台的“整合性”与“共建共享性”为职业院校师生的教与学提供了极大的便利。该实验平台的建设与投入使用为职业院校提供了一个清晰的体系化数字教育教学资源库，便于各专业教师进行综合统筹，对相关领域各种资源进行分批逐次的信息化建设，有利于职业院校的学生充分利用校内外的实验实训资源进行技能培训，拓宽职业视野。在国家号召加快发展现代职业教育的今天，通过一站式虚拟实验平台整合职业教育已有信息化成果和师资力量进行新旧资源的共建共享，有利于扩大优质资源的覆盖面和受众，使职业教育信息化实现与时俱进，得到持续性的发展并跨上新的台阶，为培养学生新时代的职业能力和信息素养开拓新的途径。

参考文献：

[1]任剑岚.职业教育与信息技术的深度融合[J].教育与职业，2015，1（2）：43-44.[2]李玉梅，李茜.基于虚拟现实技术的高职生自主学习能力培养探讨[J].大众科技，2014，10（16）：142-144.[3]张静，肖明.开放式虚实结合的实验教学模式的研究与探索[J].中国电力教育，2014，12（36）：176-178.[4]刘阳，蔡保松.中国TOP大学继续教育发展：成就与挑战[J].继续教育，2015（2）：11-13.[5]胡航，詹青龙.基于虚拟现实技术的职业教育一体化教学：内涵、功能与设计[J].继续教育，2014，4（13）：163-166.[6]谌素华，王维民，黄和等.实验项目开放式实验教学探索与实践[J].实验室研究与探索，2009，2（28）：142-144.[7]张进.网上虚拟教学学习资源中心的建设[J].电化教育研究，2005，4（12）：77-80.[8]刘乔寿，黄沛昱.电子信息类开放实验教学模式[J].实验室研究与探索，2013，32（7）：157-201.[9]陈华竣，赵士斌.开放式虚拟训练实训室的设计与建设[J].实验室研究与探索，2012，8（31）：158-161.（编辑：杨馥红）

一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇2

1 FPGA实验虚拟仿真平台的总体设计思路

将在线 (MOOC) 教学方式引入实验教学环节, 构建全新的循序渐进式实验教学模式 (O2O) :线上学习—远程仿真—线下实验。针对实验课程课时不断压缩, 学生动手实践能力有所下降的现状, 深化教学模式的改革, 引入在线实验教学的新方式。学生进入实验室实验前, 先在慕课平台上注册、登录, 进行在线学习, 通过观看实验课程微视频、完成老师网上给出的问题, 以及参与在线讨论等方式, 对实验任务有了初步了解, 同时实验教师也可以根据学生在线完成题目的情况, 了解学生存在的主要问题。接下来, 学生可以在任何场所、任何时间

利用“FPGA实验虚拟仿真平台”登录服务器, 利用服务器虚拟桌面上安装的各种仿真软件和开发平台进行远程实验, 观察实验现象、记录仿真结果, 这一过程不再受时空局限, 大大拓展了实验空间, 有效利用了实验资源。最后, 实验课上, 学生针对在线学习和远程仿真过程中存在的问题展开讨论, 并在此基础上, 拓展实验内容, 提高实验效果。

2 FPGA实验虚拟仿真平台的总体架构

充分整合电子信息专业信息化实验现有教学资源, 创造性地建设包括FPGA软件共享虚拟实验、FPGA仪器共享虚拟实验和FPGA远程控制虚拟实验三大部分平台。FPGA实验虚拟仿真平台开发的网站如右图1 所示。

2.1 软件共享虚拟实验平台

作为综合性虚拟仿真软件平台, 它从基础知识、专业知识、科研能力、创新能力和综合素质的培养出发, 涵盖信息材料、器件芯片、电路系统、工程应用四大类仿真软件平台, 包括从理论设计到工程项目设计各层次和环节的仿真实验教学。设立通识通修基础课程模块、学科专业课程模块和开放选修课程模块, 采用桌面虚拟化技术, 将已生成的虚拟化桌面操作系统提供给使用者, 根据实验需求在Windows桌面操作系统中安装上专业仿真软件, 如ISE、Quartus、Multisim、Pspice、Labview、Matlab等软件, 使用者可随时随地使用终端设备 (智能手机、平板、上网本、笔记本和台式机) 访问防火墙内部的虚拟化桌面操作系统, 并使用上面的软件。特别对于部分硬件资源要求比较高, 或有操作系统限制 (如要求64 位) , 一般教师或学生的个人笔记本无法满足要求, 通过此仿真平台可解决诸多限制问题, 实现了实验教学体系中知识体系、课程层次、理论与工程、虚拟与现实的多元化和全方位性。

2.2 仪器互联共享虚拟实验平台

从降低成本, 资源共享出发, 依赖网络通讯, 人机交互, 搭建仪器设备在虚拟实验平台的共享。一方面将实验平台上价格昂贵的精密实验仪器向校内外使用者开放, 提高仪器的利用率;另一方面联合将企业的仪器向学生开放, 补充学校仪器资源, 以实现实验教学体系中虚拟与现实、时间与空间的多元化和全方位性, 贯彻学校企业联合、资源开放共享的建设理念。

2.3 远程控制虚拟实验平台

远程虚拟实验室平台从时间、空间、内容三维开放共享出发, 一是采用计算机虚拟化技术打造FPGA云实验室概念, 采用VMware v Sphere作为虚拟化基础, 以VMware Horizon为桌面云管理系统, 教师和学生通过桌面云能够远程使用FPGA实验室的课程资料、专业软件, 实现了实验室的物理延伸;二是联合将企业的仿真软件向学生开放, 充实学校软件资源;三是利用大规模在线开放课程 (MOOC) 课程, 基于Coursera平台, 创建远程虚拟课堂, 实现仿真教学, 并结合FPGA实体实验室课堂翻转, 促进学生的系统思考, 实现在线和课堂混合教学, 创新教学模式, 以实现实验教学体系中虚拟与现实、时间与空间的多元化和全方位性, 贯彻学校企业联合、资源开放共享的建设理念。

该网站系统主要包含Web工程和Web远程登陆工程, 其中Web工程采用Java Web技术栈, 主要使用的框架为Spring MVC和Spring hibernate, 将二者整合。其数据库采用的是开放源代码的关系型数据库管理系统My SQL, 因为其速度、可靠性和适应性好。缓存使用的是一个纯Java的进程内缓存框架Eh Cache, 远程登陆采用Guacamole protocal协议。

3 本地实验平台和远程平台设计

传统FPGA实验平台架构为一台计算机通过串口和USB口连接一块FPGA开发板, 而 “FPGA实验虚拟仿真平台”首先将FPGA开发板与计算机连接好, 接着采用VMware公司的VSphere服务器虚拟化软件和Horizon桌面虚拟化软件, 将计算机进行虚拟化处理, 利用虚拟桌面系统即可访问该计算机。然后把相关测试仪器, 其它实验设备和FPGA开发板接好, 比如信号输入点、信号输出点、函数信号发生器、数字示波器、数字万用表等。最后实现仪器设备, FPGA开发板、计算机、其它终端的网络连接, 一套基于虚拟仪器和远程控制FPGA实验平台搭建成功。

使用者在宿舍或校外可通过桌面云访问到实验室内的计算机, 可直接在实验室内计算机的FPGA开发软件上进行FPGA编程、下载、调试。通过智能实验室平台, 使用者不仅可以远程操作实验室内的计算机进行编程、对FPGA开发板进行下载还可以操作实验室内的程控直流稳压电源、函数信号发生器、数字示波器和数字万用表等, 如图2 所示。

至此完全实现了将一个物理存在的实验室通过计算机虚拟化技术和仪器虚拟化技术放至云端, 使用者凭账号密码即可通过网络访问实验平台的学习资源、计算资源、软件资源、实验开发系统资源、实验仪器资源, 传统意义上的实验室完成了从固定场地、固定时间开放到不受场地约束、不受时间约束, 随时随地向使用者提供服务的转化, 通过本平台系统可以在一台服务器实现二十套甚至更多的24 小时全天候数字系统实践远程实验教学, 将实验教学场所从象牙塔尖延伸到学生宿舍、图书馆乃至地球上网络能访问的任一地点。

平台中FPGA开发板为Xilinx Atlys, 是一款集成了千兆以太网、HDMI视频输入输出、音频及USB接口的数字电路开发平台。平台中包含的主要仪器有泰克AFG3500 信号源、泰克DPO2000 示波器、吉时利2000 数字多用表等。项目中的FPGA开发软件使用Xilinx的ISE集成开发软件。在服务器机端用Lab VIEW自带的Web发布工具, 将FPGA虚拟面板的VI生成html文件, 并且配置Web服务器后, 远程客户端只需安装Lab VIEW Runtime Engine, 而不需要安装完整的Lab VIEW, 就可以通过打开浏览器, 在浏览器中输入Web发布的html的URL, 实现远程浏览器打开FPGA面板。在平台的远程实现中, 除了需要有能够让实验者远程操作和控制的功能外, 实验者向与服务器机连接的FPGA实验箱写入程序也是不可或缺的部分。而这部分的实现, 是通过服务器的Quartus II设置JTAG服务器来完成的, 让客户端的Quartus II能够远程访问位于实验室的FPGA实验箱。

4 结束语

“FPGA实验虚拟仿真平台”采用计算机虚拟化技术打造云实验室, 大大提高了实验设备的利用率, 实现实验教学体系中虚拟与现实、时间与空间的多元化和全方位性。借助平台学生可利用课余时间在宿舍、教室、图书馆等任意能接入互联网的场所利用智能终端、笔记本、台式机访问数字系统实验远程教学平台, 通过桌面虚拟化平台对FPGA开发板进行远程访问, 摆脱了传统实验教学必须进实验室才能完成实验项目的模式, 实现了实验室进宿舍, 弥补了实验课时不足, 解决了实验来不及完成的问题。不仅解决了传统理论教学与系统应用培养之间的矛盾, 拓展了实验教学的深度和广度、提高了实验教学实效, 实现了理论与实践教学的密切合作, 而且大大提高了学生工程应用、综合设计和科研创新能力。

摘要：本文构建了FPGA实验虚拟仿真平台, 包括FPGA软件共享、FPGA仪器共享和FPGA远程控制三大部分, 实现了仿真平台网站建设, 多个FPGA实验的搭建和远程网上操作控制等, 提供了全新的教学辅助手段, 节省了实验经费。仿真平台具有开放性、灵活性和可扩展性。

关键词：虚拟仿真平台,FPGA,LabVIEW

参考文献

[1]王革思, 刘勉, 弈宗琪.FPGA创新开发实验教学平台的设计与应用[J].中国电力教育, 2009 (10) :145-146.

[2]王雅楠.远程网络虚拟电子实验平台的设计与实现[D].兰州:西北师范大学, 2013.

[3]李天顺.基础WSRF的FPGA远程实验服务的研究与设计[D].镇江:江苏大学, 2010.

[4]马晓阳.虚拟仪器技术在教学中的应用[J].中国职业技术教育, 2006 (13) .

[5]王英霞.基于Lab VIEW的虚拟实验室的研究与实现[D].天津:天津理工大学, 2007.

[6]孙丹, 黄亚玲, 吴星明.基于虚拟仪器的FPGA实验平台设计[J].实验技术与管理, 2012 (04) :330-333.

一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇3

摘 要：本文提出一站式虚拟实验平台设计与建设方案，利用现代信息技术搭建一个集教、学、考于一体的一站式虚拟实验平台，为开放性实验教学和优质教学资源的建设提供平台。该平台具有教学过程和教学资源的“整合性”与“共建共享性”等特点。实践证明，该实验平台能整合职业院校多种专业的实验“教”与“学”资源，为学生多样化的技能训练提供较全面的一体化实践平台，同时提高了优质信息化资源的覆盖率和利用率。

关键词：教育信息化；共建共享；虚拟实验平台

中图分类号：TP311.56 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）07-0074-04

一、引言

与普通教育不同，职业教育以就业为导向，具有专业性、实践性、应用性、操作性、技能性等特点[1]。其中，技能教育是职业教育的核心。而当前的职业教育中，存在以下的问题：

（1）实验实训设备昂贵，数量有限，损耗比较严重并且型号落后，更新换代难以跟上科技发展的步伐。而社会对技能型人才的需求使得职业院校不断扩招。这就造成了有限的实验资源与大规模学生的教学需求之间的矛盾。

（2）教学过程中涉及高危或极端环境的技能操作，如核电站、矿井采煤等专业操作，涉及不可及或不可逆条件下的操作，如心脏搭桥手术，煤制乙炔工艺，以及一些高成本、高消耗、大型综合操作训练，如船舶建造、飞机发动机的装配等缺乏有效的实训资源，无法经常开展实训。

（3）受课程内容影响，配套的实验实训或“片段式”的企业案例使学生只注重专项技能训练，忽略了对行业整体技能的培训。“只顾埋头拉车，不会抬头看路”导致学生缺乏行业性思维，就业灵活性和适应性大大降低。另外，目前的教学资源存在着分散和不连贯的现象和缺乏信息化和体系化的建设，导致其不能形成一个有机整体，甚至某些优秀教学资源没能传承下去和被持续地应用。

（4）现有的实验实训无法及时跟踪、反馈学生的实践结果，加上评价体系单一，缺乏让学生不断修正、提高和完善的阶段性建议和步骤。

以上原因造成学生缺乏兴趣，积极性不高，动手实践能力差等问题，与职业教育提高学生职业技能，培养学生职业素养的初衷不一致[2]。

二、一站式虚拟实验平台的设计方案

通过信息技术与教育过程、内容、方法和质量评价深度融合，提高实习实训、项目教学、案例分析、职业竞赛和技能鉴定的水平，吸引行业企业参与专业教学，从而全面提高各专业学生新时代的职业能力和信息素养。《教育部关于加快推动职业教育信息化发展的意见》（职教成[2012]5号）中明确提出了“十二五”时期职业教育信息化建设的基本思路和总体目标：“以科学发展观为指导，坚持以人为本，需求导向，创新引领，共建共享，突出特色，加快推进职业教育信息化发展。”

然而很多职业院校信息化的建设，仅仅停留在应用多媒体课件展示教学内容上，没有体现出信息技术与课程整合的实质性内涵。根据前面引言提出的职业教育存在的问题来看：解决问题（1）需要建设一个开放性的实验平台；解决问题（2）需要借助虚拟仿真技术弥补实物实训的不足；解决问题（3）必须使该实验平台具备良好的共建共享性；解决问题（4）必须使该平台具有完整性，即良好的整合性。综上几点，利用现代信息技术搭建一个集教、学、考于一体的一站式虚拟实验教学平台，实现职业教育与信息技术真正深度融合，能为解决当前职业教育面临的问题提供新途径。

一站式虚拟实验教学平台对学生而言，联通了课堂、实训基地和社会岗位，为学生创造一种能够随时随地在做中学、例中学，及时得到反馈和指导的“空中课堂”[4][5]如图1所示，有效地解决了职业教育实训难、实习难的问题。

一站式虚拟实验教学平台对于教师而言，整合了课程建设、教学资源、评价模式，形成一个一体化的教学体系如图2所示，实现信息技术与现有教学内容和知识点完整配套，便于随时更新和异地共享，为加快推进职业教育资源开发和共享，缩小校际和区域资源配置差距，提供了新的可能。

三、一站式虚拟实验平台的组成

一站式虚拟实验平台由实验管理系统、实验教学系统、自主学习系统和自动化考核系统组成，如图3所示。

1.实验管理系统

实验管理系统包含通知系统、用户管理、用户组管理、角色管理、权限管理等，负责对各种实验资源、实验资讯、用户信息等进行统筹管理，提高实验管理运作的科学化、智能化，并加快系统化建设进程。

2.实验教学系统

实验教学系统提供开放实验环境下的资源共建共享、实验教学、作业管理以及实验教学评价，为提高实验教学效率和效果提供支持。

资源共享共建模块提供可用性高、易获取、优质丰富的实验教学案例资源及题库，对课件、精品课程、微课程、企业的真实案例等进行分门别类的标注，方便检索。同时这些资源是开放和共享的，支持自主扩展，能够逐渐形成一个完整的学科资源库。

实验教学模块通过虚拟现实技术和网络技术创建高交互的实验教学环境，并进行实验过程跟踪与针对性指导。同时也包括实验任务的发布、回收与评价以及作业的收发与批改，优秀案例作业的展示与分享[6]。实验教学过程如图4所示。

3.自主学习系统

自主学习系统中有登录模块、知识呈现模块、资源集成模块、学习工具模块、在线测试与在线作业模块、实时自由讨论区和专题讨论区模块、学习过程记录、查询模块。自主学习系统提供丰富的实验案例和具有高度交互功能的虚拟实验环境供学生进行实验实训，并全程跟踪操作过程，实时诊断与评价操作技能及结果，指出错误的原因，并提出学习建议和操作示范，实现真正的一对一教学实验指导。

学生可以随时随地登录到该学习系统进行某门专业课程的学习，过程是：学生登录自主学习系统，在知识呈现模块获取学习任务后进行相关知识的学习，可以通过资源集成模块提供的专业教学实验案例、真实环境下的操作演示视频等各种资源进行例中学，遇到不懂的问题可以在讨论区进行咨询，同时使用学习工具在虚拟实验环境中进行反复的交互性操作，实现做中学，而学习过程记录模块已在学生登录自主学习系统时开始进行学习轨迹跟踪，查询模块提供学习进度、策略方面的支持。学生无论进行在线学习还是完成作业或测试，高度交互的虚拟操作系统都会实时反馈与评价，给出针对性的提示信息和操作演示，直至该学生最终掌握正确的操作技能和方法。最后系统还会对本次自主学习进行总结分析，给出进一步学习的建议，指明继续努力的方向[7]。自主学习过程如图5所示。

4.自动化考核系统

建立以技能自动化测评为中心的多元化评价体系，通过科学化评价机制，采用多样化的评价方式[8]，最终实现按照不同情况的需要，实现作业评价、实验过程的跟踪评价、认证评价和课堂总结性评价。

自动化考核系统提供真实环境下的技能训练和考核，全面地考察操作者实际操作能力和解决实际问题的能力，学生可以在该系统下进行各类认证考核的模拟练习。系统提供自定义测试卷组，学生可以由答题库随机出卷，也可以自由组合客观题与操作技能题目，考核系统都将进行操作技能的自动化评测，为学生提供一个有效的指导。

四、一站式虚拟实验平台的特点

1.整合性

集教、学、考于一体的一站式虚拟实验教学平台使学生获得“教学练评”的一体化技能训练，即学生在生动逼真的虚拟环境中体验并训练技能，并随时与实验对象、学习资源、教师、同学等进行交互反馈，得到实时评价，锻炼和培养真实的职业行为[5]。

该平台整合了校内不同专业的虚拟实验实训，一方面为学生进行本专业和跨专业技能培训和自主探究式学习提供开放的、综合性的虚拟实验环境，同时也为教师进行交叉学科实验建设和多工种技能鉴定提供平台。

2.可扩展性

为随时增加不同的专业训练项目、实验场景和其他功能模块预留可更新和扩展的数据接口、功能接口，使平台应用可持续更新[9]。

3.共建共享性

平台具备教学资源上传、试题添加、优秀作业成果展示等功能，这些资源可以逐级推荐和审核，实现优秀教学资源的共建共享。该平台可以使教师持续有效地开展优质职业教育资源体系化建设。教师一方面可以把已有的信息化教学资源和成果进行共建共享；另一方面随着实验平台不断应用产生的新经验成果及资源，教师可以进行二次整理和进一步的开发和实时更新，提高实验教学的效率和质量。

五、一站式虚拟实验平台的建设实践

为了更好地管理校内的实验实训资源，提高优质实验教学资源的利用率，促进职业教育与信息技术的深度融合，工业中心开展智能管理系统二期工程项目建设，一站式虚拟实验平台是其中一个重要组成部分。该项目获广东省2015年“创新强校工程”项目资助。该平台整合了校内原有的电子工程、自动控制、物流管理、数字传媒、机械加工五个专业类别的22个虚拟仿真实验实训项目，如中央空调远程控制、高电压控制、虚拟数控铣削加工、教育电声系统、虚拟演播、非隔离型AC-DC变换器、物流三维模拟仿真、交互式虚拟装配等，并在此基础上进行进一步的扩充和建设。

学生可以在此开放性的平台进行自主学习与技能训练，获得实时评价，提高操作能力。某些专业还可以进行认证考核模拟练习，例如“CZK数控加工仿真训练与智能化考核系统”开展面向实际生产过程的机床仿真加工训练；如“电气故障信息化考核系统”中的“制冷设备电气故障检测智能考核系统”提供了四种不同的制冷设备控制电路：（1）变频空调控制电路、（2）热泵式分体空调控制电路、（3）中央空调控制电路、（4）冷库控制电路供学生进行仿真训练。这四种电路均由信息化系统以智能化方式设置各种故障点：变频空调设置了28个故障点、热泵式空调设置了24个、中央空调设置了30个、冷库24个，以满足不同等级的技术培训与考核使用。另外，考核系统中的试题库含有两类试题：一类是针对制冷设备控制电路板设置的培训应会试题库；另一类是根据国家劳动部有关制冷设备相应职业技能等级的应知考试题库；再如“中央空调信息化智能考核系统”，学生可以远程进入中央空调的虚拟仿真界面，如图6，图7所示，进行中央空调和冷库的正确开关机顺序、延时时间长短控制、运行状态实时监控和故障排除等仿真操作和模拟考核[7]。仿真界面上显示的各种动态变化的数值来源于可编程控制器PLC上的对应变量链接，通过传感器采集空调运行的各种实时数据获得。

该平台计划提供面向广东省支柱产业：数控、电子、电工、软件、汽车、金融等专业技术考核60多个方向的项目实验实训，28个工种的职业技能鉴定，向其他职业院校开放，形成辐射作用，扩大优质信息化资源覆盖面。同时各专业的教师可对平台内的实验实训资源共同进行建设与开发，保证优质的教学资源得到持续性的更新和共享，为我校“面向职教、服务职教、引领职教、特色发展”的办学思想提供支持。

六、结束语

本文提出一站式虚拟实验平台的设计思想，在建设与应用的实践中，该平台的“整合性”与“共建共享性”为职业院校师生的教与学提供了极大的便利。该实验平台的建设与投入使用为职业院校提供了一个清晰的体系化数字教育教学资源库，便于各专业教师进行综合统筹，对相关领域各种资源进行分批逐次的信息化建设，有利于职业院校的学生充分利用校内外的实验实训资源进行技能培训，拓宽职业视野。在国家号召加快发展现代职业教育的今天，通过一站式虚拟实验平台整合职业教育已有信息化成果和师资力量进行新旧资源的共建共享，有利于扩大优质资源的覆盖面和受众，使职业教育信息化实现与时俱进，得到持续性的发展并跨上新的台阶，为培养学生新时代的职业能力和信息素养开拓新的途径。

参考文献：

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[9]陈华竣，赵士斌.开放式虚拟训练实训室的设计与建设[J].实验室研究与探索， 2012，8（31）：158-161.

一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇4

摘要：虚拟技术的发展使电子线路的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进电子线路实验教学的现代化。

关键词： 电子线路EDA技术多媒体技术虚拟实验 1．电子线路虚拟实验概述

虚拟技术是近年发展起来的，利用计算机模仿真实过程的实用技术。电子线路虚拟实验是利用计算机构造一个实验模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验效果和目的的一种新的实验方法。EDA技术是一种以计算机为基本工作平台，以高级语言描述、具有系统级仿真和综合能力的软件工具。软件有多种，其中Multisim软件是较常见的电子技术设计和实训的工具。通常工具软件的元器件库储存有许多大公司的晶体管、阻容元件、集成电路和数字门电路芯片等元器件，仪器库则有万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换等仪器，接通开关就可以进行和实物实验一样的测试分析了。但这类软件的缺点是元件均是以电路符号实现的,与实物试验差别很大.我们所完成的多媒体电子技术实验系统软件的突出优点是:元件及仪表均以实物形式重现,直观性强,可操作性高。

2．电子线路虚拟实验的实现 2.1实行虚拟实验的必要性

电子线路是一门较为抽象的理论型课程。在学习电路理论时必须理论联系实际，抓好教学中的实验环节，让学生能根据自己的实际情况，结合教师的教学要求进行实验操作，验证所学到的电路原理。但是，学生在实验中出现的种种现象又不尽人意，暴露了传统实物实验的一些固有缺陷。例如：

（1）学生不熟悉电路连接，还没有掌握好锡焊技术，所以连接电路时极易出错。

（2）电路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。

（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。

（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。EDA技术恰好能够弥补实验的不足。它的优点是：

（1）在计算机上即可完成和实现电路的电气连接，检测电路的电性能。例如，显示检测点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。

（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度特性（Temperature）分析等。

（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的电路连接、测试工作。（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。

2.2实验室的建构

作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。一方面继承实物

实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。系统配置是：一台多媒体计算机+多媒体电子技术实验系统应用软件。

3．虚拟实验示例

现以“单管基本电压放大器”为例，说明具体实验在虚拟实验室中是怎样开展的。实验中进行了一系列参数设置、波形观察和数据读取，以验证虚拟实验的可操作性。

首先计算机装上具有电子技术实验系统功能的软件，然后利用软件提供的元件和仪器在屏幕上搭建单管电压放大电路，如图1所示。

图1单管电压放大电路

图中信号发生器的输出信号频率为1kHz，幅度为VP-P=20mV的正弦波；万用表用于测量各点的工作电压；示波器用于测量各点的波形。

接通虚拟直流电源开关，调整电位器Rw，使电路处于最佳放大状态，示波器就显示出波形失真最小、输出信号幅度最大的反相放大波形；Rw调至阻值最大时，三级管接近截止，输出幅度较小的截止失真波形；调至阻值最小时，三级管接近饱和，输出饱和失真波形。图1中显示为三极管放大状态时示波器面板显示图。

通过一系列电路的测试和数据的读取分析与实物实验所得结果进行比较，得出基于EDA软件的电子线路虚拟实验能完整、准确、快速地达到所有电子线路课程的实验要求和实验目的的结论。

4虚拟实验在教学中的应用 4.1功能作用

a.辅助课堂教学

传统的电子线路教学往往是理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识，在黑板上画电路图，给学生分析电路特性，分析电路随着某一元件的

变化而变化的情况。教师讲得辛苦，却得不到理想的效果；学生听课吃力，往往不得要领，很难对有关理论留下深刻的印象。进行实验，其主要目的就是为了检验课堂上传授的理论知识，加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将一个实验搬到课堂中来，倘若有虚拟实验室，便可以很方便地利用其在课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到检验，给予学生感官上的认识，达到从感性认识到理性认识的有机过渡。

b.代表实物实验中理论的验证、电路分析和数据获取等部分的操作 辅助实验教学的开展，为学习者提供一个检验电子线路理论和知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算公式通过编制程序计算出结果，画出精确仿真图线，帮助学生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中构建的虚拟实验室，主动设疑、实验，不断地得到实验结果；并且可以修改参数，在不必担心损坏仪器的情况下，迅速进行实验仿真，检验自己对所学知识的掌握情况，这对提高学生的学习积极性，提高教学水平是有益处的。

c.便于学生发挥创造性思维

教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂一点的电路，单是搭建时准备零件、制作电路板、焊接就要花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状态，不断地更换零件、调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作新颖的电路是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。

d.完善电子线路的远程教学 实验虚拟化，把实验室搬到了网络，对于电子线路这门操作性很强的课程来说，更加完善了电子线路的远程教学。

4.2运用基础

与传统实验一样，实验仿真软件在设置实验时，首先明确该实验要解决什么问题。这就要求教学人员不仅要对课程内容和教学任务做系统深入的研究，认识该学科的特点，划分知识点，尤其是重点、难点，而且还要充分考虑学生的学习特点，在此基础上确定实验内容，编写实验指导书，让学生在具备电子线路基本知识的基础上开展虚拟实验。

4.3工作流程

在虚拟实验室中做实验的基本流程程序结构（如图2所示）。

图2实验基本流程方框图

因为我们的教学主要是理论传授，不需要去开发和设计电路，所以上述的实验流程并不包括电路设计开发部分。但是EDA软件在极大地满足我们的实验要求的基础上，还有非凡的应用潜力，这无疑是个广阔的天地。

在计算机辅助教学实践中，学生上机普遍存在两个问题：一是面对众多的计算机，教师难以准确、全面地掌握学生练习的实际情况，及时进行个别辅导；二是难以做到上机时学生之间、师生之间进行情况交流，使上机操作变成学生自己的活动，影响教学。因此就要求建立一种虚拟试验的教学模式，使教学信息交流双向化。

4.4虚拟实验室课堂的教学模式

由于虚拟实验室加入了教学的环节，打破了传统教学的流程，势必要求制定出新的教学模式以适应发展的需要。根据建构主义理论和教学设计理论的有关知识，可建立以下两个教学模式（如图3所示）：

图3a实物实验教学模式方框图图

图3b虚拟实验教学模式方框图

第一种模式是先做1~2次实物实验，学生有了形象体验后再做虚拟实验，对于从事没有实物操作经验或抽象思维能力、形象化能力较差的人，这样做效果会好些；理工科的学生关于电子实物制作一般都已有所接触，所以第一、二种教学模式他们都能较好地接受。教师可根据教学和实验效果适当变更。

5建立虚拟实验室，推广电子线路远程教学

在信息社会中，知识的更新速度很快，各学科间的相互交叉渗透更为普遍，一次性的学校学习将不能满足信息社会对人才的需求。这就使得各层次的教育必须面向社会，以服务于不同需求的社会人群。这个教学任务是传统的教学手段所不能胜任的。Internet的飞速发展和普及，使这一教学任务的实现成为可能。

教学软件与Internet接轨才能在人们广泛的继续教育、培训教育乃至终身教育中显示其优势性能，充分发挥重要作用。本软件就是让电子线路实验教学与Internet接轨的良好工具。使用本技术的虚拟实验室可以有效地配合网上电子线路理论教学，原有的电子线路CAI加上虚拟实验将使网络教学更加完善，便于推广电子线路教学的远程化。

一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇5

微机原理与接口技术是计算机专业的重要课程之一, 它包含了微型计算机系统的组成、工作原理以及常规接口技术和接口程序设计, 是应用和开发微型计算机的重要技术[1,2]。由于微机接口实验常常需借助专门硬件实验设备才可以进行, 从而会受到实验设备数量不足, 实验设备易损坏、老化等制约, 因此虚拟实验越来越广泛地受到重视。虚拟实验有多种方式, 有硬软结合的虚拟实验, 通过客户端的操作, 借助网络控制真实实验设备, 并通过网络反馈给用户结果信息, 但由于网络的延迟性, 该方法多用于局域网;还有一种是基于Web的虚拟实验, 通过直接利用Java虚拟机及对I/O端口读写的捕获技术[3,4]或编写仿真汇编解释器[5,6,7,8], 再借助Web来实现的全软虚拟实验。但通过多年的教学实践, 我们发现必要的实物实验对学员正确理解实际时序以及芯片间的关联关系有着很重要的作用, 所以我们从另一个角度进行了有益地尝试, 开发了《微机原理与接口技术网上虚拟实验平台》。它通过虚拟实验使学员在进行实物实验前就熟悉了已有实验, 进而再通过分组分批完成实物实验, 这样可以用较少的时间和设备, 满足课程实验要求。该平台还可以供用户提交创新实验, 经老师验证和管理员审核后, 再提交到平台, 达到扩展实验内容和提高实验效率的目的。该平台部署如图1。

该平台的设计原则是依托现有机房资源, 使接口实验在时间、空间和质量上得到较好的优化:一是时间上, 实验可在正式上课时间进行, 也可在其他时间进行;二是空间上, 实验可以在实验机房内进行, 也可在宿舍等终端上进行;三是质量上, 学员可进行查询、学习和老师交流, 还可进行常规和创新实验, 教师可以管理、检查和指导。

2、平台的功能设计

本平台是使用C#.net 2005、SQL SERVER2000、DreamWeaver CS、Flash 8.0等工具联合开发而成, 采用了B/S结构, 各角色通过IE浏览器浏览实验中所涉及芯片的外观、结构图、引脚图;可以根据不同实验进行实验虚拟连线, 系统自动鉴别正误;可以根据不同实验进行程序流程图设计, 系统适时给出提示;可以根据不同实验进行汇编程序设计, 系统将用户答案与实际答案进行比较;可以考察不同实验的时序图;可以方便师生网上交流, 并具有友好的消息提示;可以获取实验目的、要求、内容等;实验中引入了计时器, 可以考察实验者的熟练程度。系统具备较强的平台维护功能, 可以增删用户;分配角色;管理权限;维护管理实验材料;增删实验资源;开设新实验等功能。

通过该平台进行实验, 学员不仅快速提高了实验的熟练程度, 而且还能通过在网上与教师的交流, 及时获得指导, 顺利较高水平的完成实验, 快速提高实验水平, 另一方面学员也可以进行研究型创新实验, 学员采用自己的方法, 进行先期设计、网上提交、教师审批, 从而促进感兴趣学生创新能力的提高。新的设计方案经验证后, 平台可以将其添加到资源库中, 以后为他人开放, 使平台更具开放性。

平台主要包括芯片展示、实验操作、互动、系统管理等子系统。

2.1 芯片展示子系统

该子系统包括展示芯片的外观、结构图、引脚图模块。展示芯片外观模块通过flash展示, 让用户熟悉芯片的外部特征, 在实验板上的位置以及对应的接线柱等。展示芯片结构图模块通过动画细致刻画芯片的编程结构图和功能结构图, 让用户从使用者的角度既熟悉芯片在编程中所涉及的寄存器和外部连接, 又熟悉芯片的内部工作原理, 理解各功能模块间的协作关系。展示芯片引脚图模块使用户熟悉芯片各引脚对应的信号含义。

2.2 实验操作子系统

该系统包括实验连线、流程设计、汇编程序设计、时序图仿真模块。实验连线模块主要是利用带有响应鼠标单击、拖动事件的动作脚本的flash技术来实现, 首先用户在虚拟的实验箱面板上, 通过单击芯片, 找出所做实验用到的芯片, 同时系统自动及时地给出正误提示, 当所有芯片找全找对时, 所涉及芯片以大图显示于面板的前景, 方便后续连线。其次利用绘图和鼠标热区技术实现芯片间正确的引脚连线, 系统能给出相应的语音信息。当连接全部正确完成后, 点击确定, 将切换到总界面, 并将所涉及芯片和实验连线缩小到实验箱面板, 形成连线的整体效果图。实现实验连线模块的关键步骤如下:

首先将实验所需的芯片的引脚制作成可以响应的按钮, 利用Flash8.0的ActionScript2.0动作脚本, 对响应的按钮添加绘制直线函数或者调用声音影片剪辑代码, 从而实现当用户选择了此引脚时就会牵出一条属性如代码所置的直线。

其次当用户鼠标落在了被连线的芯片上的正确引脚 (即连线的正确终点) 时, 调用脚本:on (press) {with (＿root.t1) {gotoAndPlay (1) ;}}以完成连线, 同时还可以调用语音提示连线正确的影片剪辑。

流程设计模块是用来训练学员针对实验要求, 进行概要设计的能力。该模块随机生成一些流程图元, 供用户选择, 利用吸附和弹回表现正误。实现这一功能的关键是利用动作脚本中的鼠标拖拽对象和测试是否碰撞, 主要代码如下:

汇编程序设计模块是用来培养学员按流程设计编写程序的能力, 该模块可以让用户录入代码, 系统自动监测, 不断与数据库比对, 提示用户出现的问题, 用户还可以直接查看答案也可以重做。时序图仿真模块是用来训练学员熟悉每个信号的发出者和承受者, 并搞清楚各个信号之间的因果关系。该模块通过时间控制, 直观表现了信号的变动情况, 并在各关节点处强调出时序图中各参数含义和范围要求。

2.3 互动子系统

该子系统包括提交模块、审批模块、答疑模块。提交模块可以满足普通用户提交调试好的汇编程序、疑问、新设计方案等资源, 分别保存于服务器上由该用户独占的自保留资源目录、疑问资源目录以及新方案待审资源目录, 方便异地下载使用, 同时维护数据库中自保留资源信息表、疑问资源信息表以及新方案待审资源信息表。审批模块可以满足资源管理员审批由普通用户提交的新设计方案, 针对方案问题反馈给提交者修改意见, 没有问题的保存到系统资源目录, 并维护系统资源信息表, 供更多用户共享。答疑模块可以满足实验指导员在网上针对用户问题给出解决方案。提交模块实现的主要代码如下:

2.4 系统管理子系统

该子系统包括用户管理、角色管理、权限管理模块。将用户分配为普通用户角色、资源管理员角色、实验指导员角色、系统管理员角色, 并通过权限管理将页面名字对应于不同角色, 一般为多对多联系, 当用户登陆时将用户id传入session, 进而在页基类的page＿load中检查有无访问该页的权限, 从而保证安全性。

3、在网页中嵌入动态FLASH的代码实现

网页中嵌入FLASH在一些文献[9]已见到, 但我们这里需要在网页中嵌入动态FLASH, 并能响应鼠标动作, 故需做一些改进。首先下载Adobe公司的swflash.cab升级包, 存放至网站根目录下, 使客户机通过IE从本网站自动升级其FLASH播放器。其次在网页中嵌入对象

4、结束语

整个系统操作简便、界面简洁、打印实用、系统安全可靠, 实现了接口技术网上虚拟实验的主要功能。经过测试证明, 本系统可以较好的满足我校微机原理与接口技术网上虚拟实验的需求。

参考文献

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一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇6

2011年，经国务院学位委员会和教育部批准，公安技术学已正式设立为一级学科，该学科的设立，填补了公安高等教育一级学科的空白，是公安高等教育的一项重要突破。公安技术学作为工科的一级学科，理化基础学科是其教学的重要支撑，培养学生基础科学实验素质将是公安技术各学科共同的教育目标。

江西警察学院的公安技术学基础理化实验教学，面向刑事科学技术、安全防范工程、信息网络安全监察、交通管理工程等专业，是江西警察学院涉及面广、对相关专业影响较大的基礎实验课程。该课程的开放及教学质量的好坏，直接影响到学员后续课程的学习及实践创新能力的培养。江西警察学院申本初期，基础理化实验室的软硬件设备虽然有了很大程度的改善，但仍然没有从根本上改变传统理化实验室面临的困境。

近年来，虚拟仿真实验教学已在高等教育领域广泛运用，并得到迅速发展，公安院校在虚拟仿真实验教学、平台的建设及研究等方面还比较滞后。因此，如何利用江西警察学院的现有资源，研究、探讨基础理化虚拟仿真实验教学与平台建设显得尤为重要。

一、江西警察学院基础理化实验教学现状

1.实验教学经费投入不足

由于实验经费的限制，江西警察学院无法更新仪器设备，或者增加设备台套数。目前，江西警察学院理化实验教学学生人数多（一个教学班级一百二十余人），实验台套数少（普通实验仅为12台套），致使部分学员不能实际操作实验，从而导致许多耗材过大的理化实验在后期基本停止开设。

2.实验教学时数偏少

江西警察学院的基础物理和化学的教学时数均为51课时，根据教学大纲要求，实验课时占30%。由于课时偏少，许多研究设计型实验无法开设，列入教学计划的理化实验项目的教学时间也经常被压缩。理化教学实验是一个严谨、科学，以及多次重复的操作过程，如果教师在较短的时间内要求学生必须完成一定的理化实验，并获得正确的实验结果，这是不符合实验科学规律的。

3.实验教学方法滞后

当前，江西警察学院的理化实验教学主要是先由教师讲解实验原理，介绍实验仪器设备、实验操作步骤、实验中的注意事项，再由学生实际操作，撰写实验报告。在整个实验过程中，学生研究和探索的机会不足，不利于提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。此外，由于课堂教学时间有限，很多实验内容不能得以扩展。

二、基础理化虚拟实验教学平台建设的必要性和可行性

1.建设的必要性

公安技术学是一门实践性、应用性很强的技术类学科。公安基础实验课是公安院校各专业最重要的一门基础课，它能强化学生技能水平，培养学生的实践能力，提高学生的创新意识，是培养综合性、高质量公安人才的重要环节，所以公安高等教育必须重视这门课程。实验教学平台是发挥公安院校基础实验课功能的主阵地，加强实验教学平台建设，完善实验教学管理体制，改革实验教学内容，改善实验教学条件，更新实验教学手段，加大实验教学中心校内外开放力度是公安高等院校实验室建设和改革的重大课题。

2014年，教育部《关于开展2014年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》指出：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。江西省教育厅启动了“江西省高等学校基础课实验教学示范中心建设工作”，将用五年的时间，在江西省高等学校中建设100个高水平的“江西省高等学校基础课实验教学示范中心”，有重点地建设一批示范、辐射性强的基础课教学实验中心。平台建设符合国家政策，属于国家政策优先支持的领域和范围。而作为以培养应用型人才为主要目标的地方新建本科公安院校，基础理化虚拟仿真实验教学平台的建设显得尤为重要和迫切。

2.建设的可行性

第一，江西警察学院公安基础实验教学中心拥有一支既能理论教学，又懂实验技术的师资队伍。该教学中心创办于1986年，通过二十多年的发展，已形成了一支年龄、学缘和知识结构合理，且具有较高水平的基础实验教师队伍。其中，江西省教学名师1名，江西省新世纪百千万人才1名和江西省中青年骨干教师2名。江西警察学院积极推行基础理论课教师从事实验教学、实验技术教师兼任理论课教学的教学模式，实现实验教学与理论教学有机结合，形成高级职称教师积极从事基础实验教学的良好氛围。

第二，公安基础实验教学中心建设已初具规模。江西警察学院公安基础实验中心现有实验室面积500平方米，由力学实验室、光学实验室、电学实验室、大学物理演示实验室、基础化学实验室、电子电工实验室等组成，现有教学实验仪器设备总价值两百余万元。江西警察学院在新校区兴建了实验大楼，可提供320平方米的实验中心建设用房，以确保实验中心的良性发展。

第三，公安基础实验教学中心实验教学管理规范、高效。实验教学中心以高职高专评估和申办本科为契机，不断深化实验教学改革，以评促建、以评促改，使实验中心的建设和管理水平更上一个台阶。实验中心的实验条件、实验环境得到了明显改善，实验教学手段有了改进，规章制度得到进一步改善。此外，实验中心责任目标明确，基本工作信息和仪器设备档案实现计算机网络化管理，实验中心的建设和管理形成了有章可循、按章办事的良性运行机制。

第四，公安基础实验教学中心是江西警察学院重点建设实验单位。江西警察学院高度重视实验教学中心的建设和规划工作，已在 《江西警察学院十二五建设规划》中将基础实验教学中心列为重点建设实验室。江西警察学院隶属新建地方本科公安院校，实验中心教学平台在建设实施过程中，必将得到江西省政府、江西省公安厅的扶持和资助。因此，公安基础实验教学中心基础理化虚拟仿真实验教学平台的建设是完全可行的。

三、基础理化虚拟实验教学模式研究

江西警察学院将按照“能实不虚、虚实结合、相互补充”的原则，以学员基本实践能力训练为基础，以创新意识、创新精神和创新能力培养为突破口，遵循知识、能力、素质协调发展的实验教学理念，构建了从基础到前沿、循序渐进的理化实验教学体系。

在理化实体实验教学中，实验项目按能力培养目标，分成基础型实验、综合设计型实验、研究创新型实验三个模块，把力、热、电、光、近代物理、有机无机化学、分析化学等分支学科相互融合，使它们成为内在联系紧密的实验教学系列，使之既与理论课有機结合，成为物理、化学概念学习的铺垫和延伸，又与后继课程紧密配合，成为通识教育和专业教育的重要环节。其中，基础型实验系统是培养学生的基本技能和实验方法及习惯；综合设计型实验是培养学生的综合设计能力和专业应用能力，体现个性化培养；研究创新型实验的重点是培养学生的探索精神和创新能力。

然而，由于受到实验条件的限制，实体实验对学生实验技能和创新能力的培养效果还不理想。如一些微观、强磁、低温、高压危险实验，很难在实体实验中实现。为了弥补实体实验的不足，充分发挥虚拟与实体实验各自的优势，江西警察学院将虚拟仿真实验与真实实验相互融合，在实体实验教学体系基础上构建自主实训、基础培训、综合设计、研究探索四个层次的实体与虚拟仿真实验相结合的实验教学体系。这样，既有与实体实验项目相对应的实验项目，又有实体实验无法完成的虚拟实验项目，从而有效提高学生的实践能力。

四、基础理化虚拟实验教学平台建设思路

1.改善基础理化虚拟实验教学软件和硬件条件

江西警察学院争取中央财政支持地方高校专项资金200万元，添置一批国内外先进的教学软件及虚拟实验教学仪器设备，建设涵盖物理、电子及化学学科等具有拓展性、先进性、前瞻性和科学性的管理及共享虚拟仿真实验教学平台。

2.构建培养学员基础实验和创新能力的理化虚拟实验教学体系

按照宽口径、强基础、重实践的培养模式，江西警察学院利用实验教学平台，积极开展基础型、设计综合型、创新研究型三个层次模块化的实验教学体系建设。另外，江西警察学院将各理工科专业教学大纲和专业培养目标相结合，以提高学生创新实践能力和综合素质为目的，全面提高学生的创新实践培养水平，为学生今后多元化发展创造条件。

3.启动基础理化虚拟实验教学团队建设

江西警察学院要制订基础理化虚拟实验教学团队建设规划，组织骨干教师前往兄弟院校开展虚拟实验教学技术学习培训，安排理化教师进行虚拟实验教学示范观摩，提高教师的实践教学水平，并引导教师开展虚拟实验教学及软件开发的科研创新工作，申报省级、院级虚拟实验教学改革项目，努力提高科研创新水平。

4.科学规划基础理化虚拟实验教学管理模式

首先，基础理化虚拟仿真实验平台实行学院与系部两级管理，职责分明又有机结合。学院给予政策支持、人员调配和经费保障等，系部负责基础理化虚拟仿真实验教学、软件开发、技术培训和日常教学维护管理；其次，实行开放式实验教学模式，以更好地训练学生的实验技能；第三，为了适应开放式实验教学模式，江西警察学院应建立理化实验网上选课系统、学生成绩管理系统；最后，实行理化实验项目负责人制，实验教师按照实验课类型及实验项目实行分组管理， 提高管理效率， 确保教学质量。

一站式虚拟实验平台的设计与建设 篇7

一、虚拟仪器及Labview 8.2

虚拟仪器的概念是美国N I公司 (Na tional Instrument) 在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台, 充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能, 同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化, 使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同, 同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比, 虚拟仪器有许多优点:对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快, 测试结果的表达方式更加丰富多样, 可以方便地存储和交换测试数据, 价格低, 技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能, 满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化, 任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模, 这充分体现了软件就是仪器的设计思想。

虚拟仪器的技术基础是计算机技术, 核心是计算机软件技术。其中最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering workbench, 即实验室虚拟仪器工作平台) 。它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的32位编译型程序开发系统, 它的目标就是简化程序的开发工作, 提高编程效率, 让科学家和工程技术人员充分利用计算机的资源和强大功能, 快速简捷地完成自己的工作任务, 它被称为科学家与工程师的语言。

二、基于LabVIEW的虚拟实验平台设计

LabVIEW软件设计包括前面板控件的布置和框图程序的设计。前面板的设计主要是根据用户的需要和操作的方便性进行输入输出控件空间的排布, 前面板是虚拟仪器与用户进行信息交互的界面。用户可将信号通过输入控件 (Control) 输入到虚拟仪器内, 程序运行的结果由输出控件 (Indicator) 来完成, 显示到显示器或显示控件内。框图是完成程序功能的图形化源代码, 通过它对信号数据的输入和输出进行指定, 完成对信号采集及分析处理功能的控制。

1. 主程序设计

LabVIEW编程的最大好处是图形化编程和模块化编程, 这使得编程更加直观和更加容易。为了使编程更简洁且容易修改, 本文将各实验进行模块化设计, 然后利用事件结构 (Event Structure) 实现各实验子程序的调用。在前面板上设计几个菜单式按钮, 点击相应的按钮可以弹出相应实验项目的运行界面。主程序的程序前面板和框图程序如图1所示。用户可以单击说明按钮, 了解试验平台的使用方法, 以及各实验项目的实验方法和实验步骤。该实验平台包括自相关分析、互相关分析、频谱分析、滤波分析等实验模块, 学生可以通过该实验平台学习各个实验内容, 同时教师也可以将该虚拟实验平台应用于课堂教学中, 帮助学生理解关于测试技术里面抽象的概念。

2. 实验原理及相应子程序设计

(1) 自相关分析:

①自相关函数的概念和性质:

x (t) 是各态历经随机过程的一个样本函数, x (t+τ) 是x (t) 时移τ后的样本, 把x (t) 与x (t+τ) 相关程度可通过相关系数表示, 即:

若用Rx (τ) 表示自相关函数, 其定义为:

正弦函数的自相关函数是一个余弦函数, 在τ=0时具有最大值。它保留了幅值信息和频率信息, 但丢失了原正弦函数中的初始相位信息。根据自相关的这一特点, 可以实现自相关滤波, 检测信号是否含有周期信号。以上理论的实现可以通过设计如图2所示的自相关函数实验模块帮助学生理解公式的含义。

②点击主程序前面板中的“实验一”按钮即可进入“自相关函数实验”模块, 调整前面板右边的“噪声幅值”即可调整噪声幅值, 还可以调整信号幅值、信号频率。当滤波器打开的时候, 可以选择滤波方式对叠加有噪声信号的正弦信号进行滤波, 然后做自相关。混噪正弦信号也可以不经过滤波, 直接做自相关, 通过自相关函数分析出正弦信号的频率和幅值。教师可以在授课的时候进行显示, 使学生体会自相关的作用及其特点。学生在课下做试验过程中, 可以按照“说明”的内容完成相应的步骤, 记录数据, 明晰实验原理, 最后总结, 撰写实验报告。通过该实验模块设计, 学生可以较全面掌握自相分析这一知识点。

(2) 互相关分析

①互相关函数的概念和性质:

对于各态历经随机过程, 两个随机信号x (t) 和y (t) 的互相关函数Rxy (τ) 定义为:

时移为τ的两信号x (t) 和y (t) 的互相关系数为:

在测试技术中互相关技术得到了广泛地应用, 如测量系统的延时、识别、提取混淆在噪声中的信号等。学生通过学习互相关分析, 可以掌握互相测量的基本方法。本实验模块将会互相关分析变得更加直观。

②点击前面板中的“实验二”即可打开“互相关函数实验”。学生可以在面板改变两个正弦信号的频率和相位, 学生能更直观了解两个信号的相关性与互相关函数和互相关系数的关联性, 进而对课本知识中的自相关和互相关有个比较清晰的理解。

(3) 频谱分析

①信号及信号频谱分析的概念。信号可以从时域和频域两个方面来描述, 日常工程信号通常是可测量、记录、处理的物理量, 都是时间的函数。而有些信号在时域表现很复杂, 转换到频域可能会很简单, 比如说混合了几个不同频率的正弦信号的叠加信号, 在时域里其波形特征不是很明显, 转换到频域里就是简单的几根谱线, 特征很明显。

频域分析是把被测信号从时域转换到频域, 对信号的频率成分和幅值强度进行分析。离散傅里叶变换 (D F T) 是实现频谱分析的数学工具, 利用Lab VIEW可以很方便地实现对离散信号的频谱分析。

离散傅里叶变换公式:

信号频谱分析主要是对动态信号的分析, 通过基于DFT的快速傅里叶变换 (FFT) 把时域信号转换为频域信号, 以得到信号的频率成分。

频谱分析模块设计主要是借助LabVIEW强大的数字信号处理功能, 把实际的正弦波、三角波、方波、锯齿波等信号或叠加信号进行处理, 将书中的理论应用于LabVIEW虚拟实验平台中, 形象、直观以助于教学。下面对程序各部分进行设计。

②前面板的设计。前面板是人机操作界面。该面板由4个波形显示器、信号选择、信号采样、调试、帮助等部分组成。在前面板的设计中, 充分发挥了Lab VIEW的特长。

本程序将几种常用信号的快速傅里叶变换 (FFT) 集成在一个应用程序中, 显示出原始信号、单双边FFT变换、功率谱, 以便进行简单的调试, 分析。设计中采用了装饰框, 使整个虚拟面板变得简洁美观, 更方便教师进行课堂教学, 此程序的前面板如图4 (a) 所示。

③程序面板的设计。程序框图与其前面板相对应, 用图形编程语言G语言编写, 叠加信号频谱分析的程序框图如图4 (b) 所示。以While Loop控制程序运行的停止时间, 其内部用一个Case结构, 便于选择不同幅值、频率的信号叠加而成新的波形信号, 再通过快速傅里叶变换 (FFT) 得到相应的单双边FFT变换及功率谱。

④叠加信号频谱分析:当幅值1或幅值2为0时 (例如其中一个幅值设置为2, 频率为50Hz) , 通过程序运行的结果如图5 (a) 所示, 和理论公式计算结果一致。当幅值1和幅值2都取值时 (例如其中一个幅值设置为1, 频率为100Hz, 另一个幅值设置为2, 频率为50Hz) , 通过程序运行的结果如图5 (b) 所示, 和理论公式计算结果一致。

因此, 通过该实验模块可以让学生深刻理解FFT变化公式含义以及信号叠加后的频率不变性, 同时了解频谱分析的作用及其特点, 为以后解决工程实际问题打下基础。

三、结束语

本文利用LabVIEW提供了多种强有力的工具箱和函数库, 并结合测试技术相关理论建立起虚拟实验平台。该平台的建设不仅可用于学生的实验, 同时也适用于教师的多媒体教学, 方便、快捷。LabVIEW支持多种操作系统平台, 在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序可直接移植到其他计算机上。所以每位同学可以在任意时间和地点通过一个计算机完成实验。另外, 该实验平台比较容易实现网络化, 且容易扩展实验, 具有较强的适用性和较宽广的应用空间。

参考文献

[1]Jeffrey Travis, Jim Kring著.乔瑞萍等译LabVIEW大学实用教程 (第三版) [M].北京:电子工业出版社, 2008

[2]江建军, 刘继光.LabVIEW程序设计教程[M].北京:电子工业出版社, 2008

[3]李杨, 郑莹娜, 朱铮涛.图形化编程语言LabVIEW环境及其开放性[J].计算机工程, 1999, (25) 4:63～65