虚拟实验研究（精选12篇）
虚拟实验研究 篇1
摘要：随着计算机和软件技术的不断发展, 构建虚拟实验系统越来越方便。本文对国内外虚拟实验的研究现状进行了介绍, 同时研究了虚拟实验系统的发展趋势。
关键词：虚拟实验室,研究现状,发展趋势
0 引言
随着计算机和软件技术的发展, 虚拟实验已成为一个热门的教育教学研究内容, 作为一种新兴的实验技术手段, 对传统实验教学的教学模式、教学方法、教学手段以及教学理念产生了重要的影响。
虚拟实验[1,2]是用软件代替硬件, 通过编程模拟实验的过程。整个实验在虚拟环境中以虚拟的形式完成, 不涉及正式的实验仪器设备, 用虚拟实验代替实验室的实验。
1 虚拟实验研究现状
1.1 国外虚拟实验研究现状
目前, 虚拟实验技术不断发展, 虚拟实验在教学中的应用也越来越广泛和普遍。
美国麻省理工学院电子工程和计算机科学系是最早开始虚拟实验教学应用的院系。该系的教授Jesus A.del Almao早在1988年就已经创立了微电子在线实验室 (Microelectronics Web Lab) [3,4], 实验室于1998年开发并投入使用。该实验室提供了用于用于电路设计和微电子学课程的实验教学, 学生可以在自己的电脑上进行设计以及修改电路模型, 然后通过Web浏览器使用在远程实验室里的测试设备来获取测试数据, 验证自己的设计, 该浏览器是通过Java激活的。在2010年, 实验室还实现了通过手机远程控制来进行实验的功能。
美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站VLAB设有多种虚拟实验, 包括能量与环境、天体物理、热学、力学等方面。本系统通过Java语言进行开发, 实验程序需要从服务器进行下载, 并在客户机上运行。
美国还有其他很多家大学或研究会已开始应用虚拟实验室。美国密歇根大学的化学工程系创建的VRCEL (Virtual Reality in Chemical Engineering Laboratory) 实验室主要用于研究和探索虚拟现实技术在化学工程领域的应用。美国霍华德·休斯医学研究会 (Howard Hughes Medical Institute, HHMI) 建立的虚拟实验室是一个模拟完全交互式的生物医学实验室。
德国波鸿大学开发的VCLab (Visual Communication Laboratory) 实验室是关于控制工程的一个学习系统, 它结合了Java Applet以及其他一些插件, 通过MABTAB/SIMULINK软件计算引擎生成的控制工程实验中的模拟动画以及交互动画, 该系统可以采用本地及远程这两种方式进行实验内容的发布。
此外, 国外还有其他许多国家研究虚拟实验室。譬如, 意大利帕瓦多大学开发了用于远程虚拟教育的实验室, 西班牙大学电子系研究了一种电子仪器的虚拟工作平台, 新加坡国立大学建立了远程压力容器实验以及示波器实验。
1.2 国内虚拟实验研究现状
与国外相比, 国内的虚拟实验室研究起步稍晚, 但其发展较迅速。目前大部分高校和科研机构逐渐建立了自己的网络虚拟实验系统。
北京大学计算机科技与技术系开发了一种可用于大计算量的交互式网上虚拟实验室, 该实验系统基本实现了流水线设计以及高速缓存设计这两个实验系统。
清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室, 通过虚拟仪器建立了用于汽车发动机的检测系统, 该系统可用来检测发动机的功率特性、符合特性等。
北京航空航天大学的虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究开发了若干硬件设备和软件平台, 这些平台用于支撑虚拟现实理论与技术研究。例如北京航空航天大学参与构建的分布式虚拟环境网络 (Distributed Virtual Environment Network, DVENET) 是我国第一个基于广域专用计算机网络的分布式虚拟现实支撑环境, 该系统主要包括了一个专用计算机网络以及支持分布式虚拟环境研究与应用开发的各种标准、开发工具和基础数据 (如三维逼真地形) 。
中国科技大学在虚拟实验室的建设和使用方面拥有我国第一个真正意义上的虚拟实验教学软件, 包括几何光学设计实验平台、广播电视大学物理虚拟实验、物理仿真实验软件以及大学物理虚拟实验远程教学系统, 该校物理虚拟仿真实验教学中心已经成功升级为国家级虚拟实验中心, 是我国教育部批准的第一个物理类的国家级虚拟仿真实验教学中心。
国内还有许多组织机构均在开展虚拟实验的相关开发与建设, 与国外的虚拟实验室相比, 我国还存在一定的差距。
2 虚拟实验发展趋势
虽然我国虚拟实验研究还存在不足, 但也取得了一些成就, 有着广阔的发展前景。
(1) 理论指导研究
目前虚拟实验的理论研究远远少于实践应用, 而理论性的文章主要着重于虚拟实验特点、作用、必要性等方面, 缺乏深入的理论思考。因此, 加强有效深入的理论研究是有必要的。
(2) 教学应用研究[5]
目前虚拟实验的应用研究内容主要集中在系统研究与设计、虚拟实验网络教学平台的建设, 对虚拟实验系统应用于教学的模式研究与效果分析以及虚拟实验系统开发的评估等方面的研究较少, 特别是学生对于虚拟实验系统的学习体验调查及评价的研究。
(3) 系统构建方式研究
目前国内的虚拟实验系统的构建技术一般集中于Java、VRML、Flash、Lab VIEW等技术在虚拟实验系统建设中的应用, 或者以此技术在某个实验环节中的应用, 对于多种技术的混合开发以及各项技术间的交互性设计和网络虚拟实验系统的系统结构的研究不多。
3 结束语
虚拟实验是教育教学的一个重要构成部分, 研究虚拟实验技术不仅可以有效地提高教学质量, 而且可以培养学生自主实验能力, 对于教育事业有着重大的推动作用。随着计算机技术、网络技术、多媒体技术等多学科综合发展, 虚拟实验系统的建设将取得更大的进展, 远程教学也将有更广的应用前景。
参考文献
[1]魏芸.虚拟实验的分析与研究[J].科技信息, 2010 (35) :5-6.
[2]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理, 2005, 22 (1) :35-47.
[3]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教育装备, 2010
[4]李凌云, 王海军.网络虚拟实验系统研究现状与发展趋势[J].现代教育技术, 2008, 18 (4) :111-114.
[5]杜俊敏, 李建中.虚拟实验在实验教学中的应用[J].交通高教研究, 2003 (3) :63-64.
虚拟实验研究 篇2
摘 要：采用“虚实结合”的方法，结合数控车加工的特点，开设了数控车编程和数控车虚拟机床仿真实验，掌握数控车编程方法及数控车操作，让学生在实际的虚拟仿真操作过程中，了解并掌握注塑模智能制造的关键环节，加强对所学知识的理解，提高课程教学效果。
关键词：数控车 虚拟仿真 实验教学
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（c）-0204-02
数控车主要用于轴类、盘类等回转体零件的加工。虚拟数控车床，是以沈阳机床、凯达机床等行业领先企业的机床为载体，嵌入了西门子和法兰克数控系统，能够模拟各种虚拟车削加工，如车削内外圆柱面、圆锥面及其它旋转面、端面及各种常用的螺纹还能进行拉削油槽、键槽等工作。通过对虚拟数控车床的对刀、工件装夹、刀具设置、数控程序的编辑与检验，启动数控机床，模拟模具零件加工的整个过程。模拟过程不仅能配置刀具和夹具，检查刀具和夹具与被加工零件的干涉，碰撞情况，还能对加工过程进行实时仿真，真实反映加工过程的实际情况。
按照“能实不虚，虚实结合”的理念，注重知识传授与技能训练相结合，设计实验教学内容，在实验之前，学生先学习掌握数控车床的基本结构、基本特点、数控车床的各种刀具选择、正确的操作方法和步骤，然后结合学习的知识点，通过虚拟数控车床的演示，进一步将所学的知识感性化，在此基础上，学生利用虚拟仿真设备，模拟注塑模零件加工过程，在模拟程序执行时，程序段、坐标值以及工件与刀具的相对移动的切削过程均模拟显示，学生可以即时发现操作加工过程存在的缺陷，并相应进行调整，从而不断提升自己的能力。数控车编程仿真
通过数控车编程仿真模?K，模拟数控车削加工过程，掌握注塑模典型回转体零件的车削自动编程，包含粗加工、精加工、切槽、螺纹切削和中心线钻孔。
主要步骤要求为：（1）加载模具零件，选择加工环境为“Lathe（车床）”；（2）选择加工类型，包括中心钻、一般钻孔、深孔钻、断屑钻、绞孔、镗孔、车外圆、车内圆、车端面等；（3）创建程序“PROGRAM”；（4）选择刀具，包括刀具参数，切削参数、切削量、车床转速等；（5）创建几何体和避让（刀具的起点和终点）；（6）创建工序，生成刀具轨迹，动态显示；（7）调出FUNAC和SIEMENS机床系统模拟切削，确定最佳的切削路径。虚拟数控车床
虚拟数控车床，以沈阳机床厂数控车床为载体，模拟典型模具零件的数控铣削加工，如车削内外圆柱面、圆锥面及其它旋转面、端面及各种常用的螺纹，还能进行拉削油槽、键槽等。
虚拟数控车床的主要步骤如下：（1）部件认知：通过引出线将各部件名称显示出来，更加直观形象的认识车床设备的各个零部件的名称及结构；（2）机床操作：利用软件配套提供的各种教学及实训案例，进行切削仿真，包括数控程序切削和手工切削；（3）案例教学：通过具体的模具零件的案例进行车削加工，有台阶轴加工、轴类零件加工、螺纹加工、综合零件加工等加工案例；（4）智能考核：自动、详细记录实训全过程，自动记分并记录遗忘步骤，扣除相应分数，自动生成考核记录单如图1所示。结语
通过数控车编程和虚拟数控车床虚拟仿真实验，通过不同参数的操作，可以模拟出数控车真实设备操作过程中可能存在的缺陷或者问题，避免了操作过程中电、液、气等资源消耗大，设备后期维护成本高，有些设备操作风险高，帮助学生有针对地加强相关知识的学习或者操作方法的调整，培养学生解决实际工程问题的能力。
参考文献
虚拟实验研究 篇3
关键词：VLAN技术；Cisco packet tracer；仿真实验
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）31-7306-02
随着Internet的进一步发展，人们的工作和生活越来越依赖于网络。由于在传统的局域网中，局域网的安装通常会受到地理条件的限制，这严重影响了网络技术的应用范围和发展。而且在具有移动要求的网络组织里，移动用户在远程访问电子邮件服务时，有可能意外连接到未经授权的局域网的网段上，这对网络安全产生了极大的安全隐患和对网络管理的混乱，也会对局域网的管理和维护造成了极大的不便。此外随着局域网内同一网段内网络节点的不断增多，导致广播风暴的几率逐渐增大，网络通信质量逐渐下降，网络安全和维护遭受极大的考验，这使传统的局域网技术已经不能满足人们的需求，因此VLAN技术应运而生。
1 VLAN技术基础
1.1 VLAN技术分类及划分方式
VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）是指在一个物理网段内，进行逻辑的划分，划分成若干个虚拟局域网。VLAN最大的特性是不受物理位置的限制，可以进行灵活的划分。VLAN具备了一个物理网段所具备的特性。相同VLAN内的主机可以互相直接访问，不同VLAN间的主机之间互相访问必须经由路由设备进行转发。广播数据包只可以在
本VLAN内进行传播，不能传输到其他VLAN中[1]。
VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种协议，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLAN ID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。虚拟局域网的好处是可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络。
VLAN的优点：（1） 控制不必要的广播报文的扩散；（2） 提高网络带宽利用率，减少资源浪费；（3） 划分不同的用户组，对组之间的访问进行限制；（4） 增加安全性。
VLAN的划分方式主要有以下几种：（1） 基于端口的VLAN，即明确指定各端口属于哪个VLAN的设定。此方式仍然是目前使用较多的划分VLAN的方式。（2） 基于MAC地址：通过查询并记录端口所连计算机网卡上的MAC地址来决定端口的所属VLAN；（3） 基于网络层的VLAN：通过所连计算机的IP地址来决定端口的所属VLAN；（4） 基于IP主播地址的VLAN：一个主播组就是一个VLAN；（4） 基于用户的VLAN：根据交换机各端口所连的计算机上当前登录的用户来决定该端口属于哪个VLAN[2]。
1.2 VLAN端口
Tag Vlan是基于交换机端口的另外一种类型，主要用于实现跨交换机的相同VLAN内主机之间可以直接访问，同时对于不同VLAN的主机进行隔离。Tag Vlan遵循了IEEE802.1q协议的标准。在利用配置了Tag Vlan的接口进行数据传输时，需要在数据帧内添加4个字节的802.1q标签信息，用于标识该数据帧属于哪个VLAN，以便于对端交换机接收到数据帧后进行准确的过滤。
1） ACCESS端口，UnTagged端口，即接入接口，Access端口只能属于一个VLAN，它发送的帧不带有VALN标签，一般用于连接计算机的端口。
2） Trunk端口，Tag Aware端口，即干道接口，可以允许多个VLAN通过，它发出的帧一般是带有VLAN标签的，一般用于交换机之间连接的端口。
2 利用Cisco packet tracer完成仿真实验
Cisco packet tracer是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，为计算机网络的学习者在设计、配置、排除网络故障等方面提供网络模拟环境。学生可在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，软件中实现的IOS子集允许学生配置设备；并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况[3]。
2.1 VLAN的划分
假设某企业有两个主要部门：销售部和技术部，其中销售部门的个人计算机系统连接在不同的交换机上，他们之间需要相互进行通信，但为了数据安全起见，销售部和技术部需要进行相互隔离，现要在交换机上做适当配置来实现这一目标。
2.2 VLAN间的路由
在前面，我们将销售部和技术部划分了VLAN进行了隔离，但如果他们之间需要相互访问，我们又可以利用三层交换机的路由功能实现销售部和技术部不同VLAN间路由。在二层交换机上划分VLAN配置Trunk实现不同VLAN的主机接入，在三层交换机上划分VLAN配置Trunk并配置SVI接口实现不同VLAN间路由。
3 VLAN配置过程中可能产生的问题及解决的办法
在VLAN的配置过程中可能会产生VLAN用户隔离不成功，VLAN隔离后不能进行任何通信以及采用VLAN技术后，无法进行设备管理等问题。具体的解决方法就是：首先查看网络拓扑图与实际配置端口是否一致；其次分析数据帧的转发过程，特别是数据包携带的VLAN ID的变化。看看在整个数据帧转发的过程中何时删除TAG标签，何时增加TAG标签，在删除和增加的过程中是否变化过VLAN ID，特别是PVLAN技术存在的时候；最后分析是否VLAN路由是否存在问题。
4 结束语
本文详细介绍了VLAN在Cisco packet tracer仿真环境下的配置，VLAN技术是网络设备管理技术的一个重点，也是网络交换机配置的基础，在校园网、企业网络中应用非常广。通过在仿真环境下的实践，既可以减少实验投入成本，也可以锻炼学生的实际动手能力，积累实践经验，增加理论与实践的结合，培养学生的探索精神和创造性思维。
参考文献：
[1] 杨株. VLAN技术实验的设计与仿真实现研究[J].实验技术与管理，2013，31（3）：14-17.
[2] 陈伟川. 基于MAC地址的动态VLAN原理及组网应用[J].计算机与现代化，2007，14（4）：107-108.
虚拟实验研究 篇4
近年来,随着高校大规模扩招,给高等教育带来了明显的压力。因为招生数量快速增加,高等教育投入增长跟不上规模发展,部分高校办学条件不足,仪器设备、实习场地、教室、宿舍等都有不同程度的下降,而仪器设备、实习场地不足的问题更为明显。由于实验设备无法满足需求,部分实践教学项目只是徒有虚名,导致实践教学环节严重脱节。
对于计算机专业来说,由于计算机技术更新快,对设备的要求更高,进行大量投入改变现状对很多单位来说是不现实的,特别是经济欠发达地区。通过大量的试验、研究,笔者认为采用虚拟环境进行计算机实践教学可以获得事半功倍的效果。
目前建立虚拟机和构建虚拟网络的工具软件主要有VMware和Virtual PC,而VMware对网络的支持比较好。本文将着重于如何使用VMware搭建虚拟的网络实验环境的探讨。
1 虚拟机及虚拟机技术
虚拟机是指一台在物理计算机上虚拟出来的独立的逻辑计算机。虚拟机必须通过虚拟机软件进行创建。通常人们接触到的虚拟机软件有VMware那样的硬件模拟软件,也有JVM那样的介于硬件和编译程序之间的软件。计算机虚拟技术是这样一种技术,它可以在现有的操作系统上虚拟出一个新的子系统,该子系统是建立在正在运行的操作系统之上的,同时,它又拥有自己独立的各种硬件资源,当然,这些硬件都是虚拟出来的。虚拟技术可以使我们方便地在一个主系统上建立多个同构或者异构的虚拟计算机系统,而且这些系统可以同时运行。因此,采用计算机虚拟技术可以构建起一个虚拟的实验环境,大部分计算机的实践活动都可以在这样的虚拟环境中完成。
1.1 虚拟机的优点
(1) 一般不会损坏本PC的操作系统和软件,因虚拟机的硬盘通常是本PC上的一个文件,虚拟机在硬盘上的操作只在这个文件上进行。
(2) 可同时在同一台PC上运行多个操作系统,每个OS都有自己独立的一个虚拟机, 就如同网络上一个独立的PC。
(3) 可在单机上组建网络,它提供了虚拟网络设备如交换机、网卡和虚拟建网的方式。
(4) 容易安装和备份,可在虚拟机上容易地安装不同的操作系统然后备份,使用这些备份可更快速地安装其他虚拟机。
1.2 学校应用虚拟机的好处
(1) 为学校节省资金投入
学校不用另外购买计算机、交换机、路由器、网卡等网络设备。因为虚拟软件本身提供了这些设备的交互功能。只需简单添加、修改和配置后便可使用。
(2)提高了系统的安全性和维护的方便性
通常实验室是向整个计算机专业各个学科提供服务的,实验室的使用率是很高的,而一些实验的破坏性是很大的,比如:计算机网络工程实习、操作系统实验、计算机网络实验等,这些实验课要求安装操作系统及对系统具有超级用户的权限。如果不采用虚拟机技术,这些实验课结束后,实验室管理人员不可能在较短的时间内恢复原有的系统环境,从而影响到别的课程实验教学。而采用虚拟机技术的话,这些课程的实验对原真实系统没有破坏性,对别的实验课的正常教学没有影响。
(3) 一定程度上提高了学生实验用机数
一些实验课学生的用机量是比较大的,比如,计算机网络工程实习(实验),一个学生至少要有3台计算机。如果一个班40个学生要进行网络工程实习,就要求至少120台计算机才能满足学生的用机,但采用虚拟机技术的话,在一台计算机上虚拟出3台虚拟机,构成一个简单的局域网,这样,40台机子就满足了学生的用机要求。
(4) 有利于提高学生学习兴趣和有助于学生自主学习
因为虚拟机的安装要求不高,安装的方法也较为简单。学生学会了虚拟机组建虚拟网络的原理和方法后,可以在学校实验室环境之外的其它环境自主地做网络实验。
2 虚拟实验环境的搭建
2.1 虚拟实验环境的整体规划
整体规划的思想是,在实系统的基础上搭建一个安全、稳定、灵活及使用方便的虚拟实验环境。
(1) 实系统的分区规划
现我系计算中心计算机网络实验室的计算机硬件主要配置为:CPU是赛扬2.8G、主板是华硕845、内存是DDR400 512M、硬盘容量是80G,并带有硬盘还原卡功能。根据硬件的实际配置及实验环境需要对硬盘进行分区,把硬盘分为3个分区,其中C:分区的容量为40G,用于安装实操作系统及所有的应用软件,并利用还原对此分区进行保护;D:分区(20G)和E:分区(20G)留给学生保存实验数据,这两个分区不用保护。
(2) 实系统的安装
在C:分区上安装实操作系统及各实验项目所需的各种应用软件,一般安装完这些软件后会占用C:分区12~15G的磁盘空间,加上还原卡所需的暂存空间520M,还有24G左右的空间留给虚拟机使用。
2.2 虚拟机的规划与安装
(1) 虚拟机的安装规划
考虑到虚拟实验环境的安全性、稳定性及使用的方便性,把虚拟机安装在具有还原卡保护的C:分区中,这样可以避免学生的误操作或有意删除文件后所带来的危害,只要重新启动实操作系统后便得到恢复。同时,为了方便学生安装虚拟机及节省安装光盘,把WinXP、Win2003Server、Linux系统光盘做成系统镜像文件保存在C:systemiso目录中。
(2) 虚拟机软件VMware Workstation的安装
在C:分区中安装VMware Workstation,其安装过程和其他的应用软件的安装过程一样,具有图形安装向导,操作很简单,在此就不详细说明安装步骤了。
(3) 虚拟机的安装
先在C:分区中建立一个Virtual machine目录,然后在Virtual machine目录下建立Vmwinxp、Vmwin2003Server、Vmlinux三个目录。最后运行VMware Workstation,分别在Vmwinxp、Vmwin2003Server、Vmlinux三个目录中安装Winxp、Win2003Server、Linux三台虚拟机。虚拟机的安装也很简单,一般按默认的方式就可以完成安装,但在安装过程中要注意虚拟机的内存分配及网卡的类型的选择。同时,以超级用户身份登陆,且不设置密码。这样做主要是考虑了虚拟机的使用灵活性,其安全性已经通过保护卡得到保证。完成三台虚拟机的安装及在系统镜像文件的备份后,C:分区还可剩余8~10G的磁盘空间,这些空间可以满足以后应用软件的扩充及系统的虚拟磁盘空间需要。
3虚拟实验环境的安全性、稳定性、灵活性及有效性的具体说明
(1) 安全性
这里有双重的安全保证,其一是虚拟软件提供的安全保证,因为在虚拟机中,虚拟硬盘只是一个文件夹下的一个文件,虚拟机的用户只在该文件中进行操作,对别的分区及文件夹是不可见的,从而对别的虚拟机及实系统是安全的。其二是还原卡提供的安全保证,如果虚拟机用户删除了虚拟机系统的文件或实系统用户删除了虚拟机文件夹,导致虚拟机故障或不可用时,在保护卡的自动还原功能的保护下,只要重新启动实系统便可快速恢复到原先正常环境。
(2) 稳定性
VMware为了保证系统的兼容性和稳定性,把现有的设备都虚拟成了最标准的、兼容性最好的设备,比真实实验环境具有更好的稳定性。在真实的实验环境中进行实实验过程中,由于设备的故障,会导致实验失败。例如:其中网线有故障、交换机有故障、路由器没有配好,都会引发网络问题,这样,对于初学者来说,不知道问题出在哪,会影响实验的效果。而用VMware Workstation搭建实验环境,你无需考虑网络设备以及网络设备的连接问题,因为这些设备都是“虚拟”的并且已经按照需求连通。
(3) 灵活性
由于安装虚拟时,没有设置超级用户密码,任何一个用户都可使用已经安装好的虚拟机,如果做一些短时间的实验项目,就可以直接使用现有的虚拟机系统进行配置、修改,包括修改密码等操作,重新启动虚拟后这些修改是有效的(只要不重新启动实系统)。同时,要进行添加一些系统组件是也很方便,不需要系统光盘,只要把光驱指向备份的系统镜像文件即可。而对于那些需要长时间方能完成的实验项目,可以把C:的虚拟机文件夹拷贝到D:或E:分区下,这样,即使重新启动实系统或机关,学生的实验结果还是保存在D:或E:分区中。
(4) 有效性
因为“虚拟机”提供的是一个近于真实的环境,只要能在“虚拟机”上完成的实验,就能够在真实的机器上完成,所以实验质量得到保证,完全符合教学要求。
4 虚拟实验环境应用实例
下面仅以《计算机网络工程实习》项目中的“软路由”为例作个介绍。具体实验步骤如下:
(1) 启动VMware Workstation软件,出现第一个图形界面。
(2) 选择Windows server 2003,进入Edit virtual machine settings,为该虚拟机添加第二块网卡,网卡类型为host-only。这样,这台虚拟机就是“软路由”服务器。
(3) 在第一步出现的图形界面窗口左侧的Favorites文件夹中分别运行Windows server 2003、Windows XP、Linux三台虚拟机。这三台虚拟机就构成了一个简单的局域网了,其中Windows server 2003是服务器,Windows XP和Linux是客户机。
(4) 下面就是设置IP地址及软路由的设备了,其方法与真实网络环境下的设备完全一样,在此不作具体介绍。
5 结束语
该虚拟实验环境经过一个学期的使用,它的安全性、稳定性、灵活性及有效性得到充分的肯定,为操作系统实验、计算机网络实验、计算机网络工程实习等一些具有较大的破坏可能性实验提供了很好的解决方案,同时在一定程度上缓解我系学生用机紧张状况。但也存在一些不足,由于受到内存容量的限制,在该虚拟环境中,虚拟机运行的速度要慢一些。通过增加内存容量,运行速度有望得到提高。
摘要：近年来,随着高校大规模扩招,不少高校都存在实验设备、实验场地无法满足教学实践需要的情况,使得部分实践教学项目只是徒有虚名,特别是具有破坏性的实验项目,导致实践教学环节严重脱节。在硬盘还原卡的基础上利用VMware Workstation虚拟软件搭建一个虚拟实验环境,利用该虚拟实验环境可进行那些具有有破坏性的实验项目,同时也在一定程度上为学生提供了尽可能多的用机时间。经过使用,该虚拟实验环境的安全、稳定及灵活性得到充分肯定。
关键词：虚拟机,VMware Workstation,虚拟实验环境
参考文献
[1]刘羽.“虚拟机”技术在教学实验中的应用[J].桂林工学院学报,2003,10.
实验四虚拟机实验介绍 篇5
信 息 网 络 技 术 实 验 报 告
政治与公共管理学院
2016-03-17
实验名称 虚拟机上安装Linux系统并调试实验
实验编号
004
姓名
罗佳
学号
2014120101013
成绩
一、实验室名称
政管电子政务实验可视化办公室
二、实验项目名称
在虚拟机上安装Linux操作系统并设置调试实验
三、实验原理
虚拟机（Virtual Machine）不是一台真正的计算机，而是利用真正计算机的部分硬盘空间，通过虚拟机软件模拟出一台计算机。这台虚拟机拥有自己的CPU等外部设备，现在的虚拟机软件已经能让虚拟机的功能与真正的计算机没有什么区别。用户可以对虚拟机进行磁盘分区、格式化、安装操作系统等操作，而对本身的计算机没有任何影响。
四、实验目的
通过Linux操作系统安装、设置、调试等实验加深对网络操作系统中进程管理、存储管理、设备管理的理解和运用。
五、实验内容
实验2 RedHat Linux 9.0桌面环境的基本操作
Linux操作系统上最常用的桌面环境为GNOME和KDE，两种使用环境稍有差别，RedHat Linux9.0以GNOME作为默认桌面。
1、设置系统面板
1）设置底部任务栏面板隐藏 操作步骤
（1）以普通用户jkx身份登录系统，进入桌面环境；
（2）右击底部任务栏面板空白处，在快捷菜单中选择“属性”项，弹出“面板属性”对话框；（3）在“边缘面板”选卡中选中“自动隐藏”复选框，并选中“显示隐藏按钮”复选框，单击“关闭”按钮，底部面板即处于隐藏状态。观察操作前后底部面板的状态；（4）移动光标到桌面上端，底部面板出现；（5）再次设置底部面板，恢复默认设置。2）在窗口顶部创建菜单面板，并在上面添加、移动和删除对象
操作步骤
（1）右击底部任务栏面板空白处，在快捷菜单中选择“新建面板”项，选择“菜单面板”，屏幕的顶部将出现菜单面板；（2）右击菜单面板的空白处，依次选则“添加到面板”-“抽屉”，面板上将出现一个抽屉；
（3）在面板上单击抽屉图标，打开抽屉；移动抽屉到面板的其他位置；（4）选中抽屉图标，利用快捷菜单删除抽屉；删除抽屉将同时删除抽屉中的所有内容。
2、设置桌面 1）设置桌面背景
操作步骤
（1）右击桌面空白处，在快捷菜单中选择“改变桌面背景”项，弹出“背景首选项”对话框；
（2）根据对话框做相应设置，则所有工作区的背景都将发生变化，观察操作结果；（3）关闭对话框。2）设置屏幕保护程序
操作步骤
（1）单击任务栏最左端的主菜单，选择“首选项”-“屏幕保护程序”菜单，打开屏幕保护程序对话框的选卡“Display Models”；
（2）设置Model为“只使用一个屏保程序”，并在从屏保主题列表框中选择主题Anemore，列表的右侧可观察该主题的显示效果；（3）设置等待时间Blank After为1分钟；选中复选框，设置恢复屏幕时输入用户口令，关闭对话框；（4）等待1分钟观察屏保程序的效果。
3、设置桌面图标
1）新建“我的文档”文件夹图标 操作步骤
（1）右击桌面空白处，在快捷菜单中选择“新建文件夹”项，桌面将出现一个新的文件夹，名称默认为“未命名的文件夹”；（2）启动中文输入法（Ctrl+Space），修改文件夹名为“我的文档”。2）新建文本编辑器gedit的快捷图标 操作步骤
（1）右击桌面空白处，在快捷菜单中选择“新建启动器”项，弹出“新建启动器”对话框；（2）在“名称”栏输入“gedit”，在“命令”栏输入文本编辑器程序的路径“/usr/bin/geidt”，单击右侧“无图标”按钮为快捷项选择图标；（3）单击“确定”按钮，关闭对话框，桌面增加一个应用程序快捷图标。
4、设置主题 创建新主题 操作步骤
（1）依次选择“主菜单”-“首选项”-“主题”菜单，打开“主题首选项”对话框，左边列表是可供选择的已有主题；（2）单击“细节”，可在已有主题上创建具有个人风格的主题：“控件”选卡可选择主题、“窗口边框”可设置边框、“图标”选卡为自定义主题选择一个图标，选择时请注意观察标题栏、边框的显示状态，单击“关闭”按钮回到“主题首选项”对话框。（3）对话框左侧列表中出现一个“自定义主题”，可保存该主题以便将来继续使用。
5、增加启动项
启动桌面环境就自动启动文本编辑器gedit 操作步骤
（1）依次选择“主菜单”-“首选项”-“更多首选项”-“会话”菜单，打开“会话”对话框，并切换到“启动程序”选卡； 2）单击“添加”按钮，弹出“添加启动程序”对话框，在“启动命令”栏输入文本编辑器gedit的路径“/usr/bin/geidt”，并单击“确定”按钮，返回前一个对话框；（3）此时“会话”对话框的启动程序选卡列表中将出现文本编辑器命令行，关闭对话框；（4）注销系统退出当前用户，然后重新登录，检查是否自动启动文本编辑器。
6、使用文件管理器
1）基本文件操作，与Windows下的操作基本一致
操作步骤
（1）启动文本编辑器gedit，在编辑窗口中输入任意字符，保存为f1文件并退出；（2）双击桌面上的的用户主文件夹图标（如jkx的主文件夹），启动文件管理器，找到文件f1；
虚拟实验研究 篇6
[关键词]虚拟实验；计算机；创新教育
[中图分类号]F224-39[文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0071-01
一、技术应用
系统为CS客户端-服务器结构。该结构通过将任务合理分配到Client端和Server端，降低了系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势。核心代码均使用C#语言编写。系统的开发环境为Visual Studio2005集成开发环境，用户可以在该环境中使用C++、.NET、VB、C#等编程语言进行算法和系统的实现。系统的后台数据库采用的是SQL2005，它为数据管理与分析带来了灵活性，允许单位在快速变化的环境中从容响应。
二、虚拟实验平台的实现
所有的虚拟设备和虚拟实验项目都建立在一个统一的平台之上。该平台式必须是一个虚拟实验的集成环境，通过该平台，用户可以对多种操作进行结合，完成各种复杂的工作任务。
最上边的是菜单栏，通过菜单栏，用户可以选择文件操作，编辑方式，上传下载等功能；菜单栏主要用来对平台进行管理，方便用户的个性化使用。左边的是虚拟设备栏。该栏目根据虚拟设备的不同，将设备分放在不同的设备类别中，当用户选择某个类别时，可以展开所有的虚拟设备，通过鼠标操作可以方便的选择和拖动虚拟设备。中间的核心区域是编辑区域，所有的虚拟实验的操作都在该区域中实现，包括设备的拖动、连接和电路联通等。右边的栏目是辅助菜单栏。通过它，用户可以了解自己的操作流程历史记录，通过点击可以返回到记录中的任何步骤。用户还可以从该栏目中找到联机帮助，通过帮助，学生可以解决系统中已经记录的相关问题。最下面的栏目是状态信息栏，它主要提供一些额外辅助信息，如登录时间，当前的系统版本号，显示方式，登录方式等。
三、虚拟实验的虚拟设备实现
虚拟设备是计算机虚拟实验系统中的最基本元素，通过对它们的操作可以完成复杂的虚拟计算机实验项目。虚拟实验系统中的虚拟设备，每个设备都具有众多的属性，这些属性对虚拟设备的基本型号以及可执行的操作给出了详细的说明，有重要意义，需要对它们统一管理。采用面向对象的基本思想，本虚拟实验系统统采用JavaBean组件技术开发虚拟设备，从而增加虚拟设别模型的可重用性。
在系统中，所有虚拟设备的公共属性都定义在父类Component中。当构建一个新的元件时，需要从父类Component中继承。因此，当开发或者设计具体设备时，只需要关注组件的特有属性和功能方法，大大提高了组件的开发效率。当需要设定一个新的设备时，需要对该设备的各种属性进行描述。为了方便表达和管理，对于每一个设备，使用XML文档对其相应属性进行存储。XML是一种标记语言，具有可扩展性、结构化的特点。以CPU为例，为其建立的虚拟设备的XML属性描述文件。描述了系统中的某CPU虚拟设备。
四、虚拟实验的设备的多线程运行实现
在一个规模较大的虚拟实验系统中，用户需要使用多个虚拟元件才能完成一个实验项目。这些虚拟元件有各自的独立性又保持着相互联系。在一个完整的实验项目中，为了不影响各元件的独立运行，需要对每个元件分配独立的线程。线程的建立可以通过Java中的Thread类进行实现。
如果该设备需要和其他设备进行通信，则需要为该设备设置监听端口。当学生将所有设备连接到一起时，可以开启实验，这时，各个线程将逐一启动。num为系统中需要启动的所有线程的数量的和，通过代码的循环结构，使得每一个线程都被初始化，这里的线程对象VThread继承了Thread线程类，当线程初始化结束后，可以通过run（）方法来对某个线程所要执行的功能进行调用。以时钟信号发生器为例，它是一个特定的虚拟设备元件，它继承自Component父类，和线程父类。当一个类继承了Thread类后，可以在线程中添加特定的执行代码。
五、虚拟实验交互功能实现
在本虚拟实验系统中，交互功能分为两个方面，一是用户和虚拟设备之间的交互。二是虚拟设备之间的交互。这两方面从不同的角度实现了系统的可操作性。
首先是用户和虚拟设备之间的交互。这样的交互过程是用户和计算机软件进行沟通的过程，通过鼠标动作，虚拟实验系统能够识别用户的操作意图，并且根据用户的具体操作，对给定命令做出反应。用户定义的操作有鼠标左键点击、拖拽、鼠标右键点击、鼠标双击等。这几种鼠标操作可以实现全部的对可视化界面中的虚拟设备的管理。为了实现这一个过程，可以设置监听器，对鼠标动作进行监听，当监听器注意到新的鼠标动作时，则通知系统做出合理的反应。对于鼠标时间，首先启动一个监听线程，该线程负责监听鼠标在什么时间发生了什么样的状态改变。当状态改变时，系统会逐一对可能的状态进行判断，当状态为左键单击时，启动选择虚拟设备函数；当状态为右键单击时，启动显示设备信息函数；当状态为鼠标拖拽时，启动移动虚拟设备函数；当状态为鼠标双击时，启动打开虚拟设备属性面板函数。另一种重要的交互式虚拟设备之间的交互，即一个虚拟设备发生改变时，其他的虚拟设备也要发生相应的变化。这种虚拟设备间的触发机制可以被理解为设备之间的交互。
在系统使用中，定义了三类角色，学生用户、教师用户和管理员用户。每类用户均实现了自己的功能。对于学生用户，他们可以完成实验选择、实验操作、实验结果上传和疑难问题提问等功能；对于教师用户，他们可以完成问题解答、班级管理和实验结果评阅等功能；管理员是系统的最高权限拥有者，他们可以对系统的整个运行进行管理，包括学生管理、教师管理和实验模型管理。
六、结论及展望
由于计算机实验设备昂贵、占地较大等因素，相对于传统的实验模式而言，虚拟实验方式有其独特的优势，这些优势包括：虚拟实验只需要创建在普通微机上即可，缩小的占地面积，即使是极其复杂的、需要大量实验设备的实验也可以再微机上通过虚拟系统完成；由于虚拟系统采用了虚拟的方式，不用担心硬件因为误操作而引起的损坏问题，同时这种自由的操作方式大大地提高的学生学习热情和创新能力，更加利于教学活动的开展。今后还需要在以下方面做出努力，以提高系统的性能和发展空间：
（1）系统对3D模型的应用较少，为了达到更好的教学效果和操作便捷性，将考虑使用3D模型对系统的虚拟设备进行构建。
（2）进一步加强系统的可视化操作能力。
参考文献
[1]J.de LaP&，M，Alfonseca，Visual Interactive Simulation for DistanceEducation，SIMULATION，2003，79（1），19-34
[2]刘井利，基于WWW模式的虚拟实验室系统，广东职业技术师范学院学报，2000（4）
[3]易小琳，王鑫，网上计算机系统虚拟实验室的研究，计算机工程，2002，28（11），243-244
网络虚拟化实验平台研究 篇7
关键词：网络虚拟化,PlanetLab,VINI,CABO,GENI,VegaNet
0引言
随着互联网高速发展,关于网络体系结构、网络服务的新型研究层出不穷。由于人们实际使用的网络受网络服务供应商的控制,使得人们能进行的修改十分有限,对研究成果的分析和评价一般只能在实验室环境下进行,而实验室环境与现实网络有着较大的差距,缺乏真实网络中的丰富网络事件、不能随意更改网络拓扑或配置,无法有效地验证研究成果的效能。网络虚拟化概念的提出,使得互联网具有了多样化的属性,通过在同一物理基础设施上部署多个独立的、异质的虚拟网络,提供充足的灵活性,推动多样化并保证安全和可管理性。网络虚拟化实验平台能提供一个如同真实物理网络一样的网络实验环境,能有效地对研究成果进行模拟分析和性能评价。
本文主要介绍构建于现有互联网上的几个比较成熟的网络虚拟化实验平台,对这些虚拟化平台结构和技术进行分析,各平台针对网络虚拟化中的不同的关键问题提出了自己的解决方案,并在最后给出综合比较。
1 PlanetLab
1.1 PlanetLab概述
PlanetLab是一个支持新的网络服务开发和网络研究的全球性网络虚拟化实验平台。它结合分布式系统和网络虚拟化的优势实现节点的虚拟化,用于设计、评价和部署在地域上分布式的网络服务。PlanetLab架构设计的中心思想是分片,每个服务运行在PlanetLab的一个分片中,一个分片包含一定数量的进程、内存、存储单元和跨越多个分布式独立节点的网络资源。分片不仅仅是分布式资源的简单相加,更是虚拟机的网络。分片把物理资源分配到每个虚拟机上。这样,安装在每个节点的虚拟机就只需完成分片运行所需的处理器、链路、存储空间等资源的分配、调度和使用即可实现相应的服务功能。
1.2 PlanetLab技术特点
PlanetLab是最早的网络虚拟化实验项目,主要包含以下几个特点。
分布于全球的计算机群:PlanetLab是一个分布式计算集群,其下辖的1142个结点分布于545个地区。大多数机器由研究机构托管,所有机器都连接到Internet。
统一的软件系统:所有PlanetLab机器运行相同的软件系统,包括一个基于Linux的操作系统,具有引导节点和分发软件更新的机制;具有监控节点健康、审计系统活动并控制系统参数的管理工具集;管理用户账户和分发密钥的工具集。PlanetLab软件系统的主要目标是支持分布式虚拟化,具有将PlanetLab网络范围内硬件资源分配给一个应用的能力。
2 VINI
2.1 VINI概述
VINI(Virtual Network Infrastructure)虚拟化平台是在PlanetLab基础上进一步发展的结果。与PlanetLab相比,VINI在路由层面向研究人员提供了更多的自由,VINI允许研究人员在一个广域范围内对其设计的协议和服务进行评估,允许研究人员在真实路由软件、流量负载、网络事件的基础上部署和评估其提出的新理论。为了给研究人员提供灵活的实验环境,VINI支持在共享网络基础设施上进行任意网络拓扑结构的仿真试验。
2.2 VINI技术特点
VINI具有灵活的网络拓扑、灵活的路由和转发、外围主机的连通性、并发试验的支持性等特性。目前VINI虚拟平台通过14个地区的26个节点接入Internet2和CESNET。
针对研究人员设计、实现、部署网络协议和网络结构过程中的需求,VINI为研究人员提供了两种不同的使用模式。
Control模式是指研究人员向系统中引入外在事件的能力。研究人员和协议设计人员在协议设计、实现过程中,经常需要研究协议在多种网络环境下的行为。为此,VINI专门为研究人员提供了类似于NS2的模拟装置和评估测试床以满足研究人员的需求。
Realism模式是指迫使网络协议模型和网络协议框架遵循网络环境的能力,即尽可能贴近实际情况部署。针对这一特性,VINI提出了其特有的测试原则:在现实条件下测试原型的最好方法是在实际网络环境下部署要测试的原型。
3 GENI
3.1 GENI概述
GENI(The Global Environment for Network Innovations)是一个跨国的开放式项目,它由来自世界各地的高校、跨国企业和团体参与,整体设计理念上鼓励更多的团体加入。它有着广泛的研究范围和课题,其中如何建立分布式网络等是这个项目研究的关键所在。
GENI以创建一个新的、高性能的互联网和分布式系统为目标。它的总体目标可以分为以下4个方面:第一,具备高的安全性和鲁棒性。许多专家认为安全性和鲁棒性是人们考虑重新设计互联网架构的一个重要的原因和动力。目前网络安全性较差,互联网并不能保证较好的安全机制,整体的安全架构没有一个很好的完整实现,因而不能给用户在安全机制上提供全面良好的安全保障。第二,多设备尤其是移动设备上的普适计算。如何实现手机、传感器网络等无线设备的无缝连接是十分重要的。第三,其他基本的重要设施的控制和管理。第四,简单的操作及易用性,并能对新的服务和各种应用提供良好的支持。
3.2系统模型
通过与目前互联网的体系结构分析比较,可以得出GENI的结构模型为沙漏模型(如图1所示)。其中,GMC对应沙漏的腰部,它是GENI的管理中心,对应于IP层、相关的编址路由及服务模式。GE-NI最上面是用户服务层,下面是物理层。物理层对应着相关物理网络的计算设备和网络设备的集合。GMC提供了一系列的抽象、接口和命名空间,使得用户服务层和相关的物理层能够有效连接。通过GMC可以有效地屏蔽底层实现细节,服务层只需通过相关接口访问即可。其中抽象可以对物理层的细节进行有效屏蔽,它是GMC层的关键所在。GMC层抽象主要由组件、切片和聚合三种类型组成。其中物理资源、逻辑资源和同步资源是组件的重要组成模块。GMC通过组件管理器,将资源采用一定的组件协议分配给用户。GENI通过切片(相关GENI组件的微片)来对GENI共享资源实现有效地保护。
4 CABO
4.1 CABO概述
CABO(Concurrent Architectures are Better than One)是指通过虚拟化的方法,在分属不同提供商的硬件基础上,为服务提供商同时运行多重端端服务。CABO在现有Planet Lab、GENI等虚拟化技术基础上进行了扩展。CABO采用兼职策略,主要思想是以灵活、可扩展的系统来支持多重并发的网络体系结构。
4.2 CABO体系结构
CABO将传统的网络服务提供商概念分为两个不同的独立实体:基础设施提供商和服务提供商。基础设施提供商拥有和维护构成基础网络设施的网络设备(路由器、链路等)。服务提供商则与基础设施提供商达成协议,以获得路由器和链路资源的使用权。CABO将物理节点或链路分解为虚拟节点和虚拟链路的方式来减轻物理资源共享的困难。虚拟节点控制潜在节点资源的一部分,保证了与运行在同一主机上的其它虚拟节点的隔离。虚拟链路由一条链路基础网络设施路径以及路径沿线部分资源组成。CABO使用调度对共享资源的仲裁访问可以保证带宽和延迟性能。虚拟网络则由归属于同一服务提供商的虚拟节点和虚拟链路组成。服务提供商可以在其虚拟单元中安装软件或可编程硬件。单一的服务提供商还可以根据特殊服务需求或拓扑需求来调整虚拟网络。
4.3 CABO优势
提高端端网络服务质量:在传统网络中,由于重叠网络的固有特性,单一的网络服务提供商无法控制任意的端端网络链路,因此其只能为主要客户提供较高质量的服务。而在CABO中,服务提供商可以通过增加端端路径控制的方式来增加实际价值。网络基础提供商可以通过运行更为有效和健壮的网络来赢得竞争优势。
测试和部署新的协议:目前,新的网络协议测试和评估所需的测试环境由于配置成本高、网络拓扑单一、数据流量不足等问题而无法向操作人员提供详细准确的真实反映。而在CABO中,新的协议和软件可以在真实网络基础设施之上的虚拟节点和虚拟链路中进行测试和评价,同时,CABO可以很好地满足协议转换的要求,极大地提高工作效率。
5 VegaNet
VegaNet(Virtual Gigabit Network)[5]是由清华大学设计实现的重叠网络结构的虚拟网络,可为研究人员提供真实的实验环境对网络新技术进行有效评价,也可对底层核心网络进行模拟分析。Vega Net以实际运营的网络体系作为底层架构,在网络边缘接入若干虚拟路由器,虚拟路由器之间通过虚拟链路连接,构成一个虚拟网络平台。Vega Net可以模拟真实的用户流量,支持节点及链路故障的注入,同步底层网络故障,虚拟路由器基于真正的商业路由平台实现,支持高带宽的虚拟网络流量,虚拟网络协议族独立于底层网络,虚拟网络相对底层网络透明等。
6结束语
在表1中,总结了本文所介绍的网络虚拟化实验平台的主要技术指标。
从上表中可以看出目前虚拟化技术在网络技术、协议层次和虚拟粒度上出现了3种趋势:粒度越来越细、层次越来越低以及越来越关注网络的异构环境。
从技术角度分析网络虚拟化有着大量优势:节省成本,快速部署,快速扩展。广域网能够大大受益于网络虚拟化技术。它能帮助分配广域网带宽,改善网速,简化广域网管理。当然在看到优越性的同时也不能忽视虚拟化可能带来的一系列问题,比如网络虚拟化可能弱化安全和可管理性。到目前为止,业界通过虚拟机、虚拟I/O设备、虚拟内存等利用网络虚拟化技术实现诸如服务器整合、云存储等功能,然而这都还只是停留在应用层或者端系统的网络虚拟化,真正网络虚拟化的设计理念将涉及从端设备到路由器的各个方面,从物理层到应用层的各个方面,网络虚拟化的核心理念还需要在一定规模的实验平台上继续进行探索,在实际物理基础设施上部署网络虚拟化还面临一些挑战,因此,对网络虚拟化技术的研究任重道远。
参考文献
[1]Peterson L,et al.A Blueprint for Introducing Disruptive Technologyinto the Internet[J].SIGCOMM Comp.Commun.Rev.,2003,33(1):59-64.
[2]Bavier A,et al.In VINI veritas:Realistic and Controlled NetworkExperimentation[C].Proc.ACM SIGCOMM,2006:3-14.
[3][EB/OL].http://www.geni.net/.
[4]Feamster N,Gao L,Rexford J.How to Lease the Internet in yourSpare Time[J].SIGCOMM Comp.Commun.Revi.,2007,37(1):61-64.
[5]陈文龙,徐明伟,等.高性能虚拟网络Vega Net[J].计算机学报,2010,33(1):63-73.
[6]Obermaisser R,Peti P,Kopetz H.Virtual networks in an integratedtime-triggered architecture[C].Object-Oriented Real-Time De-pendable Systems,2005.WORDS 2005.10th IEEE InternationalWorkshop on Digital Object Identifier:10.1109/WORDS.2005.55,Publication Year:2005:241-253.
[7]Barone A,Chirco P,Di Fatta G,et al.A management architecturefor active networks[C].Active Middleware Services,2002.Pro-ceedings.Fourth Annual International Workshop on,Digital ObjectIdentifier:10.1109/AMS.2002.1029689,Publication Year:2002:41-48.
汽车教学虚拟实验系统应用研究 篇8
我们可以直观的看到汽车硬件的相互关系, 了解各个部件的关系和作用。但是, 电子控制部件间相互关系却不是我们可以直接了解和掌握的, 就算我们可以通过电路图来分析其工作管理, 但其信号关系和逻辑知识却不是我们仅凭图纸就可以完全理解的。
目前的教学特点多数都是以理论课程为主, 实践课程较少。尽管学校也知道实践教学的重要性, 但现在的教学条件普遍很差, 现有的教学器材很难满足教学需要。例如:汽车发动机的台架数量较少, 新投入台架成本较高, 学校为了节约成本, 采用购买旧的发动机台架, 结果带来了性能差、维修增多等问题, 这样不仅没有节约教学成本, 更影响了教学效率。
虚拟实验教学可以很好的解决以上问题, 它不仅可以融合理论知识, 更可以实现教学实践。让虚拟实验代替真实实验, 不仅可以感受真实操作的兴奋感, 也节约了教学成本, 更提高了教学效率, 正是一举多得。
2 虚拟实验系统的组成及其安全功能
我们了解一下虚拟实验系统的工作原理, 它是借助计算机软件来实现虚拟操作的。这个系统是由计算机, 连接器, 采集器组成, 软件是其连接的桥梁, 计算机根据软件来判断干扰信号, 进而实现操作。这样不仅节省了教学成本, 而且维修起来也很方便。
计算机系统是需要提高其可靠性的, 这就需要计算机系统有其自身的判断和辨别能力。软件滤波和中断处理都能很好的提高计算机的安全性。在面对干扰信号, 软件滤波可以对其进行采样分析, 并把它进行转换, 最后得出结论。其常用的滤泡分析法有以下几种:低通法、程序判断法等。
中断处理也是软件必须具备的功能, 它可以在断电的情况下自我备份并保存信息。从而提高系统的安全和稳定性。
3 维护虚拟实验系统安全的方法
3.1 保持计算机及相关设备的散热, 控制好室内温度, 做好通风处理, 避免机器设备暴晒, 必要时安装空调等设备。
3.2定期除尘, 做好防尘。对计算机和机器设备要及时打扫、清洁。对机器内部灰尘要定期用毛刷或相关工具进行清理。避免机器设备电路元件被腐蚀或损坏, 以减少设备的使用寿命。
3.3传感器是重要的设备组件, 其敏感度很容易受到积尘和湿度的影响, 及时处理这些外在因素是保持其正常工作的关键, 一定要加以排除异常因素, 保证其正常工作。
3.4要勤观察计算机温度, 遇见计算机工作缓慢或者出现死机现象要及时处理, 检查风扇工作情况, 过滤器积尘情况, 避免计算机内部温度过高烧坏CUP及相关硬件, 在过滤器的清理工作中要注意过滤网要定期清尘, 以免等到过滤器堵塞时造成清理困难, 还有计算机温度要控制在55度以下, 如果温度居高不下, 一定要继续检查, 直到找到问题所在, 及时解决。
3.5 系统安全也要得到保护, 计算机要按照备份和杀毒软件, 这样可以保证计算机数据安全, 保证虚拟实验系统的正常运转。
4 介绍虚拟实验系统各组成部分的工作原理
图1显示了虚拟实验系统的组成框架, 这里其中显示了信号的采集过程。我们看出采集器的工作原理, PC机可以显示工作的状态, 当计算机连接汽车时, 软件可以记录数据, 保存数据;当计算机处于不连接状态时, 软件处于离线状态, 只显示工作原理。
(1) 连接器。它可以采集信号, 并不损害原车线束, 它的接口设计就是为了方便与车体连接。
(2) 采集器。这个设备还可以记录各传感器的电压, 传感器频率, 喷油器的脉冲宽度, 开关汽车的状态。这些检查结果可以发送给PC机。
(3) 虚拟实验系统软件。它可以分析和设计软件, 测试工程信号, 可以快捷的设计软件界面。不管发动机的变化多快, 该软件都可以迅速的记录实时变化, 这些结果可以被记录到系统中。在教学过程中可以不用连接车体就能观看发动机参数变化, 可以实现虚拟实验教学。
5 结语
虚拟实验系统不仅可以融合理论知识, 还可以实现教学实践;不仅可以对发动机的工作状态进行监控, 还可以诊断发动机的故障;不仅操作起来简单方便, 更不用投资过多的资金。该系统在教学应用中发挥着重要的作用, 我们一定要大力推广, 充分的利用其教学价值, 为更多的教学工作服务, 提高教学效率。
参考文献
[1]杨彦明, 魏振钢, 吴为团, 迟忠惠.一种智能化电路与电子技术虚拟实验系统[A].2004计算机应用技术交流会议论文集[C].2004
虚拟实验研究 篇9
实践教学是培养学生创新意识、提高学生动手能力的重要环节, 是培养高素质工程人员的重要平台, 是实现高等教育培养复合型和应用型人才目标的有效途径。同时, 实践教学也是高校教学过程中的薄弱环节, 一直以来都是高校教学改革的重点。实验教学是实践教学的重要组成部分, 其教学质量对人才培养目标的实现影响甚大。然而, 大部分的实验设备费用昂贵, 设备规模难以与日益增长的学生规模相匹配, 导致实验教学规模难以满足高校教学发展需要。信息技术和虚拟技术的发展, 为实验教学的改革提供了契机。基于信息技术和虚拟技术构建虚拟实验系统, 深化了实验教学改革, 提高了实践教育质量工程, 成为高校教学改革的一个重要内容。
现有虚拟实验系统研究中, 文献[1]介绍了牛津大学、赫尔辛基大学、卡耐基梅隆大学等大学的虚拟实验系统, 论证了虚拟技术应用于实验教学的可行性和有效性。文献[2]构建的虚拟炼铁实验室被欧洲4所机构采用, 且效果显著。文献[3,4]创建的虚拟工程实验室, 解决了远程教育中难以开展实践教学的难题, 验证了虚拟实践教学实验室的可行性和有效性。文献[5,6]建设的机械装备拆装虚拟实验系统, 文献创建的基于网络的集成机械设计、机械制造、工程材料及技术测量的机械工程虚拟实验系统, 文献[9]开发的集成减速器拆装实验、带传动性能实验及数控加工实验的综合虚拟实验系统, 均在一定程度上提高了教学质量。虽然虚拟实验系统构建技术的研究已取得一定成效, 但是目前虚拟实验系统难以充分利用已有的教学经验指导虚拟实验过程, 无法最大限度地提高实验教学的质量。同时还存在人机界面不够友好, 模型不够直观等不足, 交互性、沉浸性较差等不足。
针对以上不足, 有必要充分结合人工智能与虚拟现实技术, 探讨智能虚拟实验教学机制, 构建智能虚拟实验系统框架, 获取、表达和处理实验教学经验知识, 引导虚拟实验过程, 深化实验教学改革, 充分提高实验教学质量。
2 智能虚拟实验教学机制
构建智能虚拟实验系统要所需解决的关键问题是探讨智能虚拟实验系统的教学机制, 研究人工智能技术与虚拟现实技术的集成机制, 获取、表达和处理教师教学经验知识, 解决现有虚拟实验系统难以利用已有的教学经验指导实验过程的问题;通过开发操作友好的人机界面及真实感强的实验设备模型, 解决现有虚拟实验系统交互性、沉浸性较差的问题;开发教师教学经验知识库和模型库的组织、管理和维护模块, 实现知识库和模型库的可选择、可调整、可扩展。
智能虚拟实验系统的教学机制如图1所示。学生通过自己的账号、密码登录智能虚拟实验系统, 选择所要进行的实验项目后根据教师要求设定相关实验初始参数。进而通过互动性强的用户交互界面开始进行实验。系统根据学生选择的实验项目和设定的相关初始参数进行案例推理, 在给定的相似度条件下寻找匹配系统内部存储的类似实验过程数据。若给定相似度条件下的实验过程数据存在, 表明已经成功进行过相似类型的实验, 则系统调用所存储的实验过程数据, 并从实验过程数据中提取经验知识, 对学生的实验操作过程进行指导, 以便及时在学生误操作时结合实验项目所涉及的相关理论知识和经验知识给出相应的误操作提示及其产生原因, 使学生能够进一步消化理论知识, 掌握操作经验知识, 实现学以致用的教学目标。如此反复调用相似实验过程数据引导学生操作直至实验过程结束。若在实例推理过程中, 无法找到给定相似度条件下的历史实验操作过程数据, 则表明不存在类似实验过程的成功实例, 则在学生的每一步操作中重复根据系统存储的符号性知识进行推理判断学生的操作是否正确, 若操作错误则给出错误原因和提示, 并给出正确操作建议, 直至实验操作过程结束。实验过程结束后, 学生根据实验教学要求提交相应的实验报告后, 退出系统, 完成实验。
3 智能虚拟实验系统框架
构建智能虚拟实验系统, 深化实验教学改革的目标是将人工智能技术与虚拟现实技术相结合, 在构建智能虚拟实验系统系统框架的基础上, 实现教师教学经验知识对虚拟实验过程的引导, 同时建立有效获取、表达和处理教师教学经验知识的机制, 开发知识库和三维模型库的组织、管理和维护模块, 实现教师教学经验知识库和三维模型库的可选择、可调整、可扩展, 并通过构建三维零件模型库和机器模型库, 实现交互性、沉浸性良好的实验模式, 达到提高实践教学效益和质量的目标。
智能虚拟实验系统是一个基于知识的实验系统。知识的获取、表达和处理需要知识库、推理机、解释机制和人机接口的支持。随着知识处理技术的日趋成熟, 目前构建基于知识的系统的关键技术是知识获取、综合集成和知识库维护等方面。因此, 智能虚拟实验系统应该是一个开放的系统, 主要体现在以下几方面:
(1) 智能虚拟实验系统应能够对实验教学的经验知识、领域知识、规范知识进行组织、管理和维护, 同时实现知识的可选择、可调整、可扩展, 以达到不断丰富和不断实用化。
(2) 智能虚拟实验系统应能够满足外部系统的可嵌入功能, 并支持外部系统的调用功能, 使之能够调用外部系统的子模块, 扩展系统的功能, 从而达到系统可扩展的目标。
基于智能虚拟实验教学机制, 围绕智能虚拟实验系统的构建目标, 针对知识的获取、表达和处理机制, 为实现知识的可选择、可调整、可扩展和可重用, 构建智能虚拟机械类实验系统框架如图2所示。智能虚拟机械类实验系统主要包括CAD/CAE仿真、解释机制、动态数据库、推理机、知识库、知识库管理、知识获取、人机界面等模块。
3.1 CAD/CAE仿真
CAD/CAE仿真模块主要实现实验环境、实验过程的可视化, 以直观、交互性强的用户界面呈现实验过程, 从而提高学生实验过程中的沉浸性和体验性。CAD/CAE仿真主要包括三维建模、运动仿真、结构分析等部分。三维建模和运动仿真主要由Pro/Engineer的二次开发工具箱实现, 集成MFC开发环境和Pro/Engineer实体建模环境, 实现实验过程的三维仿真。结构分析主要集成ANSYS有限元分析环境, 实现机械结构的静力、动力仿真。
3.2 解释机制
解释机制用于向用户解释系统的行为, 包括对实验操作步骤规范性的推理过程、经验知识引导实验操作的推理过程等。
3.3 动态数据库
动态数据库用来记录实验操作过程中所需的控制信息、中间假设和中间数据。为避免数据信息膨胀, 动态数据库模块还应具备及时删除历史信息的机制。
3.4 推理机
推理机模块用于有效的处理智能虚拟实验系统中的符号性知识和实例知识, 根据符号性知识或实例知识推理判断学生操作步骤的规范性。同时, 在学生操作步骤错误时推理得到错误原因并根据经验知识引导学生纠正操作。
3.5 知识库
知识库模块用于存储符号性知识、实例知识。由于符号性知识和实例知识在组织结构上、表达形式上各有特点, 为了更加简便有效地组织、管理和维护这两种知识, 将两种知识分开存储、管理和维护。
3.6 知识库管理
知识库管理主要实现知识的组织、管理和维护。知识的可选择、可调整、可扩展是壮大知识库的必要条件。同时, 知识库难免出现矛盾、冗余等问题, 有必要对知识库进行补充、优化和校验, 以得到高质量的知识库。
3.7 知识获取
知识获取是开发智能虚拟实验系统的瓶颈问题和最大挑战。知识获取的目标是提炼相关的领域知识、经验知识、规范知识。知识获取采用人工获取的方式进行, 由知识工程师通过人机界面进行。
3.8 人机界面
人机界面为学生、教师、知识工程师及外部程序与智能虚拟实验系统之间提供良好的交互界面, 用于识别学生、教师、知识工程师及外部程序的命令、数据等信息, 以及对智能优化设计系统的过程信息和结果信息反馈。
在智能虚拟机械类实验系统框架的基础上, 可开发智能虚拟机械类实验系统, 促进机械类实验教学改革, 充分利用已有的教学经验指导实验过程, 最大限度地提高实验教学质量。同时, 解决现有实验系统存在的人机界面不够友好, 模型不够直观, 交互性、沉浸性较差等不足。
4 结论
4.1研究了基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式, 探讨了智能虚拟实验系统的关键构建技术, 给出了智能虚拟机械类实验系统框架结构, 开发了智能虚拟机械类实验系统。
4.2智能虚拟机械类实验系统使“创新人才培养模式、加强实践教学环节研究, 深化教学方法与教学手段改革, 提高人才培养质量”得到了体现, 解决了现有实验设备规模滞后于学生规模的问题, 有效提高了实践教学效益和质量, 提高了学生的实践能力和创新能力。
4.3智能虚拟实验系统为应用型高校在课程与课堂中学生实践能力培养方式的探索提供理论和实践的借鉴, 为促进教师更新教育教学理念, 推动教学组织形式及方法的改革奠定基础。
摘要：本文研究基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式, 探讨构建智能虚拟实验系统的关键技术, 提出智能虚拟机械类实验系统框架结构, 在开发智能虚拟机械类实验系统的基础上验证新教学模式在提高实践教学效益和质量、提高学生实践能力和创新能力方面的可行性和有效性。
关键词：智能,虚拟,实验系统,实验教学,教学模式
参考文献
[1]Dr.Kamalika Banerjee.Utilising the Virtual Laboratory Resources for incorporating ICT in the Chemistry Teacher Education.http://www.c-ol.org/pcf6/fp/zIN4150.doc, 2012.2.15.
[2]Alexander Babich, Konstantinos Mavrommatis.Virtual Laboratory Concept for Engineering Education[C].International Conference on Engine-ering Education and Research"Progress Through Partnership".Ostrava, 2004.
[3]He man Mann, Michal ev enko.Simulation and Virtual Lab Experi-ments across the Internet[C].International Conference on Engineering Education.Valencia, Spain, July 21–25, 2003.
[4]Tanuja Sheorey, Vijay Kumar Gupta.Effective Virtual Laboratory Content Generation and Accessibility for Enhanced Skill Development through ICT[C].2011 5th International Conference on Distance Learning and Education.Singapore, 2011.
虚拟实验中反馈设计影响因素研究 篇10
虚拟实验是虚拟现实在教育中的重要应用, 自问世以来逐步成为科学实验和科学研究中强有力的工具, 并以其独特的优势 (交互性、浸入性、想象性) 引起了研究人员的高度关注。实验教学是很重要的一个环节, 尤其是实践性较强的学科。虚拟实验教学已在相关课程中得到应用。虽然已经有不少研究关注虚拟实验的人机交互, 但对于反馈在虚拟实验中的研究却很少。反馈在教学中的地位非常重要, 所以对于虚拟实验反馈设计的研究应该引起高度重视。
1 概念及分类
1.1 反馈概念
反馈是控制论的概念, 指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入, 进而影响系统功能的过程[1]。在虚拟实验中, 学习者在完成一定的操作后, 计算机要给出有针对性的判定和指导性的信息, 以供学习者理性审视自己的态度, 并为进一步学习提供指导。这种针对学习者操作后所呈现的信息就称为反馈。
1.2 反馈分类
根据反馈对系统的作用, 反馈可分为正反馈和负反馈;根据反馈发生的时间, 可分为前反馈、即时反馈和延时反馈;依据传播媒介的特性, 可分为言语反馈和非言语反馈;按传播对象划分, 则分为耦合反馈与自耦合反馈等[2]。从涉及的人数划分, 可分为大众反馈与小众反馈[3]。
Hannanfin归纳总结了3类反馈, 分别是:基于任务的反馈、基于策略的反馈和基于情感的反馈[4]。基于任务的反馈, 旨在寻找一种更好的方式来完成特定学习任务的有用信息或有效的活动。而基于策略的反馈是诊断性的, 从学生的表现、管理及学习过程等方面对学生进行全面的评估。基于情感型的反馈 (激励反馈) , 从本质上讲, 教师可以表达认可与否, 以引起学生内在的学习兴趣, 激发和维持其学习动力。笔者认为在Hannanfin的研究基础上还应该扩充一层:操作型反馈。即虚拟实验中的反馈可分为:操作型反馈、任务型反馈、策略型反馈和情感型反馈。虚拟实验中的操作型反馈又分为两种, 一种是对于虚拟实验界面基本操作的反馈, 一种是对于实验操作过程的反馈。
2 虚拟实验中反馈的作用
(1) 评估作用。当学生操作虚拟实验后, 虚拟实验操作系统应该对学生的操作进行评估, 使学生实现正确操作, 这样以确定他们是否掌握了知识点。
认知主义者认为反馈具有信息功能, 即学习的过程是假设—检验的过程, 当学习者主动解释信息, 并使它产生反应时, 反馈给学习者关于反应正确性的信息, 这有利用学习者更好地掌握元认知能力[5]。
(2) 矫正作用。反馈可以帮助学习者发现操作过程中出现的错误操作, 对于不同的操作错误, 虚拟实验可以分别或同时通过文字、声音、图形、动画等方式向学生展示。
(3) 强调作用。行为主义理论认为, 合理和适度的反馈具有增强功能, 通过反馈可以将一些主要的知识点反复强加记忆。反馈能够在学生没有主动意识的情况表现出正确的反映, 发挥这种强化纠正和指导行为的作用, 给学生强调性的提示信息[6]。
(4) 控制作用。控制论原则告诉我们, 反馈在控制系统方面有下列主要功能:启动系统朝着一个目标或者按照确定的路径进行[7]。虚拟实验和学生就是一个反馈控制系统, 必须具备实时监控功能, 即通过反馈来实现系统控制。
(5) 情感关怀作用。网络教学中的互动方式主要就是反馈, 即时的反馈既要求人性化教学, 同时也体现了情感的关怀[8]。从本能层、行为层、反思层设计具有“人情味”的反馈, 让学生能够保持积极的情绪、情感、态度, 合适的评价能够提高交流与关怀, 维持学习过程和激发学生的学习动机。
3 虚拟实验中影响反馈的因素分析
虚拟实验设计中影响反馈的因素有很多。在实验系统中, 虚拟实验和学生是两个主体, 二者在虚拟实验操作过程中不断进行人机交互。因此, 二者即为虚拟实验中反馈的基础影响因素。学生要以实验为操作对象, 其实验场景设计、学习内容选择即为虚拟实验中反馈的核心影响因素。
3.1 技术因素
反馈策略需要虚拟实验开发技术。常用的技术有Flash、VRML、Cult3D、Java与Java3D和Virtools。不同的软件, 反馈输出的效果和预期功能不同。5款软件的条件对比分析详见表1[9]。
3.2 学习者因素
学生是学习的主体。反馈设计在虚拟实验中必须考虑学生的生理特点、心理特点和认知特点。生理特点如年龄、性别、视听能力等;心理特点如交际能力、抗挫能力;认知特点如背景知识、学习能力、记忆力和思维习惯等。
3.3 反馈输出界面因素
实验心理学家赤瑞特拉进行了两个著名的实验, 一个是探索人类获得信息方式和途径的实验, 第二个是保持记忆知识的持久性。通过实验他证实了如下内容:在人类获得知识的途径中, 其中通过视觉途径的信息占83%, 听觉占11%, 其余来自其它感官途径;知识记忆方面, 依靠听觉记忆20%;依靠视觉记忆30%;听觉和视觉和同时使用则记忆50%, 如果你运用多个感官途径, 通过听、读、看、说、写, 记忆保持率可以达到90%。因此, 综合运用感官, 如文字、图形、声音和视频, 多感官刺激来设计各种反馈, 可以提高学习者的记忆效果, 促进和提高学习效率。
虚拟实验中的交互方式包括基本操作和虚拟设备控制。基本操作主要包括热区域、菜单、导航、控件、按钮、链接等。这些基本操作通过反馈的形式传递给学生, 使其了解实验进程, 切换实验界面。而虚拟设备的控制表现在实验中, 学习者通过键盘输入和鼠标操作去控制实验环境如漫游、实验室导航地图, 也可以通过点击按钮或滚动条操作实验仪器本身, 所以在开发实验环境和实验仪器时要与真实环境比例相协调, 接近真实世界中的控制方式, 并且有明显的操作提示, 在一些涉及实验过程的关键仪器中, 要扩大其热区部分, 使学习者不会出现由于操作上的问题影响实验进展。现有的很多虚拟实验开发多偏向技术的应用和功能的堆砌, 学习者在操作时存在较高的“认知摩擦”, 如虚拟实验系统的“健忘”, 虚拟实验系统“吝于”提供信息, 虚拟实验系统“不灵活”, 虚拟实验系统“责备”学习者, 虚拟实验系统“不负责任等”[10]。由于认知摩擦的普遍存在和不可消除, 在设计反馈时要努力优化策略, 避免不必要的过度反馈, 不合适时机的反馈, 不合形式的反馈和不合内容的反馈等问题。
3.4 虚拟实验教学内容因素
常用的虚拟实验有3种类型:演示实验、验证实验和探索实验。演示实验是为了给学生展示实验操作, 让学生观察实验结果, 多用于原理性的教学, 这样的实验较少运用交互反馈, 或存在一些简单形式的反馈, 反馈内容多用于学习结果的评价;验证实验主要是通过学生自己动手操作, 以达到对实验系统的安装、调试、观察、分析和讨论的目的, 所以在这类强交互性的虚拟实验中, 我们需要更多的反馈策略来支撑实验过程, 及时对学生的操作过程进行信息反馈, 在关键环节要反馈学习建议, 使学习者自主掌握学习进度和学习内容;探索实验通常是让学生在虚拟实验中, 对于不知道的实验现象进行反复观察、推敲, 最后由学生自己得出结论。这类实验本身就应该具有真实设备的所有功能属性, 设备本身是全功能的反馈操作。三类实验在交互性和反馈需求上由弱到强。虚拟实验类型的选择应根据教学需求决定, 以教学目标为导向, 倾听和考虑学习者的体验需求。
反馈的多寡应该根据问题而异, 根据所采用的实验流程、问题类型及教学速度而定。如果是练习式问题, 则反馈的内容要精简;如果是操作错误反馈, 则用铃声警示和对话框提示;如果是辅导式, 目的是让学生学习知识, 则反馈的内容要详细一些。针对错误答案, 应提供逐步接近正确答案的途径, 如有些较难的题目, 学生可以在尝试性的回答中, 逐步修正自己的错误, 在这类反馈中可加入一些正确答案的线索;而针对核心问题, 必要时要实施补救教学[11]。
4 结语
在我国, 虚拟实验的研究还不成熟, 对于虚拟实验反馈设计的研究也是空白, 关于反馈的理论探讨和实证研究都十分缺乏, 如实验界面过于单调、实验过程过于教条、学习者无法控制实验、实验模式过于单一、灵活度较低等, 只能实现信息的单向传递, 实验操作的实时提示和反馈不够准确、灵活, 无法提供正确的引导, 容易使学生出现“无助”、“迷失”, 进而产生孤独感和挫败感;实验教学质量难以监控, 还没有形成虚拟实验测试模式和评价体系。今后, 我们应该从以下几个角度展开反馈设计应用于虚拟实验的研究: (1) 了解不同类型的反馈原理、呈现方式和使用技巧, 针对具体学习情境和学习任务, 更有效地选择和使用反馈策略; (2) 以学习者为中心, 分析学习者的行为方式, 如不同的认知风格, 不同发展水平的学习者对反馈的感知程度及反应等, 并试图构建虚拟实验反馈设计模型; (3) 采用数据挖掘技术开发自适应反馈机制, 为学习者提供一个自适应获取知识和技能的实验学习环境, 捕捉学习者的学习兴趣点, 给予学习者最需要的反馈信息。
参考文献
[1]王倩.虚拟实验的反馈设计研究[D].长春:吉林大学, 2011.
[2]钟志贤.论远距离教育中的反馈问题[J].中国远程教育, 1992 (9) :18-22.
[3]GREGORY C S.Adapted and adaptive feedback intechnology-based instruction.[M].New Jersey:Educational Technology Publications, 1993.
[4]HANNAFIN M J, K MCDERMOTT HANNAFIN, D W DALTON.Interactive instruction and feedback[M].New Jersey:Educational Technology Publications, 1993.
[5]陈丽.术语“教学交互”的本质及其相关概念的辨析[J].中国远程教育, 2004 (2) :12-16.
[6]BRUCE JOYCE.教学模式[M].荆建华, 译.北京:中国轻工业出版社, 2002.
[7]章国英, 胡继岳.网络教学环境中情感交流的缺失及解决策略[J].现代教育技术, 2005 (1) :15-20.
[8]王荣芝.网络虚拟实验的交互设计研究[D].长春:吉林大学, 2007.
[9]魏书莉, 杨雪, 傅健.虚拟实验操作系统中的认知摩擦问题研究[J].中国远程教育, 2009 (9) :121-123.
虚拟实验研究 篇11
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。
虚拟实验研究 篇12
1.认知主义学习理论
认知主义学习理论把学习看作对信息进行主动选择和理解的过程, 认为人的认知过程实际上是一个信息加工过程, 知识不是由外界刺激直接给予的, 而是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果。采用三维虚拟实验进行教学, 认知对象从传统的与现实世界打交道, 变成与虚拟世界进行交互, 从而产生了一种新的认知方式。因此设计三维虚拟实验时, 必须从学生的认知心理出发, 注重学生的具体经验和对情境的了解, 使学习者新旧知识之间的同化能顺利完成, 最终促进自己的认知发展。
2.情境学习理论
情境学习理论认为, 特定的知识应该在特定的情境中去学习, 学习是一个社会性过程, 知识在这个过程中由学习者与周围环境相互作用共同构建。情境学习理论强调学习者应经历社会真实情境, 通过实际活动使其在真实情境中学习知识、技能和策略, 对知识做合理的解释并能灵活运用知识。因此, 设计三维虚拟实验时, 必须创设实验过程所需要的各种情境, 为学生主动探究提供环境支撑。
3.建构主义学习理论
建构主义认为, 学习是建构内在心理表征的过程, 学习者以已有的经验为基础, 通过与外界的相互作用来建构新的理解, 学习者知识的获得是个体与外部环境交互的结果。因此, 设计三维虚拟实验时, 必须提供灵活的交互方式, 同时为学习者提供丰富的资源和工具, 方便学生进行科学的探究活动, 有效建构自己的知识。
中学物理探究性三维虚拟实验设计
1.设计原则
直观性:三维虚拟实验设计要为学习者提供逼真的实验环境, 增加学生者亲身体验的经历。由于操作步骤复杂、观测过程漫长、实验仪器昂贵等原因而无法完成的实验要逼真模拟, 实验现象抽象和微观的就要突破时空限制转变为直观呈现, 实验过程不能及时控制的要设计关键现象模拟情境, 使学习者在虚拟环境下, 便于观察物理现象, 更好地理解和掌握实验原理。
交互性:三维虚拟实验设计要为学习者提供更多交互的环节和实时的反馈, 方便学习者选择实验设备、操作实验仪器、设置实验条件、改变实验参数。使学习者在虚拟环境下, 按照自己的学习特征、学习进度和学习方式进行主动探究。
开放性:三维虚拟实验设计要为学习者提供可以自主设计实验的学习资源和工具, 使学习者能够按照自己的兴趣自由地设计实验方案、演示实验效果, 并提供及时的反馈。
趣味性:三维虚拟实验设计要为学习者提供能够激发好奇心和求知欲的实验过程和现象, 能够吸引学生的注意力, 给学习者悦趣的体验, 激发其学习物理的兴趣。
2.设计过程
(1) 实验类型和主题的设计
按照实验内容分为:声音类、光学类、电路类、电磁类、理学类、能量类。本研究从众多实验中选择了部分实验进行开发仿真, 具体包括真实实验中不易观察的实验、真实实验中不易控制的实验两类。
(2) 虚拟实验模块设计
探究性三维虚拟实验共包括实验介绍、实验操作、实验提示、实验评价四个模块。其中, 实验介绍包括仪器介绍和内容介绍。仪器介绍阐述虚拟实验中用到的关键仪器的功能、使用方法等。内容介绍阐述实验目的、实验原理等;实验操作是虚拟实验的核心部分, 通过分析该阶段学生的认知结构, 设计交互式的用户界面和探究性实验环节, 学生根据实验原理和步骤, 在三维虚拟实验场景中对相关实验仪器进行操作, 完成实验;实验提示是指对实验中容易出错的地方为学生提供必要的帮助;实验评价是根据具体的实验要求, 对学生的实验操作结果进行评价。
中学物理探究性三维虚拟实验的实现
1.主要开发工具的选择
探究性三维虚拟实验的实现主要包括虚拟实验场景、各种实验仪器设备的三维建模, 以及提供探究活动的虚拟现实交互体验的开发, 用到的开发工具主要包括三维建模工具3ds Max和虚拟现实开发工具Unity 3D。
(1) 3ds Max
3ds Max是Autodesk公司开发的基于PC的三维动画制作、编辑、播放与三维建模和渲染软件。它具有易于使用、功能强大、性价比高等优点, 是许多个人和公司用户首选的三维建模与动画软件。3ds Max被广泛应用于广告、影视、游戏开发、计算机艺术、角色动画、工业设计和辅助教学等诸多领域。
(2) Unity 3D
U n i t y 3 D是由U n i t y Technologies公司推出的一款强大的3D跨平台游戏引擎, 包括图形、光照、音频、渲染、物理和网络等多方面的引擎支持, 目前已不仅仅局限于游戏开发, 而成为强大的综合性虚拟现实开发工具, 在虚拟漫游与实时设计、虚拟现实交互体验、人体数字化展示等领域都得到有效应用。
2.开发流程
三维虚拟实验的开发步骤为:①三维虚拟实验场景、实验仪器的建模;②分析学生的心理和认知结构, 设计探究环节;③设计交互界面, 实现实验的交互操作;④测试虚拟实验, 进行调试和优化;⑤发布虚拟实验。
3.探究性三维虚拟实验的开发
(1) 实例1:布朗运动
①实验设计思路:布朗运动是由微观分子间做无规则运动而形成的。在现实生活中, 难于操作, 不易观察, 只有借助显微镜才能观察, 使得学生缺乏创造力和空间想象力。而在三维虚拟实验中可以克服这些不足, 利用Unity 3D提供的物理引擎, 可以很好地模拟微观分子的无规则运动。本实验通过设计交互式的界面接口, 使学生可以通过控制温度变化或调整微观分子大小, 模拟微观分子的运动变化情况, 从而使实验者更好地理解布朗运动。
②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建, 主要包括实验桌、实验仪器, 实验主界面如下页图1所示。
③虚拟仿真实验的实现。本实验提供了两个观察角度, 即宏观和微观, 宏观角度用来展示实验前的状况;微观角度用来展示微观粒子的运动状况, 通过使用摄像机效果, 使得观察者能够清晰地看到微观世界中分子的无规则运动情况, 实验操作界面如下页图2所示。
下面详细介绍微观角度下实验的实现过程。首先, 学生点击微观按钮后, 摄像机被激活显示, 同时向液体分子拉近, 这时出现图2所示的界面, 屏幕下方出现对应的滑动条用于控制条件, 一种是温度变化, 一种是分子大小变化。这里用到了NGUI插件里的Tween Position动画。其次, 液体分子的无规则运动模拟是用Unity自带的碰撞检测函数来实现的。当分子之间相互碰撞时, 会触发自身的碰撞检测, 从而受到一个反向作用力被反弹回去。当多个分子发生碰撞时, 它们的运动就会变得毫无规律, 从而形成了无规则运动。
(2) 实例2:光的反射与折射
①实验设计思路:光的反射与折射定律探究的是光从一种介质照射到另一种介质时发生传播方向改变的光学现象。在现实生活中, 为了确保实验的准确性和灵活性, 特别要保证三线共面, 需要实验操作细致, 入射角、反射角、折射角的测量也很费时, 且不易控制。而在三维虚拟仿真实验中可以克服这些不足, 利用Unity 3D可以很好地模拟光线的反射、折射现象, 以及入射角、反射角、折射角之间的关系。
②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。本实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建, 主要实验仪器如图3所示。
③虚拟仿真实验的实现。本实验用来展示入射角变化时, 反射角、折射角的变化情况, 通过圆盘上的刻度标定, 能够随时读出确切的值, 实验者能够清晰地看到入射角、反射角、折射角的关系, 实验操作界面如图4所示。
结束语
新技术、新媒体的发展对传统教育教学改革具有推动作用, 利用虚拟现实技术设计并实现初中物理探究性三维虚拟实验, 能够有效改进传统中学物理实验教学的不足, 为学生进一步理解基本概念、掌握实验规律和实验原理, 提供了主动探究的环境, 对学生创新思维的培养具有重要价值, 对探索信息技术环境下中学实验教学新方法具有重要意义。
摘要：研究通过分析中学物理实验传统教学中存在的不足, 提出了利用虚拟现实技术设计并实现探究性三维虚拟实验, 解决传统实验教学存在的实验设备不全、实验环境受限、实验过程缺乏创造性等问题, 同时讨论了探究性三维虚拟实验设计的理论基础、设计原则和过程、实现技术与方法, 并通过案例进行了详细阐述。
关键词：探究性,三维虚拟实验
参考文献
[1]马发挥, 李献业, 钟永江, 陈红珍.初中物理虚拟实验室教学模式研究[J].中国信息技术教育, 2010 (9) :48-50.
[2]姬洪强.《现代教育技术》虚拟实验室的设计与实现[D].金华:浙江师范大学, 2009.
[3]张秀敏.仿真实验室在初中物理虚拟实验中的应用[J].中国教育技术装备, 2015 (11) :158-159.
[4]张林誉.初中物理虚拟试验系统的设计与实现[D].武汉:华中师范大学, 2013.
[5]徐一帆.基于虚拟现实的中学物理仿真实验的设计与实现[D].长沙:湖南大学, 2013.
[6]单美贤.虚拟试验系统的分类研究[J].现代教育技术, 2011, 21 (10) :117-120.
[7]白伟洁.高中物理探究性虚拟实验的教学实践应用研究[D].兰州:西北师范大学, 2014.
【虚拟实验研究】推荐阅读：
虚拟实验及其应用研究05-29
实验虚拟机实验07-31
虚拟实验替代动物实验07-23
虚拟实验理论10-14
虚拟电路实验01-17
虚拟教学实验05-24
虚拟演示实验08-07
虚拟实验技术09-28
虚拟实验平台10-10
虚拟化实验01-18