虚拟实验设备（精选12篇）
虚拟实验设备 篇1
0 引 言
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.
[2]http://hi.baidu.com/tianc001/blog/item/c37504d142a9bbd3572c8496.html.广西新世纪教改工程“十一五”第二批立项重点资助项目.2006A20.
虚拟实验设备 篇2
5：什么是虚拟设备?为什么在操作系统中引入虚拟设备?(10分)
SPOOLing是Simultaneous Peripheral Operation On-Line (即外部设备联机并行操作)的缩写，它是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息的一种技术，通常称为“假脱机技术”，
6：TCP为何采用三次握手来建立连接，若采用二次握手可以吗，请说明原因?(16分)
三次握手是为了防止已失效的连接请求再次传送到服务器端。
二次握手不可行，因为：如果由于网络不稳定，虽然客户端以前发送的连接请求以到达服务方，但服务方的同意连接的应答未能到达客户端。则客户方要重新发送连接请求，若采用二次握手，服务方收到重传的请求连接后，会以为是新的请求，就会发送同意连接报文，并新开进程提供服务，这样会造成服务方资源的无谓浪费。
7：什么是分布式数据库?(12分)
分布式数据库系统是在集中式数据库系统成熟技术的基础上发展起来的，但不是简单地把集中式数据库分散地实现，它具有自己的性质和特征。集中式数据库系统的.许多概念和技术，如数据独立性、数据共享和减少冗余度、并发控制、完整性、安全性和恢复等在分布式数据库系统中都有了不同的、更加丰富的内容。
(1)数据独立性。数据独立性是数据库方法追求的主要目标之一。在集中式数据库中，数据独立性包括两方面：数据的逻辑独立性和物理独立性。其意义在于程序和数据的逻辑结构和数据的存储结构无关。在分布式系统中，数据库独立性除了上面所说之外，还有数据分布独立性亦称分布透明性，即用户不必关心数据的逻辑分片，不必关心数据的物理位置分布的细节，也不必关心重复副本(冗余数据)的一致性问题，
有了分布透明性，用户的应用程序书写起来就如同数据没有分布一样。在集中式数据库中，数据的独立性是通过系统的三级模式和它们之间的二级映象得到的。分布式数据库，分布透明性是由于引入新的模式和模式之间的映象得到的。
(2)集中与自治相结合的控制结构。数据库是供用户共享的，在集中式数据库中，为保证数据的安全性和完整性，对数据库的控制是集中的。由数据库管理员(DBA)负责监督和维护系统的正常运行。
在分布式数据库中，数据的共享有两个层次：一是局部共享，即在局部场地上存储局部用户的共享数据。二是全局共享，即在分布式数据库的各个场地也存储可供网络中其他场地的用户共享的数据，支持全局引用。因此，相应的控制结构也具有两个层次：集中和自治。各局部的DBMS可以独立地管理局部数据库，具有自治的功能。同时，系统又设有集中控制机制，协调各局部DBMS的工作，执行全局应用。
(3)适当增加数据冗余度。在集中式数据库中，尽量减少冗余度是系统目标之一。其原因是，冗余数据浪费存储空间，而且容易造成个副本之间的不一致性。减少冗余度的目标是用数据共享来达到的。而在分布式系统中却希望增加冗余数据，在不同的场地存储同一数据的多个副本。其原因是提高系统的可靠性和性能，当某一场地出现故障，系统可以对另一场地上的相同副本进行操作，不会造成系统的瘫痪。系统可以根据距离选择离用户最近的数据副本进行操作，减少通信代价。但是增加冗余会碰到集中式数据库同样的问题，即不利于更新，增加了系统维护代价，需要在这些方面作出权衡。
虚拟实验现象仿真研究 篇3
关键词：粒子系统；虚拟现实；沉浸感
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21677-02
Research of Virtual Experimental Phenomenon Simulation
YANG Wei-ping, ZANG Wei, ZHAI Yong, YU Liang
(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)
Abstract:Take that particle system in virtual experiment, special efficiency simulating in virtual training as an example, the article mainly discussed the important effect of the particle system which incorporating flexibility, randomness and suitable into an integral whole in virtual teaching.
Key words:particle system; virtual reality; immersion
1 引言
随着计算机技术、图形学技术、光电子技术、仿真技术等的飞速发展，综合运用上述技术，高度逼真地模拟仿真人在现实世界中视、听、触等行为的人机界面的虚拟现实技术也日趋完善。在虚拟现实技术构建的接近真实的虚拟环境中，人可以通过形体动作与其它仿真实体交互并达到一种沉浸的感觉。主动地交互学习比被动地接受说教更具折服力，因而基于具有强大交互能力的虚拟现实技术的虚拟教学，如雨后春笋迅速发展起来。目前，大多数虚拟教学局限于简单的二维仿真与演示，或者是操作的简单交互，缺乏对特殊现象及过程的三维动态仿真，使得现有的虚拟教学在生动性、逼真性上与理想意义上的“灵境”交互教学有很大差距，粒子系统的引入恰好能弥补上述不足。本文通过研究粒子系统在虚拟实验、虚拟教学中特效仿真，进一步探讨了它在虚拟教学中的重要作用。
2 虚拟教学发展现状
在高校连年扩招造成的资金严重不足、实验设备的折损严重、高精度昂贵设备误操作易导致重大损失、高危险性实验对初学者人身安全存在的潜在威胁等因素影响下，又有综合了计算机技术、图形学技术、仿真技术等的虚拟现实技术的日趋成熟的外界动力下，虚拟教学出现并在虚拟实验、虚拟培训等很多方面得到成功运用。虚拟教学比传统教学更能充分调动学习者的感官及学习激情，利用虚拟现实技术营造自主学习的环境，学习者由传统的“以听而学”的学习方式变为以通过自身与虚拟环境的相互交互获取知识、技能的“以动而学”。本文简单介绍虚拟教学的以下几方面：
2.1 虚拟课堂
虚拟现实技术与课堂教学的完美结合打破了教学活动的时空局限性，学习者可在虚拟教室根据自身基础与爱好自主进行课程内容选择，避免了传统课堂的“同时、同地、同内容”的授课形式与学习者基础参差不齐之间的矛盾，使得教与学更人性化。
2.2 虚拟实验
在传统实验中由于受设备、经费、危险性、时空限制等外因所限，许多实验无法开设，而利用虚拟现实技术建立的物理、化学等各种虚拟实验环境中，学生可以安全操作各种虚拟实验，并可获得与真实实验相近的体验。虚拟实验能彻底打破时空限制，在虚拟环境中学习者只需花费几分钟时间便可观测到现实中需要几天甚至几年才能完成的过程，并且不会产生误操作带来的人身伤害和财产损失，使得知识的获取更高效、更安全。
2.3 虚拟培训
针对职工岗前培训，特别是高危行业的岗前安全培训，传统培训方式中通常采用文字形式或简单二维形式，缺乏生动性及真实性，学员在接受完培训后仅在短期内对培训内容有二维的记忆，遇到突发事件由于现场实景与各自对培训内容的理解相去甚远，往往无法快速运用所学知识解决生产实际问题。虚拟培训使受训者在培训过程中感触现场，在接受培训后，对培训内容有三维、逼真的系统理解，能够将所学知识准确应用于生产实际，当真正经历事故时能迅速反应，安全逃生。
3 粒子系统
3.1 粒子系统基本原理
粒子系统算法是Reeve于1983年提出，它通过采用大量形状简单且具有一定属性的基本粒子作为基础元素来表示不规则模糊物体，这些基本粒子都有一定的生命周期，基于它们不断改变形状、不断运动，所以粒子系统能充分体现模糊物体的动态性与随机性。粒子系统不是静态的系统，而是一个动态表现过程，是随时间变化处在不断运动中的粒子群，粒子群的分布状态可以随机改变，动力学性质决定各粒子位置的移动方式，新粒子的不断产生同时可以伴随着旧粒子的消亡。
3.2 粒子系统绘制的基本步骤
Step1 由粒子源產生新的粒子并加入系统中；
Step2 给每一个新粒子分配一定的静态属性；
Step3 删除系统中已存在且超过其生存期的所有粒子；
Step4 根据系统中剩余粒子的动态属性对粒子进行移动和变换；
Step5 绘制并显示由有生命的粒子组成的图象。
可将粒子系统与所描述物体的自身特征与运动模型结合，进行相应的模型建立。为体现系统的随机特性，常采用随机过程进行粒子形状、运动等的控制。每个粒子都有各自的变化范围，该范围内随机给数以确定它的大小，而变化范围则由即定的期望与方差来确定，基本表达式为：Para=MeanPara+Rand()'VarPara，其中Para代表需随机确定的参数；Rand()为[-1，1]中的均匀分布的随机函数；MeanPara为该参数的期望值；VarPara为其方差值。
4 粒子系统与虚拟教学
因在虚拟实验与虚拟培训环节中需进行大量特效模拟，因此本文仅以粒子系统在这两方面的应用来介绍并说明它在虚拟教学中的重要地位。
4.1 虚拟实验现象仿真
实验教学对于提高学生对知识的理解掌握程度、培养学生分析、解决问题的能力具有重要的作用。由于实验设备昂贵、实验自身危险性等许多因素的存在，使得大量实验在现实中不易操作，虚拟实验在此情况下应运而生。虚拟实验通过利用计算机编程工具模仿真实的实验环境从而营造一个虚拟的实验环境，实验者可操作虚拟实验系统来完成各种预定的实验项目。实验过程中反应现象将在屏幕上显示给实验者，但大多虚拟实验系统局限于简单交互与二维演示，缺乏对实验现象的三维动态仿真，因而虚拟实验的沉浸感方面将大大折扣，实验者也不会对实验内容与结果有较深的理解与记忆。在某种意义上，实验现象动态仿真的逼真程度直接影响到虚拟实验系统的实用性。因此良好的虚拟实验系统离不开逼真的三维效果仿真，而动态仿真的关键又是粒子系统，换句话说一套好的虚拟实验系统离不开粒子系统。以虚拟化学实验为例简单介绍通过粒子系统实现气泡、烟雾、沉淀等，实现实验现象的动态模拟。
图1 气泡仿真过程图
粒子系统模拟气泡运动也是以气泡粒子的产生、运动、消亡的基本过程建模的。首先定义粒子源的位置，即为气泡粒子群产生的初始位置，并分配粒子的静态属性；然后受力分析，因气泡受压力、浮力的双重作用，需根据初始位置、與水平方向倾角、初始速度等进行粒子运动轨迹的数学模型的建立；定义气泡运动至液体表面时为其消亡时刻，删除超出生命周期的粒子，根据活粒子的动态属性对其进行相应变换，实时渲染显示活气泡粒子群。
粒子系统进行化学反应沉淀现象的模拟类似与气泡的仿真过程，只是粒子群运动模型及粒子“消亡”的判断不同。认为粒子运动至容器底部时为粒子的“消亡”时刻，即“消亡”的粒子为处于静止状态的粒子。要求对全部粒子进行实时绘制，完成沉淀现象的动态仿真。
4.2 虚拟培训中特效仿真
对于从事高危行业的人员来说，安全教育与避灾训练显得尤为重要。根据虚拟现实技术的特点，可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的虚拟系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及安全避险训练。逼真地对事故发生现场的过程与发展趋势进行动态展示是虚拟培训沉浸感的一个重要指标，真实的再现、高效的交互使受训者以当事人的身份主动接受培训，在近乎逼真的环境中，受训者在感官被高度调动的情况下更能锻炼他们在真实灾害现场中的反应与应措，而不是以旁观者的身份观看培训。
如何对灾害场景进行逼真模拟呢？粒子系统在特效仿真中发挥着重要的作用。例如在排爆训练、矿井灾害（瓦斯爆炸、火灾、水灾等）逃生训练等，特效仿真的优劣直接影响受训者对事故的反应，缺乏逼真度的模拟使得受训者易将虚拟环境中模拟的事故与现实环境中真实事故一分为二，在模拟训练中毫无紧迫感，以致达不到受训目的，更甚至于将起到与训练目的背道而驰的效果。因而粒子系统在培训系统特殊效果仿真中的引入，增强了虚拟培训沉浸感。
以矿井火灾事故中的逃生训练为例简要介绍粒子系统在特效仿真中所发挥的神奇作用。虚拟矿井火灾模拟需要对火灾的发生、发展过程做实时分析与动态模拟，需要选择合适的粒子系统模型，建立逼真场景，使受训者能真实感受到火烤烟熏，真正将自己置身于“现场”，进行逃生训练。因为虚拟仪器较为昂贵，因而我们需要在桌面虚拟现实中实现“火烤烟熏”，只能靠视觉上的高度满足来调动其它感官的想象而进入半虚拟的环境进行交互。我们利用粒子系统在模拟不规则物体上的强大优势，动态逼真实现火焰及烟尘的模拟。在建模过程中需充分考虑风向、气流、巷道坡度等对火焰与烟尘粒子团中各粒子运动轨迹的影响，通过引入气流速度与巷道坡度矢量修正因子而得到较精确的模型，达到更高效的场景模拟。
图2 烟尘仿真过程图
烟尘运动碰撞检测、二次运动轨迹的定义是动态烟尘仿真的关键。本文将火灾发生区域中巷道壁作为碰撞检测的外围边界，当烟尘粒子运动到此边界时，根据气流速度与矢量修正因子重建运动模型。此步骤的加入增强了烟尘效果仿真的逼真性，更有助于增强虚拟环境的沉浸感。
5 结论
本文以粒子系统在虚拟实验与虚拟培训中特效仿真中的应用为例，讨论了粒子系统在虚拟教学中的重要地位。用粒子系统进行效果仿真具有以下优点：图像生成真实感、实时性较强；粒子结构设置简单，易于修改，绘制方法灵活；粒子系统造型方法具有普适性，可根据不同需要进行不同设计，以获得不同的模拟效果。粒子系统的灵活性、普适性及随机性它为实时仿真中不规则模糊物体的绘制提供了较为理想的思路，有较高的应用性与研究价值。
参考文献：
[1] 刘金鹏. 虚拟现实系统中的物理建模和行为属性问题研究[D]. 武汉理工大学, 2004.
[2] 许敏，张永生，郑战辉. 粒子系统在战场环境仿真中对飞机尾焰的模拟. 测量学院学报，2004.
[3] 周洁琼. 基于粒子系统的实时火焰模拟技术研究与实现[D]. 湖南大学, 2005.
[4] 徐大敏，于兆勤，郭钟宁. 虚拟现实技术及其应用与展望. 机床与液压，2006,(7).
[5] 胡欢, 徐士进, 赵连泽, 尹坤, 董少春, 郑意春. 虚拟现实语言X3D在晶体结构建模中的应用[J]. 计算机与应用化学, 2006,(4).
基于虚拟设备的虚拟交换机设计 篇4
虚拟化技术已经改变了我们的计算方式,例如,许多数据中心完全虚拟化用以提供快速配置,基于虚拟化的云计算可以更好的利用资源。通过虚拟化可以对包括基础计算机设施、计算机系统和软件等资源进行统一管理和抽象,以此来提供弹性可扩展的云服务[1]。
随着虚拟化技术的发展,一个新的网络接入层被引入用以建立虚拟机内部的网络连接,提供许多与物理层相同的功能。服务器虚拟化技术目前发展已经相对成熟,而虚拟化在网络方面的进展才刚刚开始。特别是服务器虚拟化对网络的可移动性,弹性扩展以及网络隔离的要求远远超出了目前物理网络的处理能力[2]。
数据中心可以负载成百上千的虚拟机,因此多租户之间的网络隔离要求变的愈加重要。
网络虚拟化还提供一些附加功能,使网络管理更容易。例如,在虚拟化环境中,虚拟化层可以提供有关虚拟主机动态迁移的相关信息。
本文的其余部分安排如下:第一节描述了虚拟机内部的网络结构;第二节描述了实际物理网络与虚拟网络环境的不同之处;第三节介绍软件实现的虚拟交换层设计;第四节是虚拟交换机的主要应用场景。
1 基于流的虚拟交换技术
基于流的网络交换技术提供了一个有效的网络交换方案[3],采取用软件定义网络的方式,使得用户可以忽略底层硬件的具体情况,直接对流量进行管理并设置数据报文以何种方式通过网络。
用软件来统一管理物理设备,借鉴网络TCP/IP协议的数据链路层桥接原理和网络层协议的设计思想,利用软件实现和硬件实现结合的方式对现有的网络结构予以重新定义,在系统上实现一个虚拟的交换层,除了具有高效的传输能力还可以为云基础网络提供智能的监控服务。
用软件实现的方式具有强壮的伸缩性,灵活性和移动性,方便系统扩展。
2 流分组交换的层次结构
流分组交换分为两层,物理设备虚拟化和网络协议层虚拟化。
2.1 物理设备虚拟化
物理设备虚拟化是指利用软件来对网卡设备进行抽象,使用用户层软件对物理网卡实现逻辑划分,划分后的设备既可以实施流量控制和负载均衡策略又能高效的利用设备资源,虚拟化后的网卡设备具有和物理网卡一样的功能,硬件实现的资源划分不易动态扩展,软件虚拟以后可以按照需求动态进行资源划分。
通过虚拟技术将一台或多台独占物理设备虚拟成至少一台逻辑设备,供多个用户进程同时使用,通常把这种经过虚拟的设备称为虚拟设备.虚拟设备一定和实际的物理设备绑定才可以使用。
2.1.1 虚拟设备模型
虚拟设备是建立在一个或者多个真实设备之上的抽象。合理使用虚拟设备可以在一个物理设备上构建多个逻辑上的虚拟设备,通过软件的配置,这些虚拟设备可以实现硬件所具有的功能。虚拟设备和真实设备可能的模型有如下几种,实际上应用可根据需求选择其中几种模式。
虚拟设备的建立和管理需要统一的虚拟软件的支持。在虚拟软件的控制下,物理设备可以根据上层需求灵活高效的配置组织出虚拟设备。这可以极大的提高硬件设备的利用率,在规模上可以化大为小又可以积少成多。
2.1.2 虚拟设备的管理
虚拟设备管理分为两个部分:
用户态虚拟平台管理,可以用来配置和查看设备的状态,用户可以在用户空间查看和修改虚拟设备的属性文件。
通过内核模块编程管理,由内核直接管理,主要负责物理设备运行和数据通信。
2.2 网络协议层虚拟化
利用软件抽象的灵活性重新定义数据链路层和网络层结构,引入一个虚拟管理层来实现数据链路层和网络层,把传统定义的OSI七层协议的网络层和物理链路层压缩为虚拟网络层。
这样就可以把数据链路层和网络层的数据整合成一个数据流,扁平化了网络结构。每个经过虚拟网络层的数据报文均被重新标记。这个数据报文既包含了链路层信息又包含了网络层信息,基本可以对每个数据报文按照逻辑链路准确分类。
网络中的数据报文就可以组织成一个一个的数据流,组织成数据流的好处在于用户可以根据需要对每个数据流进行属性定义,比如Qo S策略定制,数据报文的检测和隔离,网络负载均衡等等。
报文基于流分类,就不再需要在物理链路层运行生成树协议,减少了数据报文的转发延迟,降低了网络的流量负载。
3 流分组交换
应用基于流分组交换技术对已有的网络协议不用改动,所有的交换工作都在内核协议栈部分完成,大大增加数据交换效率,但是需要在内核协议栈数据结构上添加一些关于数据流控制相关信息用以标识当前处理的数据报文属于哪个数据流。
经过标记后的逻辑数据报文头部结构如下,逻辑报文的生存时间TTL是为了防止逻辑报文在网络中过久滞留而导致网络队列太长而溢出,同时也能保证数据帧不会在成环的链路中被无限次转发,这是实现两点之间多路径转发的基础。
虚拟机的虚拟网卡对每个发出的数据报文的控制信息进行标记,与之相连的交换节点接收到数据包后,会根据全局控制器的数据建立一张虚拟连接表,交换节点根据数据报文的控制信息查找虚拟表然后将数据报文转发到目的端口完成一次数据报文交换。
每条虚拟连接可以包含多个虚拟端口,这些虚拟端口被划分为一个逻辑组。有了这个逻辑组可以进行更复杂的交换功能,例如多路径转发,快速路由,链路集成,负载均衡,流量整形,例如图x所示,每个数据流会根据流量使用多个端口,以加快数据报文的转发,多个虚拟连接的数据流可以转发到具有同样操作需求的端口。
基于流的分组交换可以在虚拟机内部网络通信时设定较大的MTU数据包来提高数据报文的转发效率,因为在内核协议栈可以避免IP分组和重装的过程,降低了数据报文的转发延时。
对于每个虚拟端口和虚拟连接,可以自由配置匹配规则用以对数据报文进行匹配和过滤。比如某个端口限制IP地址为10.0.0.*的数据包发送,如果接收到类似的数据包,就抛弃掉。
流分组交换需要维护一张虚拟连接表,每个表项唯一标识了一条数据流、应用在经过该数据流的报文需要执行的操作和该数据流的统计信息。
虚拟连接表表项组成
匹配规则
这个域可以唯一的确定一条数据流,里面包含数据报文的物理地址,IP地址,虚拟局域网ID等等。
虚拟连接计数器
该域定义了一组计数器,用来统计该虚拟连接接收和发送数据包总数,连接的端口总数等等。
虚拟连接规定执行的操作
这个域定义了数据报文经过该虚拟连接时需要执行的操作,例如,匹配规则的修改,数据报文转发,数据报文丢弃等等,用户可以自定义。
3.1 流分组交换控制
流分组交换可以实现的重要前提就是流分组交换控制器。流分组交换控制器负责建立和移除虚拟连接表,虚拟连接表的规则设置,物理虚拟设备的参数配置,数据统计信息获取,Qo S设置,虚拟防火墙配置,VLAN划分等等。
流分组交换控制器负责监控所有的虚拟连接表,这样虚拟机内部网络的流量状况就可以全方位的被监测,凭借以前的物理设备这是做不到的。
基于流交换的数据报文若不与外界通信,则数据报文就可以不用经过物理网卡而直接在内存中进行交换,这个机制也非常大的提高了交换的性能,提高了报文的转发速度。
传统的数据链路层需要运行生成树协议来去除回环通路,MAC地址学习也占用了数目可观的网络流量,现在可以用控制器来为所有的虚拟设备维护一个全局的转发路径,这就省去了生成树协议造成的数据帧转发的延迟以及增加的额外网络流量。
流交换分组控制器要根据配置文件生成虚拟连接表,创建或者移除虚拟连接,维护虚拟端口和虚拟连接的存储队列,为虚拟连接和虚拟端口配置数据报文处理规则。
3.2 流分组控制协议
流分组交换控制器通过Netlink套接字和内核进程通信通信,也是网络应用程序与内核通信的最常用的接口。Netlink是一种异步通信机制,在内核与用户态应用之间传递的消息保存在socket缓存队列中,发送消息只是把消息保存在接收者的socket的接收队列,而不需要等待接收者收到消息。
流分组交换控制器和流分组交换模块之间通过Netlink建立一个普通的TCP连接,是一种基于进程间通信机制。流交换控制器和交换模块之间信息交换采用自定义的一套协议。
协议头结构:
控制信息事务ID用以标识同一对流分组交换控制器和流交换模块之间的配置过程,例如本次A发送给B的控制信息,B必须要用同一个事务ID来回复A的请求,以区分A发送给B的另外的控制信息。
控制信息类型:
控制信息大致分为下列几种:
配置信息主要是通知流分组交换模块端口配置数据,端口队列配置数据等等。流分组交换控制器通过控制协议获取各个交换模块和内置的虚拟端口信息,可以对虚拟连接表进行全局性操作,又可以高效的检测网络的状态,未来的工作还会实现根据网络监控结果自动化的调节各个交换节点的配置信息。
4 结论
利用虚拟网络设备的特性以及软件抽象的灵活,构建虚拟交换机来实现可扩展的数据链路层。虚拟化技术在一般的网络基础设施本身方面还有很多工作要做。旨在获得虚拟化的优势,如隔离性,灵活性和流动性。可实现弹性、安全、自适应以及易管理的云计算基础网络。
摘要：网络虚拟化为共享在同一主机上的多个虚拟机创造了一个新的网络接入层。传统模式网络部署方式已经不能满足虚拟化部署环境对网络的要求。这个新的虚拟网络接入层合理的隔离了系统软件和实际的物理设备,虚拟网络接入层还提供了物理网络层不具有的优势,例如灵活的软件配置,弹性的功能扩展。设计虚拟网络交换机,通过采用虚拟设备引入一个软件抽象层,该抽象层将流量从物理网络元素中分离出来。通过这些虚拟设备可以合理动态的管理虚拟化网络资源,有效的整合这些虚拟网络元素。介绍虚拟交换机是如何设计的,可以用来解决虚拟环境中虚拟机跨子网的流动性和虚拟主机之间流量的逻辑隔离等问题。
关键词：计算机应用技术,网络虚拟化,虚拟交换机
参考文献
[1]《虚拟化与云计算》小组.虚拟化与云计算[J].北京:电子工业出版社,2009
[2]吴朱华.云计算核心技术剖析[J].北京:人民邮电出版社,2011-5
虚拟实验设备 篇5
【摘要】 随着计算机信息技术不断的渗入教学课堂中，这为现代高中物理实验教学奠定了良好的技术基础。通过计算机信息技术的运用，有效的将虚拟实验室带到高中物理教学课堂上，显著提高现代高中物理实验教学的质量。本文主要通过高中物理实验室教学目标，针对实验室的特点、物理实验室的相关实际操作和应用以及高中物理实验室的教学质量等所存在的教学问题进行研究。虚拟实验主要是通过计算机信息技术的支持，利用信息科技构架虚拟的仿真实验室，并结合Flash课件，以实现网络信息化的虚拟实验，以显著提升学生的物理知识实践能力、提升学生的自主学习能力，同时还能更大程度的发挥学生的创造力。比如，在教学马德保半球的物理实验教学过程中，运用虚拟实验验证马德保半球实验，将实验中的两边马匹逐渐以两倍进行增加，直至成功将半球有效分开，以真切帮助学生感受大气压强的压力。
【关键词】虚拟实验 高中物理 效率
物理是高中教学中的一门重要学科，该学科主要是建立在实验的基础上的一门学科科学理论知识。物理实验是是验证知识、定理的一种重要科学手段，然而在传统的物理知识教学过程中，大部分教师忽视实验室教学，过分重视课堂上的书面实验授课方式，或者是过分重视画实验替代实践操作实验的方式进行学识的传授。由于当下的课程不断推进新改革，针对物理学科上的实验课程得到了相当大的重视，但是在学校里相应的物理实验室器材却表现出严重的不足，因而导致高中物理课堂在实际授课时，针对部分要求相对比较严谨的实验仍旧无法完成，这种现象持续性发生将会对新课改的物理理论知识的教学带来一定影响。随着计算机信息技术不断的渗入教学课堂中，这为实现高中物理实验操作带来相当大的积极影响作用。同时运用计算机信息技术的帮助，将虚拟实验室引进课堂，直观的将物理知识通过虚拟实验展现在学生面前，显著将实验教学的课堂效益提升。虚拟实验主要是通过计算机信息技术的支持，利用信息科技构架虚拟的仿真实验室，并结合Flash课件，以实现网络信息化的虚拟实验。在高中物理课堂的教学中灵活将信息技术化的虚拟实验渗透进物理理论教学中，对深化物理教学改革至关重要，同时能有效激发学生的学科积极性以及学习兴趣，进而有效提高实验教学效率[1]。
一、物理教学中运用虚拟实验的好处
1.有效减少物理课堂实验的成本
在以往的传统高中物理教学过程中，进行实验操作的时候均是要借助相关的实验器材才能完成。然而用于物理实验操作的相关专业器材费用相对比较高，且相对比较容易损坏，因此整个物理实验过程下来，耗费教学经费相当大，但是利用虚拟实验室到教学中去，很大程度上将传统实验室的成本降低，通过实验器材的信息科技数字化，运用虚拟仿真实验系统的教学模式，不仅能降低成本，同时还能全面实现高中物理课堂上的实验教学[2]。2.化解时空限制的教学局限性
在以往旧式的器材实验室教学中，经常会受到时间以及实验空间的限制，出现这种局限现象主要是因为实验室相关器材相对短缺，且空间有限，不能同时一次性让学生进行相关物理学科课程的操作学习。然而通过虚拟实验室的运用，促使高中物理实验实现数字化传播，并且时间和空间上不受到任何限制，只要课程设计中需要，师生便能随时通过信息化虚拟实验室进行相关课程的实验操作。3.有效把控实验过程中的节奏
在传统式的相关物理器材实验室教学过程中，对于部分瞬间即逝的物理实验现象相对比较难观察到，而通过进行虚拟数字化实验操作，我们可以通过信息科技技术将实验现象进行缓慢播放，以把控实验过程的节奏，有效观察实验过程，更好的帮助学生对课程实验进行相关笔记记录，以帮助学生更全面的进行实验操作与学科思考。
4.有效保证实验过程中的人身安全性。
高中物理学科理论知识相对比较难，且相关的物理实验的难度系数以及危险性系数相对比较高，一旦实验操作失当，有可能引发某些危害，以影响操作者的生命安全。但是通过使用虚拟实验室进行实验操作，那么实验室里所存在的一系列安全隐患将能排除掉，这样进行物理实验课堂更加安全。
二、虚拟实验的作用
1.提高学生学习积极性以及学科兴趣
在教学过程中，有效的将学生引导到学科理论知识的海洋里，自主的学习，依靠的不是强制性管制，而是学生发挥自身能动性主动的学习，并对所学习的学科怀揣着兴趣、热情以及学习信心。在以往的教学过程中，教师的教学方式相对比较单一且枯燥，物理学科的知识传授更是通过教师使用粉笔在课堂上进行笔画出来，因而大部分学生并不能很好的参与到教学活动中，长期发展，学生在课堂上的表现逐渐变得烦躁、思维不活跃等，导致这个高中物理实验的课堂教学质量下降，即使是教师使用简单实验操作也不能有效的帮助学生提升学习兴趣。通过使用虚拟实验实验网络系统中，将实验教学附上浓郁的现代技术化色彩，以给学生带来科技现代化的视觉冲击，更加有效的帮助学生集中注意力，提高学生的学习热情和参与实验学习的积极性，2.虚拟效仿实验现象，指导学生自主研究探讨
实验是教师引导学生自主进行研究探讨的一种科学教学手段，通过使用虚拟实验教学方式，将抽象的高中物理理论知识结合到实践性实验中，以深化学生的学习思维逻辑性，通过虚拟实验的运用，将抽象化转变成形象化、将实验静态转变为实验动态、将实验微观性转变为实验宏观性。比如，在教学马德保半球的物理实验教学过程中，教师可以将实验中的两个马德保半球进行真空处理，将空气抽取出来后两个半球无法拉开，以向学生展现大气压强，但是针对大气压强到底是压力有多大，运用传统的实验方式是几乎是不可能让学生感受到的。但是通过使用虚拟实验验证马德保半球实验，将实验中的两边马匹逐渐以两倍进行增加，直至成功将半球有效分开，以真切帮助学生感受大气压强的压力。3.扩展了学生操作空间，挖掘学生的创新力。
在传统的实验室操作中，学生初始接触物理实验，由于心理对实验操作以及相关的实验过程、设备等可能发生的不安全因素发生，导致学生在实践过程中过多顾虑，致使实验课堂的效率下降。通过虚拟实验课堂，为学生提供了全新的安全性实验实践渠道，学生可以放心的按照自己创新能力以及想象能力开展实验操作。进而有效激发学生的学习积极性与主动性，扩展了学生操作空间，挖掘学生的创新力[3]。【参考文献】
虚拟设备的春天来了 篇6
“魔镜”惊人的吸金能力，折射出如今虚拟设备（包括虚拟现实头盔）产业的火爆。很多人说，虚拟现实头盔也属于智能穿戴设备。目前这个领域的产品处境艰难，谷歌已大方承认智能眼镜在市场上遭遇惨败；而功能单一的智能手环如今已成鸡肋，就算送人也没人要；至于智能手表，仍看不到成功迹象，当下只有iWatch还在坚持。比起这些“老前辈”，虚拟设备算是成功典范。是什么原因让虚拟设备脱颖而出，逐渐形成一个完整的产业？回头看，还得从人类原始需求谈起。
人类的精神世界里，为了获得愉悦，会情愿付出脑力或体力。比如费力气看小说，是为了获得阅读乐趣；付出脑力努力掌握一种游戏的技巧，是为了获得游戏成就感；努力记下菜谱，是为了获得舌尖上的快感等。
通过分析，人们发现获得的愉悦和脑力付出之间有一个比值。这个比值越高，即用越少的劳力换取越多的愉悦，那么人们就越容易接受当下正在干的事情。反之，就会被人们唾弃。
微信就是一个典型的案例，无论是聊天还是刷朋友圈，大脑都处于类似条件反射的状态，几乎不费什么脑力，就可以发现一些有意思的东西，让自己愉悦。比如发现一张好看的照片，一篇很简短的文章或者朋友间推荐的游戏。相对于微博，微信里的好友替大家完成了信息筛选，所以获得同等数量的愉悦，花费的脑力更少。于是，这解释了为什么玩微博的朋友越来越少，而玩微信的朋友越来越多。
一个新的投资和创业的目标，就是去寻找获得愉悦和付出的脑力之间，存在高比值的未开发领域，并制造杠杆去放大或改造它。现在看来，虚拟设备就是一个高比值领域，它能让游戏变得更容易。
这么多年来，游戏玩家已习惯为了获得游戏快感，花费脑力去学习，比如CS中的“爆头”技巧，切水果游戏里的手法技巧等。想要在游戏中获得更多愉悦，付出的脑力成本自然越高。如果有一天，游戏玩家发现以后不用熟练操作鼠标、键盘或者iPad，只需戴上头盔晃动下头部，或挥动几下手，就能轻松获得游戏快感，那么这个愉悦是无与伦比的。虚拟设备在游戏领域，满足了人类内心需求，自然受到了风险资本追捧，受到消费者喜爱。
看明白了这点，在做虚拟设备时能少走弯路。比如有些品牌在设计虚拟现实头盔时喜欢把重点放在如何提高显示屏画质上，花大价钱采购支持2.5K分辨率和视场角110°以上的显示屏，走的仍是智能硬件发展老路——拼规格。然而，这真是玩家内心最迫切想要的东西吗？未必如此，把资金投入到显示屏上，还不如继续放大“玩家获得愉悦和付出脑力之间的比值”，Oculus、3Glasses等把位置追踪器、三轴陀螺仪等功能集成到虚拟现实头盔里，这些功能让玩家在游戏时付出更少的脑力——只需左右晃动头部，就能让游戏里的视野跟着玩家移动。而这一切，以前需要鼠标上下左右大范围移动，才能达到如此效果。将来还会发展出语音识别技术，进一步为玩家节约“脑力”，把他们从枯燥、机械的游戏操作中解放出来。这些，才是未来虚拟设备需要优先解决的课题。
未来，人类早晚会通过神经联网的方式进入虚拟世界。在那个时代，所有的愉悦都是可以在虚拟世界得到，而付出的脑力会前所未有的少，最终人沉迷于其中。在到达这个还有点遥远的未来之前，虚拟现实头盔和相关设备算是一个过渡方案，未来几年它很可能成为最受消费者喜爱的电子消费品。
基于虚拟实验平台的远程交互实验 篇7
●理论基础
1. 行为科学理论
行为科学是研究人类行为一般规律的学问, 目的在于激发动机、推动行为、改造行为, 提高人的积极性和创造性。这对网络学习中的交互行为研究具有一定的指导意义:首先, 行为科学强调人的欲望、感情、动机等心理因素的作用, 因而在构建学习环境的时候强调满足人的需要和尊重人的个性, 以及采用激励和诱导的方式来调动人的主动性和创造性, 促进学生更多的交互。其次, 行为科学强调环境对行为的影响。最后, 运用行为科学的研究方法可以研究网络学习行为中的交互。网络学习行为研究的对象是学习者, 学习者的心理活动是看不见、摸不着的, 所以对内化的心理行为的研究需要采用观察、实验和调查等方法。
2.建构主义学习理论
由于多媒体计算机和网络通信技术所具有的多种特性特别适合于实现建构主义学习环境, 能有效地促进学生的认知发展, 所以随着多媒体计算机和网络教学应用的飞速发展, 建构主义学习理论越来越被广泛的应用于教学。它重新定位了教师与学生在教学中的地位, 学生不再是教学内容的被动接受者, 而是知识的主动获取与建构者。
3.交互理论
穆尔 (Moore) 在1972年提出了相互作用距离理论的基本框架。上世纪80年代末, 穆尔再次提出“三类交互作用”理论, 他在先前研究的基础上进一步明确提出“三类相互作用”, 即学生与教学内容的交互作用、学生与教师的交互作用、学生与学生之间的交互作用。这种分类对教学交互理论与远距离教学实践的发展都产生了深远的影响。
●虚拟实验平台的架构与功能
1. 虚拟实验平台的架构
虚拟实验平台指由计算机硬件系统和软件系统构建的一个具有交互功能的计算机网络虚拟实验平台。在平台中, 参与学习的个体之间可以利用文字、符号、图片、声音等多种数字媒介进行信息交互。这个平台可以让个体之间不受时间、空间的限制进行交互。虚拟实验平台架构如图1所示。
2. 虚拟实验平台各个组成部分的功能及特点
虚拟实验平台由辅助工具、素材库、同步实验、仿真工具、构建工具和交互实验组成, 各个组成部分的具体功能及特点如下。
(1) 辅助工具:主要功能是提供给用户所需的辅助工具, 如三角尺、量角器、天平、杠杆等工具, 以备在实验中辅助之用。
(2) 素材库:主要功能是提供给用户所需的各种图片、视频、动画、音频、文本等素材, 用户可以自由控制各种素材, 以备实验之用。
(3) 同步实验:主要功能是设置与课本中同步的实验操作, 全部同步实验是按照书本中的要求做的同步实验, 而且是模拟实验, 模拟操作和实际操作基本相同。目的是给予教师和学生指导的功能。
(4) 仿真工具:主要功能是根据属性设置, 按照实验规律, 自动生成实验工具, 由于是仿真工具, 因此具有和实际操作中使用的实验工具完全一样的功能。
(5) 构建工具:主要功能是用户可以根据需要设计整个实验过程, 这里有设计好的素材库, 用户只需将素材按照知识库的要求组装起来, 就可以构建一套用户需要的实验装置。整个构建过程方便快捷。
(6) 交互实验:用户可以登录该平台, 一同进行远程实验操作, 这是远程交互实验的核心技术。因为只有在网络上连接到该平台, 才能真正实现时间和空间上的交互。
以物理虚拟实验平台为例, 来说一下如何在平台上进行远程交互实验。
下页图2演示的是杠杆实验, 在该实验中, 本地的学生可以同时与异地的学生通过计算机协作进行此项实验, 如本地学生通过操作控制杠杆左端上的勾码的个数, 并且控制勾码悬挂在支架上的位置, 与此同时, 异地的学生通过控制杠杆右端勾码的个数和其在支架上的位置, 这样杠杆在两位学生的操作控制下达到平衡。
图3演示的是天平实验, 在该实验中, 本地的学生可以同时与异地的学生通过计算机协作进行此项实验, 如本地学生通过操作控制天平左盘上的物体, 与此同时, 异地的学生通过控制右盘上砝码的数量及游码的位置, 这样天平在两位学生的操作控制下达到平衡。
●基于虚拟实验平台的远程交互实验应用模式
以上面所介绍的虚拟实验平台为依据, 设计如下三种应用模式。
1.教师-教师交互模式
(1) 交互对象:是教师与教师的交互, 教师与教师可以通过远程进行教研活动, 如名校名师远程指导一般学校的教师, 通过指导学习, 达到共同提高的目的。
(2) 交互功能:教师与教师可以通过远程进行同步实验, 并进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 交换意见, 对有分歧的问题还可以组织一个多人讨论组。
(3) 优点:这种模式缩小了名校与普通一般学校的教学差距。
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
2. 教师-学生交互模式
(1) 交互对象:是教师与学生的交互, 可以是广义的学生, 也可以是狭义的学生, 如成人教育的学生是广义的学生, 在校生是狭义的学生。通过远程交互, 教师可以指导学生实验, 同时学生也可以向教师提问, 相互交流。
(2) 交互功能:教师与学生可以通过远程进行教材同步实验, 也可以是任务驱动式实验。并进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 交换意见。
(3) 优点:这种模式可以调动学生自主学习的积极性, 同时还解决了地域的限制, 教师还可以就学生的个人特点, 随时给予学生指导。而且在传统实验室很难实现的实验操作, 都可以在虚拟实验室实现, 学生可以反复观察实验, 真正理解实验, 掌握知识。还能做到随时有问题随时解决, 学生的学习效果会非常好。例如, 学生在家里就可以登录虚拟实验平台, 同时可以向自己喜欢的教师请教, 这样学生一定会有兴趣, 提高了学习效率
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
3. 学生-学生交互模式
(1) 交互对象:是学生与学生的交互。通过远程交互, 学生之间可以进行交互实验, 并进行交流, 同时也可以对一个问题进行讨论研究。
(2) 交互功能:学生与学生可以通过远程进行教材同步实验, 也可以一同进行任务驱动式实验, 并可以进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 相互交流, 对有分歧的问题还可以组织一个多人讨论组。
(3) 优点:这种模式可以调动学生自主学习的积极性, 同时可以形成团队精神, 增进同学之间的友谊。而且还解决了地域的限制, 学生与学生之间可以随时进行交流讨论。
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
以上三种模式基本囊括了远程交互实验的各种情况, 在实际操作中, 学校可以根据自身情况设计符合自己学校实情的模式, 做好实验, 提高学生的动手动脑能力, 势必提高学习效率。
虚拟实验理论初探 篇8
虚拟实验是近年来随着计算机技术和网络技术的发展而兴起的一种实验技术或实验方法。虚拟实验是利用软件技术构建系统的逻辑结构模型, 结合相关硬件构成虚拟系统, 并利用网络技术实现网络化虚拟系统。根据实验物体以及研究内容, 利用软件构成总体的逻辑结构模型, 并对相关硬件以及实验仪器进行控制和操作, 形成虚拟系统的整体结构。运用网络将虚拟系统的实验范围进行扩展, 实现系统的分布式构建和实验过程的多方协作处理。在整个实验过程中, 充分利用了计算机的控制、处理和协调功能。与仿真实验相比, 虚拟实验运用计算机处理的数据是从实际的实验对象和实验仪器中获得的, 实验的结果能够正确表征实验对象的特性, 反映本质联系。同时, 计算机中的软件程序能够反向控制实验对象和实验仪器中的信号输出, 实验结果具有针对性, 增加对实验对象的认识的明确性。虚拟实验由于其强大的功能和突出的优点, 所以在大学实验教学中得到广泛应用[1]。
二、虚拟实验理论基础
在虚拟实验中, 主要是通过学生与教学媒体、学习资源环境以及自身新旧概念的交互来达到实验的目的。北京师范大学远程教育研究中心的陈丽博士在对远程教育方面的教学交互进行深入研究后提出了远程教学中的教学交互层次塔理论。她将远程教学交互分为三个层面:学生与媒体界面的操作交互, 学生与教学要素的信息交互, 学生原有的概念和新概念之间的概念交互。见图1。
层次塔以媒体为平台。层次塔底层是操作交互;中间层是信息交互, 信息交互有三种形式:学生与学习资源的交互、学生与教师的交互、以及学生与学生的交互;最上层是概念交互。与远程学习中的教学交互相类似, 虚拟实验过程中的教学交互也是分层次的, 从操作交互、信息交互再到概念交互, 逐渐从具体到抽象、从低级到高级。高级的教学交互以低级的教学交互为条件和基础。三种教学交互的关系是:操作交互是信息交互发生的条件, 操作交互中的动作由信息交互的需要和媒体界面的特征来决定。概念交互产生于信息交互的过程中, 概念交互的水平和方向决定了学习结果, 概念交互的结果将决定信息交互的内容和形式。所有类型教学交互的目的都是通过各种信息交互来促使概念交互的发生, 并使结果朝着教学目标不断接近, 操作交互是这个过程的技术保障[2]。教学交互层次理论在一定程度上揭示了教学交互本质, 对虚拟实验中的交互研究有重要的指导意义, 借助该理论可以辨析虚拟实验中各种教学交互现象的实际作用和相互关系;探索促进虚拟实验教学的有效途径, 通过媒体功能的完善, 提高操作交互的水平, 通过良好教学设计和学习支持提高适应性的水平, 通过概念交互反馈, 可以评价教学交互是否促进有意义学习。
三、虚拟实验的优点和不足
1.虚拟实验的优点
虚拟实验为教育教学开辟了新的思路, 因为它大大扩展了学生的经验范围。模拟能让学生去探索那些十分昂贵、十分危险、在时空上行不通或在现实中不可能达到的实验。
(1) 激发学生的学习动机
由于计算机尤其是虚拟现实技术可利用计算机图形、声音和图像来再造逼真的情境, 因此学习者会完全沉浸于其中而无法将其与真实世界区分开来, 给人们以很好的“临场感”和“逼真感”。它超越了通常的交互作用, 可以达到真正自然的高水平的交互作用。
(2) 时间和空间的有效性
虚拟实验可以压缩时间和空间展开真实事件, 使静态的变化速度宜于学生观察, 因此也就大大节约了对某些过程的观察时间或者使得一些原本无法观察的现象清晰地展现在学生的面前, 开阔了学生的视野, 有助于发展学生的思维, 可以有效弥补教学中的不足。
(3) 安全性和经济性
某些物理实验, 由于其危险性或是设备比较昂贵, 不太可能在真实情况下让学生去经历比如核反应、太空旅行, 利用计算机进行虚拟实验则可以做到既安全又经济, 并且让学生有一种亲身经历的感觉。
(4) 富有真实感
尽管模拟对真实世界并不是不折不扣的复制, 但确实为学生创设了一个虚拟的情景, 学生所经历的决策过程则是真实的。这样学生能够较为容易地进行知识迁移, 即使是在真实生活中遇到类似的情景, 也会很轻松地去处理。
(5) 教学方式灵活、方便
虚拟实验突破了传统教学模式受时间、地点的限制, 并且可以利用网络教育提高教学效率。
2.虚拟实验的缺点
虚拟实验教学完全基于计算机技术和网络通信技术, 对于学生来说, 整个教学过程是在计算机屏幕上完成的。因此, 计算机模拟实验教学具有局限性。
(1) 可能淡化对基本技能训练的重视程度
在使用计算机进行虚拟实验的过程中, 学生可能会由于把注意力集中于计算机操作上, 淡化了对基本技能训练, 妨碍利用现成的简单设备进行探索和实验的欲望和习惯养成。
(2) 难于获得对真实仪器的客观实际感受和由此给基本技能训练带来的影响
无疑, 即使再逼真, 计算机的真也不是现实生活中的真。所以计计算机模拟实验的天然弱点就是难于使学生获得对真实仪器装置的客观实际感受。
(3) 减少学生应对突发事件的机会
在实验中遇到仪器方面故障、突发问题及由于某些条件不能满足或一些条件的改变, 会使学生遭遇问题, 增加克服困难的训练机会, 提高学生解决实际问题的能力。而计算机模拟实验的条件相对理想, 减少了学生应对突发事件、排除故障及对实验仪器的常规检修的机会, 又由于“仪器”相对比较精确, 也使学生无法通过实验数据处理, 误差分析这一训练, 体验、分析来源于仪器和操作者等产生误差的主要原因, 减少了对整个实程的反思及寻找可用的经验和过失机会[5]。
四、解决虚拟实验不足的措施
在利用计算机进行虚拟实验进行教学时, 要注意真实与虚拟学习之间的知识和技能迁移关系从真实到虚拟, 指导学生把所掌握的规则、原理等知识应用到虚拟实验中, 减少学生的错误操作。从虚拟到真实, 通过虚拟实验的训练来提高学生对规则、原理的理解, 引导学生将虚拟实验中所学到的知识应用到实际操作中。从而使得虚实两者优势互补, 共同促进实验教学的发展。
由于虚拟实验加入了教学的环节, 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2、3所示:
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。虚拟实验可分4个阶段予以实施。
第一阶段, 采用牵着走教学模式。主要目的是让学生学习和掌握基本实验原理、基本实验技能、常用仪器使用及数据测量与处理等方法。在此阶段, 教师对实验原理、实验方法及常用仪器的使用等知识进行较系统详细的讲解;在学生独立实验过程中, 教师也应给予学生较多的指导。
第二阶段, 采用领着走的教学模式。在此阶段主要培养学生的综合实验能力。在此阶段, 由于学生刚刚做完实物实验, 所以学生有了一定的实物实验基础和实验技能, 因此, 在虚拟实验预备知识教学中, 对实验原理、实验方法等知识只进行粗放式讲解;在学生独立实验过程中, 教师不直接回答问题, 只给学生启发和提示, 让学生通过实验去寻找答案, 以充分发挥学生的能动性, 培养学生的能力。
第三阶段, 采用放手走的教学模式。主要培养学生的创新能力。在此阶段, 学生有了较好的实物实验基础和虚拟实验的相关技能, 教师只给出实验任务和设计思路, 学生自己设计实验方案, 探索实验结果, 以激发学习兴趣, 培养创新能力;从成功与失败中得到科研训练[4]。
第四阶段, 撰写报告。设计报告包含方案设计与论证、理论计算、电路图及设计文件、测试方法与数据、结果分析等几个方面的内容。设计总结报告的专业性与工整性直接体现了学生的专业素质, 也是电子设计成果性的汇报材料, 是电子设计的重要一环。
第二种模式对于理工科的学生来说, 关于电子实物制作一般都已有所接触, 所以第二种教学模式他们能较好地接受。虚拟实验可分5个阶段予以实施。
第一阶段, 每堂课前给予学生课前研习导向, 提出文献资料查阅要求, 准备和设计实验的各项记录、图表、统计方法、结果的预测和相关理论。教师以讲座形式向学生介绍某一领域的研究动态及方向, 学生根据介绍, 自己查阅文献和进行实验设计, 由学生作开题报告讨论选择设计题目的意义、基本设计方案、预期的设计性能、所需元器件耗材等。最后, 教师可以对其选题进行评议, 确定选题的可行性, 并从选题的实用意义、设计思路等方面提出建议并最终确定一个比较科学和可行的研究方案进行实验测试和实验研究。
第二阶段, 在充分利用现有的计算机资源的基础上, 购买所需仪器模块和软件 (如Lab VIEW) , 由教师编写程序, 以实现现有仪器设备的模拟, 这样有效增加了实验设备的数量, 从根本上改善学生实验条件, 保证实验教学质量。
第三阶段, 学生在已建立的虚拟实验环境中完成教师规定的基本电子实验, 掌握用虚拟仪器代替传统仪器来进行数据处理, 来观察和分析实验结果等等。
第四阶段, 增加综合性实验项目, 并鼓励学生选做设计型实验。学生可以充分利用计算机软件对数据采集、储存、分析、处理、传输及控制的强大功能, 在同一台PC机上虚拟出数10台仪器, 如信号发生器、数字存储示波器、频谱及信号分析仪、数字电压表和噪声测试仪等.把这些虚拟仪器应用到实验教学中去, 以取代常规仪器.学生还可根据实验要求, 自行设计各种软面板, 定义仪器的功能, 并以各种形式表达输出检测结果, 进行实时分析。要求学生自己选题, 拟订方案, 编写程序, 设计虚拟仪器检测系统[5]。
第五阶段, 组织科研小组, 在原有的仪器模块上进行二次开发, 拓宽其应用范围, 培养学生的创新和科研能力。在此阶段, 一方面设计和构建新的虚拟仪器, 另一方面全面带动高校的教学质量、激发学生的科研兴趣。并将实验结果以撰写论文的形式给出报告。
五、结束语
随着虚拟仪器技术的发展, 以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善。加上计算机技术和网络技术的迅猛发展, 虚拟实验将成为学校未来教学科研的重要方法和手段, 特别是在理工科学校其应用前景非常广阔。对于远程教育而言, 构建在在互联网上的虚拟实验室已经逐渐成为实验教学的主流。
摘要：本文介绍了虚拟实验的概念及其理论基础, 指出了虚拟实验的优点和不足, 并提出了虚拟实验教学改进的两种模式, 为促进学生创新能力培养提供了新的途径。
关键词：虚拟实验,虚拟实验理论,虚拟实验教学
参考文献
[1]朱敏.虚拟实验与教学应用研究[D].华东师范大学, 2006
[2]林建强.虚拟现实技术在大学物理研究性实验教学中的应用研究[D].广西师范大学, 2005.
[3]熊忠.计算机模拟实验在物理教学中的应用研究[D].首都师范大学, 2007
[4]陈国杰, 谢嘉宁, 黄义清, 等.改革大学物理实验教学构建三级双循环教学模式[J].实验室研究与探索2007.26 (8) :86-97
培养化学实验技能的虚拟实验设计 篇9
化学是一门以实验为基础的科学, 从新元素的发现, 新化合物的合成, 到化学反应规律的研究, 各种假设、理论的证实都离不开化学实验;同时, 实验亦是自然科学研究问题的最重要最基本的方法之一。然而, 在“化学以实验为基础”的教学观已普遍为大家所接受的同时, 人们对“以实验为基础”及“化学实验技能的形成”的理解还没有完全上升到理性的高度, 实验教学仍是中学化学教学中最薄弱的环节。在化学实验中引进计算机仿真技术, 设计出的虚拟化学实验室, 在增强学生感性认识、培养学生动手能力、提高实验效率、避免人身伤害和节约费用等方面有着传统手段不可比拟的优势, 对学生实验技能的培养和造就创造性人才, 有着十分重要的意义。
一、虚拟实验概述
虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境, 实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目, 所取得的实验效果等于甚至优于在真实环境中所取得的效果。[1]
虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想象性等特征, 在实验教学方面有以下优点:[2]
1. 吸引学生参与实验, 调动学生学习化学的积极性
在虚拟实验室里, 学生可以按自己的想法做任何化学实验, 通过自己的参与来认识化学现象, 了解物质的属性, 以获得对课本知识的感性认识, 由此, 化学不再是枯燥的只强调死记硬背的学科, 学生通过做实验在实践中学习新知识、复习旧知识, 有利于培养学生对化学的学习兴趣, 调动他们学习化学的积极性。
2. 有利于避免真实实验带来的各种危险
由于化学自身的学科特性, 相当一部分实验有一定的危险性, 在虚拟实验室中这些实验仍旧可以通过虚拟操作进行。虚拟的化学实验可以避免腐蚀性物品带来的危险, 也可以避免化学反应引发的燃烧、爆炸等现象对人身或实验室造成损失。
3. 打破现实实验所受的时空限制
传统的实验室由于受时间和空间的限制, 一部分教学内容无法以生动的形象呈现给学生。而在虚拟实验室中, 虚拟现实技术可以打破这种限制。例如:要认识化学分子的结构, 学生可以进入到化学分子的内部, 分析各种物品分子结构有何不同。有些化学反应需要较长时间才能观察出结果, 在传统实验室中这种实验结果不容易得到, 而在虚拟实验室可以在很短的时间内由学生自主发现。
4. 避免材料磨损
学生在虚拟实验室中通过操作虚拟仪器以及虚拟物品来观察、参与化学实验, 不会耗费现实实验材料。另外, 虚拟实验室不会出现任何磨损、破坏, 可反复使用。学生可多次进入虚拟实验室练习实验以训练其实验操作技能。既满足了教学需求, 又提高了教学效益, 同时减少实验损耗。
5. 可有效地提高学生的动手能力
虚拟实验允许学生按自己的设想动手, 参与或从事实验研究, 允许学生失败、允许犯错误, 允许仪器设备“损坏”或“灾难性事故”的发生并通过正、反两方面增加和培养学生的想象力和创造力。
二、传统化学实验教学模式
化学实验教学模式是在一定的教学思想指导下, 围绕着教学活动中某一主题而形成的相对稳定的、系统化的、理论化的方案, 是教学理论和教学实践活动的桥梁和中介, 也是一种化学实验教学范型。[3]图1所示为传统的化学实验教学模式。
传统实验教学的不足在于:
(1) 实验环节多是以教师为主, 学生按部就班, 处于被动学习的地位, 即“填鸭式”的教学, 往往是教师讲、学生做, 以得到数据或观察实验结果为目的。
(2) 不能调动学生学习化学的积极性和主动性, 不利于学生创造性思维能力的培养。
(3) 正是因为以得到数据或观察实验结果为目的, 忽略了对学生实验技能的培养, 不利于学生形成较强的动手能力, 也难以使学生形成科学探究的学习习惯。
三、虚拟化学实验教学模式
利用虚拟实验进行化学实验教学时, 要以培养学生实验技能为目的, 就必须注意学生的认知规律, 即认知阶段、联系形成阶段和自动化阶段。[5]一些学者提出了化学实验操作技能的培养策略:教师启发讲授、教师示范、有指导的学生实验、学生独立实验等。[6]
因此, 利用虚拟实验室进行教学包含如下过程:用虚拟实验给学生演示示范实验操作及实验过程, 待学生基本理解实验内容时, 给学生一定的交互进行适当的模仿操作, 在进入学生技能学习的联系阶段时, 让学生进入实物实验阶段, 将原来在虚拟实验环境中学习到的化学知识以及一长串分开的实验操作向现实实验操作迁移转化。随着实物实验的多次练习, 学生的实验动作由最初的呆板到协调、灵活, 并逐步将学习到的化学知识内化到自身知识结构中, 并进入到实验技能形成的自动化阶段。
根据学生实验技能的形成过程, 提出如图2所示的实验教学模式。
图2中的模式是先做虚拟实验, 虚拟实验又分为操作示范和分步操作两个阶段, 让学生在初步了解所需掌握实验技能的情况下再进行模仿操作, 并将需要掌握的实验技能尽可能地细化、分解动作, 以加深学生对技能的理解、提高学生学习技能的效率。在学生逐步了解该化学实验并对所需掌握的技能有了一定的内化认识之后再加入实物实验, 以促进学生头脑中对所要学习的技能的认识向现实中的实验技能迁移。多次进行实物操作实验直至学生掌握实验技能。
最后, 在应用计算机虚拟技术进行实验教学的过程中, 在肯定虚拟技术在实验教学方面有效性的同时还要处理好虚拟实验与传统实验的关系。明确虚拟实验是传统实验方法的辅助和深化, 并不能完全代替传统的实际实验, 要将虚拟实验与传统实验有机结合起来, 提高学生的动手能力、培养学生的实验技能并促进学生形成科学探索精神。
四、培养实验技能的虚拟实验设计模型
培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术来实现。因此, 可利用教学设计的一些理论和方法指导虚拟实验的设计。
图3是乌美娜于1994年归纳出的教学设计过程的一般模型。[7]
分析教学设计模型, 包含的基本要素有四个:学习者分析、教学目标、教学策略 (如何进行教学) 、教学评价。因此, 在设计培养中学生实验技能的虚拟实验时可从前期分析 (学习者分析、教学目标、教学内容分析等) , 场景设计, 总结与评价三个方面入手。而虚拟实验的实现还要有虚拟现实技术的支持。这是在设计以培养中学生实验技能为目的的虚拟实验时应该考虑的四个方面。
培养中学生实验技能的虚拟实验教学过程是基于一般的实验教学活动过程、对实验内容进行教学设计并通过虚拟现实技术实现的, 因此, 借鉴教学设计模型并根据技能形成的教学理论, 笔者提出了培养中学生实验技能的虚拟实验设计模型 (如图4所示) 。
1. 前期分析
以实验技能的培养为导向的虚拟实验是基于一般的实验教学活动过程, 设计时也应遵循虚拟实验设计的科学性原则, 首先, 需要了解要设计的化学实验的实验目标、实验内容、实验步骤等。根据实验目标才能确定该虚拟实验所要传授的是什么样的化学知识、意在培养学生的哪种实验技能 (如使用某种仪器的技能、药品取用的技能等等) 。根据教学设计理论应先了解学生已有的化学知识结构以及学生已掌握的实验中包含的技能, 尽可能避免在开发过程中浪费物力、人力。
2. 场景设计
根据化学实验技能的培养策略将场景分为自动演示、实验说明、分步操作三个部分。自动演示用于向学生演示整个化学实验的过程以及发生的实验现象;实验说明用于向学生说明该实验的步骤和化学反应方程式;这两个部分起到教师示范的作用, 对应于学生学习化学实验操作技能的认知期心理特征。分步操作部分根据化学实验的具体步骤以及该实验的实验目标再确定虚拟实验中要实现的虚拟实验操作, 并赋予合适的实验效果。
3. 技术实现
技术实现即用虚拟现实技术开发虚拟实验, 由于虚拟现实硬件设备过于昂贵, 在化学实验教学中应用的虚拟现实形式大多是桌面虚拟现实。整个开发过程主要包括实物建模、添加交互、作品发布三个步骤。实物建模主要是对虚拟实验中所涉及到的实验物品、实验环境模拟, 根据实验成本以及实验目标所占比重可选择适合的虚拟技术或建模软件, 也就是虚拟实验设计的适宜化原则。添加交互是在虚拟场景中给物品与物品之间及用户操作达到某种效果添加交互以给学生一定的反馈, 并保证反馈的科学性。作品发布包括单机发布以及发布到互联网上两种, 发布到互联网上更能突破时间、空间的束缚, 使更多的人能使用该虚拟实验。
4. 修改与评价
根据前三个阶段所做的工作或请教化学教师检验开发出的虚拟实验是否设计合理、科学, 并做出适当修改, 根据学生的基本能力 (化学概念的掌握、所授化学知识是否理解) 掌握程度, 在学生进行实际实验操作后检验其在虚拟实验中所学是否迁移到现实实验中, 以评价该虚拟实验在培养中学生实验技能方面是否有效。
从图4中我们也可看出, 这四个组成部分是缺一不可的, 前期分析是进行培养实验技能的虚拟实验设计的基础, 只有做了前期分析才能进行下面的工作, 而场景设计又是技术实现的基础, 正是基于这三个步骤才能对开发出的虚拟实验进行修改与评价, 以保证其科学性和有效性。
五、总结
虚拟实验不仅能避免真实化学实验所带来的各种危险, 还能打破时空限制实时实地地给学生提供实验条件, 同时, 还能调动学生学习的积极主动性, 有效提高学生动手能力。本文结合操作技能培养教学理论, 参考传统化学实验教学模式, 提出虚拟实验教学模式, 并提出以培养实验技能为导向的虚拟化学实验设计开发模型, 在未来研究中有待进一步实践, 并对实验效果与传统实验教学进行比较, 以验证该设计理论的科学性并加以推广。
参考文献
[1]单美贤, 李艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京:教育科学出版社, 2005:23-24.
[2]瞿.网上虚拟实验的研究与教学[J].开放教育研究, 2004, (4) :6264.
[3]熊言林.化学实验教学论[M].合肥:安徽大学出版社, 2004:32-34.
[4]张靖方.虚拟技术及其在实验教学中的应用[J].吉林工程师范学院学报 (工程技术版) , 2004, (6) :44-46.
[5]邵瑞珍等.学与教的心理学[M].上海:华东师范大学出版社, 1990:10.
[6]麻昌爱.中学化学实验操作技能学习策略初探[J].中学化学教学参考, 2001, (4) :32-33.
虚拟实验设备 篇10
1. 传统基础实验室的现状。基础实验室作为众多课程的授课场所, 使用频率过高及学生专业水平有所差距导致经常对计算机的软硬件进行误操作等等, 这些因素都大大的降低了设备的使用寿命及管理人员的维护工作量。
2. 虚拟基础实验室的优势。虚拟基础实验室在构建成本及维护成本上都极大的提升了整个资源环境的最大化, 做到低投入, 高利用率。虚拟基础实验室不受时间和空间的限制, 可以使实验室的使用更加灵活及多样性, 适合开展远程教学与实验等应用, 实现信息化的教学。
二、虚拟桌面技术的概念解读
2.1 云平台虚拟桌面技术概念。虚拟化技术通过对设备兼容性和差异性的应用透明, 并将巨大的物理资源进行优化整合, 实现了底层资源与上层应用的统一, 便于访问和管理。在虚拟化技术中, 各服务与应用保留在独自的虚拟机上, 这样就形成了有效的隔离, 在应用发生崩溃时, 不会相互影响到其他服务和应用的运行。另一方面, 虚拟化技术能够随时进行数据资源的集中和调度, 防止了服务和应用因缺乏资源而性能下降的可能性, 有效利用了空间空闲状态避免了资源浪费。虚拟桌面技术是指终端系统计算机的虚拟化进行, 以求达到桌面灵活性和安全性的协调。一旦虚拟化完成, 用户就可以经由网络和设备打破个人桌面系统访问的时间和空间限制。虚拟桌面技术较依赖于虚拟服务器, 一般在服务器的数据中心进行虚拟操作, 并生成大量桌面系统传送给设备终端, 用户端只需要利用以太网登陆主机中, 便可实现计算机的一机多用户。
2.2 云平台桌面虚拟技术的应用优势。利用信息技术可以有效的推动虚拟实验室实现最大化的资源利用, 而云平台桌面虚拟技术的本质就是对资源的多元共享, 其本身有着如下的应用优势。第一, 能够有效的集中和升级硬件资源, 并能实现多个桌面同时运行的环境, 提升了资源的利用率。第二, 在网络中只会传输鼠标、键盘信号及屏幕远程图片, 不会传输机密数据。并能将所有数据存储于后台, 将资源置于安全防护墙内, 通过软件的加密保证云桌面到设备的安全通道。第三, 能够对终端的用户权限集中进行控制。第四, 安装配置和应用软件的集中化能够灵活支持操作系统和终端设备, 并能满足客户端的版本特殊要求, 从而减少了对系统支持和管理的成本。第五, 超大容量的虚拟云存储空间, 大大提升了资源容配量。第六, 管理性较强, 数据中心能够信息化管理, 便于进行终端的维护, 同时能有效的监控用户操作。第七, 随时随地都能接入Internet, 访问非常方便。
通常而言, 云平台虚拟技术在实验室中的应用, 有着四个方面的意义。首先, 解决了不同的实验室关于重复安装的需要更新的跨VLAN的问;解决了网络断开后, 本地系统的镜像无法正常使用的问题;通过对特殊软件的需求针对, 能够挂载任意系统镜像。最后对保护卡的模式进行了简化, 确保了系统更新的正常工作。
三、云平台技术构建虚拟基础实验室整体架构及创建流程
3.1 构建虚拟基础实验室整体架构。针对目前高校基础实验中心教学运行与物理设备的特点, 采取肥瘦式客户端的虚拟桌面设计方案。具体拓扑图如下:
3.2虚拟基础实验室的运行流程与整体架构
3.2.1 整体架构下的虚拟实验室。B/S结构形式能使大量用户解除地域差异的约束, 是服务器进行用户端通信的主要形式, 它的优点是简化业务开发, 简便内容更新, 范围分步较广, 同时还能为以后的部署分布提供帮助。在客户端中, 其主要涉及页面前台的设计, 用作虚拟机的操作和管理, 因此在设计时相对简单。客户端的开发建立于NET, 可以将虚拟实验室的架构分为三层。第一是应用层的虚拟化, 包括以用户端中的虚拟机与ASP网络页面的打开、创建、销毁、关闭等对象为针对, 也囊括了虚拟机网页使用的显现情况。二是具备调度系统和虚拟机池的服务器, 调度系统及虚拟机池都以C语言编制, 能有效加快虚拟机启动的速度。三是以Windows Server2008 R2 组成服务器运行集群, 因为Hyper-v软件的配置, 服务器为用户供给虚拟机, 形成了虚拟服务器。
3.2.2 虚拟机在虚拟实验室中的创建流程。在创建远程虚拟机的实际操作中, 把虚拟机的毁坏、关闭、打开的过程当作均衡负载与虚拟机池的服务器系统运行。用户在开展实验前, 先由ASP网络页面进行虚拟机的选择, 包括CPU的磁盘配置、网络设施和核心数据等细节装置统一采用自主选择的模式。在用户需求传输到服务器时, 会第一时间将需求内容运送于负载跳读的服务系统中。服务器中的虚拟机池程序, 能够提前启动服务器, 可以在虚拟机创建中正确辨别存在NET主程序的虚拟机池, 在收到“返回”的信号时, 用户的提示请求已被允许, 可以独立进行下一步操作。在调度的负载系统中, CPU、IO、宽带、磁盘容量以及内存等因素可以综合的得出虚拟机创建的服务器负载大小, 并将请求传输到IIS服务器中, 通过IIS软件的解析均衡配备到各相应服务中。
3.2.3 虚拟服务自动化操作步骤。服务器操作中打开、创建、毁坏、关闭等指令, 要以NET程序为对应。NET程序可以更好对其进行控制, 并经由WCF发布于服务器之中形成新的程序。同时, 要借助Wmi接口, 以编程方式搜寻系统中的管理信息。每个接口都对应相应的组件, Hyper-v的接口就是VMI, 能最好的实现虚拟机远程操作。Msvm_Computer System与Msvm_Virtual System Management Service是Hyper-v Wmi Provider的最上层结构, 也是虚拟服务自动化操作的重点。在术语中, Msvm Computerservice涵盖了虚拟机中的装置信息, 泛指虚拟事例, 作用在于调节虚拟机状态。通过Msvm_Virtual System Management Service可以对虚拟机的配置、修改、创建等问题进行完善。Hyper-v Wmiprovider代表虚拟机在分配时的硬板、内存等设备。通过对其过程的分类, 又可大致分为三个步骤, 配置硬件、虚拟网络以及虚拟磁盘。第一步是新建Msvm Computersystem, 得到虚拟机的事例, 第二步是关于组件Msvm_Virtual System Management Service的关联对象, 在Msvm_Virtual System Management Service中的应用。第三步是根据用户的数据来源, 对虚拟机进行有效的网络、磁盘配置和装置配置。另外一种操作过程是销毁虚拟机的过程, 主要指对虚拟机的资源设备进行禁令解除, 再利用Msvm_Computer System—Request State Change清除虚拟机有关流程并关闭程序。在针对性的采取操作措施时, 要先判断虚拟机状态, 充分考虑虚拟机的稳定因素和启动速度, 全面综合的设计虚拟机启动措施。
本文以虚拟化技术为基础, Windows Server 2008 R2 为辅助工具, 并针对云平台虚拟桌面技术在实验室建造环境中的不足和问题进行分析, 提出了合理的设计方案, 实现了与虚拟机的有机结合。通过这种方法, 可以减少实验过程中的精力消耗, 节约资源空间, 提高了系统的综合运用性能。
参考文献
[1]毋妙丽.基于云桌面技术的实验室资源共享平台建设[J].实验室研究与探索, 2014, 12:290-294.
[2]李贺华.基于云计算机系统的实训平台研究与实现[J].实验技术与管理, 2015, 03:157-160+202.
虚拟实验设备 篇11
信息技术能以超文本和超媒体的非线性方式组织信息，为物理教学信息的呈现提供极好的展示平台，以生动活泼的教学内容、丰富多彩的课堂演示、扣人心弦的跌宕悬念，营造了良好的教与学氛围，让学生最大限度地活跃起来，在愉悦的情景下，以信息技术作为学生的工具积极主动地参与学习，以丰富的想象、牢固的记忆和灵活的思维获得学习的成功，使课堂教学结构发生质的变化，提高教与学的有效性。
在凸透镜实验中，虽然学生能在实验中得出结论，但学生都有对未知求索的欲望，都想知道为什么会成放大或缩小的像、实像或虚像，在学生做完实验后，在通过一节来总结，用计算机模拟出光线通过凸透镜后的折射情况，通过学生实验和计算机的模拟加深了学生对凸透镜成像规律的理解。
虚拟实验对本学科来说只能作为一种辅助手段加以运用，因为它毕竟是制作的课件，而课件容易在学生头脑中产生“假”的想法，只是有时用实验无法或很难看清楚的物理现象，利用课件的方式，通过放慢其变化过程，利用屏幕重现其物理现象，从而使学生看清楚其间的变化，起到补充和强化物理实验的效果。所以两者之间各有优缺点：
1.虚拟实验课堂容量大，能极大地提高课堂教学效率，但不能真正体现物理现象的真实性，即课件的结论不能使人信服；而物理实验，现象直观、结论真实，实验所获得的数据很有说服力，但课堂演示实验花时较多。
2.虚拟实验课件制作花费时间较长。从这一点来看，不可能每节课都使用，大多数只是在开设公开课、优质课时才使用。而且从实际情况来看，不可能每个学校特别是农村学校或落后地区都具备这种设备。相对来说，实验教学在我们农村学校还是唱主角。
3.课堂教学并不是一种死板的、教条式的教学，它应根据教学中的主体——学生来组织教学，随时调整和改革课堂教学方式，做到课堂教学灵活多样，尽可能地调动学生的学习兴趣，努力激发学生的学习潜能。而要达到这些，用虚拟实验较难满足，原因是课件是教师在上课前就已经制作好的，课件中所设置的问题也仅仅是教师的“一面之词”，而实际情况往往与教师的“假设”相差甚多，特别是虚拟实验是不会出任何“差错”的实验，这样一般不容易使学生的思维得到发展，更不必说使学生的创新意识和创造才能得到培养。但物理实验特别是学生实验完全可以弥补课件的缺陷，学生在实验中或教师在做演示实验时可能会遇到“意想不到”的问题，而这往往能激活课堂气氛，从而使课堂教学处于“新”、 “奇”之中，学生从中也能感受到学习物理的乐趣，这对培养学生的优良思维品质和创新能力大有帮助。
4.演示实验要求教师动手能力强，反映教师的基本素质；而虚拟实验反映教师掌握先进教育设备的本领。从教育的发展趋势来看，这两方面是教师必须具备的基本功。
在物理教学中，为了更好地培养学生的形象思维，让学生观察物理现象是必须的；而物理学是一门以实验为基础的学科，许多重要的物理定律都是在实验的基础上总结出来的。让学生通过实验得到物理规律，不仅能够使学生对物理知识、概念和规律获得具体的、明确的认识，而且还能培养学生的观察能力和动手能力。如果用课件模拟物理实验，学生在观看动画的过程中仅仅学习了知识的表象，缺乏真正的感知活动。没有真实感，缺乏可信性。例如，在熔化和凝固的实验中，由于学校条件和实验难度的限制，有的时候不会让学生动手实验，而是通过课件演示，这样得出的晶体和非晶体的熔化曲线和温度变化规律，由于没有让学生参与而缺乏可信度。同时，在教学过程中，也应通过各种手段重视物理现象，其目的是找到物理变化的内在规律，这就需要把物理变化中某一瞬间或某一位置的状态加以观察，认清它的特点，使学生对于物理现象的认识既有整体变化的过程，又有整体变化过程中每一阶段的具体状态，以利于较确切地把握整个物理过程，而这可通过课件来实现，所以物理实验教学和虚拟实验的使用是相辅相成的。
虚拟实验设备 篇12
本文通过实例来说明几种典型实现教学方面虚拟实验的技术,并对每种技术的优缺点以及适用性做出分析和说明。
1 Java技术实现虚拟实验
虚拟实验辅助教学不是传统的意义上的把实验项目制作成图文并貌的实验介绍,而是学生可以在电脑上进行交互式操作,实现了真正意义上的互动模拟,已达到良好的教学效果。
JAVA语言是强类型语言,JAVA的JSP和APPLET分别可以对数据、图象进行有效的处理从而解决FLASH和ASP无法解决的问题;再次,因为JAVA语言有很强的网络功能,尤其是Applet专用于嵌入WEB网页,并产生特殊的页面效果。JAVA Applet具有基本的绘画功能、动态页面效果、动画和声音的播放、交互功能的实现、窗口开发环境、网络交流能力的实现等特点。所以对于要求有大量的图象处理和操作交互,特别是复杂精确数据处理的这类实验,可以进行浮点运算和字符串的各种处理,对于有这种要求的实验,无疑应选JAVA。所以我们开发的静电场描绘实验主要采用JAVA Applet进行设计。下面是采用JAVA对大学物理实验———静电场描绘进行模拟,如图1所示。
以下是静电场描绘Java部分代码:
2 Flash技术实现虚拟实验
Flash有两大特点,即逼真的动画设计效果和强大的内置脚本程序ActionScript.Flash可以制作网页交互动画,它具有基于矢量的绘图功能,也可以灵活控制,管理对象,还提供ActionScript脚本语言。Flash还具有支持交互、数据量小、效果好、不需要媒体播放器软件之类等特性。将制作的课件和虚拟仪器,仿真实验置于网页上,学生可以不受时空的限制,随时上网进行实验预习和复习,也可以作为远程实验教学或选修实验。以下是利用Flash实现光电效应的实例,图2为仪器外观。
3 其他虚拟实验实现技术
3.1 VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language———虚拟现实建模语言)是一种用于建设虚拟三维世界的场景建模语言,具有平台无关性,是目前Internet上基于WWW的三维互动场景制作的主流语言。用VRML制作虚拟设备有以下特点:具有3D动画、音效、传感器触发、事件输入输出、行为控制、支持多种脚本与多重使用者等功能,能在Web上实现动态页面,具有加强的交互功能。
3.2 3DMAX
用VRML建立复杂的三维模型是相当繁难的,而3D Studio Max因其强大的三维建模功能恰好可弥补VRML这方面的不足,并且VRML具有与3D Studio Max模型的无缝接口。因此在虚拟实验系统的场景和仪器设备制作时,一般是先利用3DMAX制作出复杂逼真的场景,然后利用VRML语言进行位置、动作、空间背景、视点、传感效果等设置,使虚拟实验教学系统既具有逼真的漫游效果,又具有可交互可操作的特点。
4 总结
通过以上几种常用实现虚拟实验技术的比较,我们可以看出JAVA技术具有较强的数据处理能力,也便于实现web访问;Flash技术的优点之一在于仪器界面控制和外观设计,此外,Flash对还具有体积小,网络传输速度快,嵌入web更容易等很多优点;VRML便于构建虚拟环境,3DMAX能容易构造成逼真的实验仪器和场景。总之,每种技术都有自己的优点和不足,我们应该根据具体实验项目的的特点选用合适的技术,才能制作出优秀的虚拟实验。
参考文献
[1]邱进冬.基于Web的虚拟现实的开发与应用[J].计算机应用研究,2003(3):92-95.
[2]梁宇涛.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2006(3):81-85.