计算机硬件虚拟仿真实验平台的建设与设计

　　摘 要: 虚拟仿真实验平台是虚拟现实技术、多媒体技术与互联网相互融合的体现，是教育向互联网的扩展。从计算机硬件实验课程应用的角度出发，提出创建虚拟仿真实验平台的网络架构。重点探讨了在“互联网 + ”环境中对计算机硬件课程进行虚拟仿真实验教学的建设和设计，研究了建设“互联网 + ”背景下的计算机硬件虚拟仿真实验平台的各项技术，为实验教学的多样化和移动实验课堂建设提供了一定的研究价值。

　　关键词: 互联网 + ; 实验平台; 虚拟仿真; 交互式

　　0 引 言

　　“互联网 + ”已经深入到各个行业[1]。在此计划的影响下，教育行业中原来采用的传统教学模式，必定受到互联网浪潮的冲击而发生实质上的改变。实验教学作为培养创新、创业人才的重要环节，实验课程在学生的创新和创业学习中起到了极其重要的作用，特别对于那些实践能力要求高的理工类学科，实验教学对学生综合素质的提高起到了很好的作用，实验教学在高等学校的综合素质改革中有着极其重要的地位[2]。远程虚拟实验仿真教学平台是一个基于互联网的实验教学平台，它将计算机技术、网络技术和虚拟仿真等技术有机的融合一体。为实验教学提供了实验教学环境、实验设备和信息资源等各项虚拟仿真服务。构建远程虚拟仿真实验平台打破了实验设备数量以及实验环境、实验课时数等条件的限制，使实验者可以不受时间空间的限制进行虚拟仿真实验平台的访问和操作，从而大大提高实验教学的伸缩性和扩展性[3-6]。

　　虚拟仿真实验平台作为可以从互联网进行访问及控制的计算机仿真实验系统。远程虚拟仿真实验用户通过互联网对在本地软件平台上的各个虚拟仿真实验项目进行检测、验证和操作。用户通过终端设备就可以进行虚拟仿真实验平台的访问和各项实验项目的操作，同时还可以检测和观察实验操作过程及获得实验数据等。虚拟仿真实验平台就是由“虚 拟 仿 真 前端———虚拟仿真硬件设备实体———虚拟仿真实验场景”等组成的网络虚拟仿真实验教学模式[7-9]。它将实验教学进行仿真化增加了实验操作的互动性和逼真性，提高了实验教学的效率。它是将互联网和虚拟仿真技术有机融入到实验教学中，为今后将实验教学从课堂教学扩展到移动教学提供一个全新的发展方向和教学方式[10]。

　　1 虚拟仿真实验平台的结构设计

　　1. 1 虚拟仿真实验平台的构成

　　一个优良的虚拟仿真实验平台的构建，必须将虚拟仿真实验平台的构成部分进行组件化操作，将平台分成具有数据的发送和接收功能的各个组件，一个虚拟仿真平台包括信号显示、信号处理、数据存取等几种组件，再将这些分布在不同区域的组件通过计算机网络构成远程虚拟仿真实验平台。在远程虚拟仿真实验平台的网络构建上主要采用的是客户端/服务器/数据库/应 用 程 序 ( Browser/Server/Database /Application， BSDA) 网络架构，远程客户浏览器端、WEB 服务器端、应用服务器端及实验仪器设备端 4 个组件通过计算机网络构成了远程虚拟仿真实验平台[7]。在这些组件中，数据库系统是平台的中心，承担了各项实验数据的存储和管理工作，包括实验用户账户的生成、实验交互动态网页的生成以及实验数据等工作; 应用服务器承担了实验设备及仪器的控制和管理及实验数据的采集和分析处理工作; WEB 服务器作为虚拟仿真实验平台的对外信息发布窗口，承担了用户登录认证管理、开放式交互实验环境生成以及实验教学的动态网页等页面的生成和发布工作[11]，这些组件服务即相互独立又互相协作。图 1 所示为是一个标准的远程虚拟仿真实验平台结构模型。图 1 远程虚拟仿真实验平台结构模型

　　1. 2 远程虚拟仿真实验平台的组成

　　远程虚拟仿真实验平台具有一定的复杂特性，为了很好地解决其复杂特性，同时也为了适应信息技术发展的需要，采用模块化进行远程虚拟仿真实验平台的功能设计，为此，必须将虚拟仿真实验平台系统进行分层处理，将各个层次模块单独进行设计和建设，从而达到降低系统复杂程度的需求。在系统设计时上按照先底层再高层设计的思路，即先设计和验证下层的程序模块，然后再设计和验证上层的程序模块，模块与模块之间即相互独立又互相依赖。交互式用户操作界面、系统用户管理、虚拟实验模拟仿真和数据库管理等模块共同组成了远程虚拟仿真实验平台。其中虚拟实验模拟仿真模块是系统的核心模块，虚拟实验模拟仿真模块主要完成各种类型实验的仿真教学和虚拟操作，同时利用虚拟仿真实验平台具有的信息发布功能，直接将虚拟实验网页通过 Web 服务器端进行网页动态的生成和发布，实验学习者通过互联网即可访问虚拟仿真实验平台中的虚拟实验教学内容，并进行实验的仿真操作和实验学习。

　　2 计算机硬件虚拟仿真实验平台的设计

　　2. 1 计算机硬件实验课程的特点

　　随着信息技术的广泛应用，计算机已成为人们日程工作和生活中不可或缺的信息处理设备，在金融、教育、商业、科研和工业等各个行业中计算机已经得到普遍的应用，成为信息采集和加工的重要工具。为了更好的将计算机应用于人们的日常生活和工作中，必须了解计算机硬件设备的组成和结构。为此，大部分高等学校都开设了计算机硬件及维护课程这门课程。计算机硬件及维护课程具有极强的专业性和实践性，除了要求学生很好的掌握各种计算机机元器件的参数和计算机的理论知识外，更重要的是将这些理论知识很好的运用到实际的计算机维护和安装过程中。可见，实践和实验环节在计算机硬件与维护课程中具有十分重要的地位，只有重视实验教学，才可以以提高学生对计算机各个元器件及各类故障的了解和解决[12]。

　　计算机硬件组装实验和计算机维护实验作为计算机硬件与维护程课程中的主要实验教学环节，计算机硬件组装实验，包含理论知识和实际操作过程，在该实验项目中，实验学习者需将计算机硬件理论知识和实践知识融合起来，进行综合运用。计算机硬件组装实验项目涉及到大量的设备和元器件，而且这些设备及元器件型号及厂家各异，结构复杂及更新换代极快。只注意理论上的讲解和学习无法掌握计算机硬件的内涵及发展趋势。同时这些设备及元器件数量庞大，价格和费用较高，很多学校无法承受价格和数量的压力，势必影响实验教学的开设和进行。为此在计算机硬件实验教学中采用虚拟仿真实验教学的方式，以提高整个课程的教学手段和学习成效。

　　2. 2 开发虚拟仿真实验平台的软件工具

　　虚拟仿真实验平台的核心是将实验操作和验证过程虚拟的展示出来。构建虚拟仿真实验平台的最佳工具就是虚拟现实建模语言( Virtual Recility Modeling Language，VRML) ，VRML 具有交互及编程、3 维造型和实时渲染图形描述等功能，这些功能让它和 Java 语言、HTML 及多媒体信息等技术可以很好的融合一体，采用 VRML 语言可以很好地创建一个具有交互式的远程虚拟仿真实验平台，同时还让参与者具有身临其境的感觉。VRML 语言是一种虚拟现实建模语言，它是一种具有 3 维建模的功能的面向对象的解释性语言，具有的跨平台的特性，使其成为互联网上制作 3 维互动网站的主流工具。

　　虚拟仿真实验平台中的重要环节就是交互模式， VRML 语言的 3 维模型构建和交互方式特性很好的支持了这个重要环节。节点是 VRML 语言中构建虚拟环境的要素，VRML 语言通过这些节点可以很好构建 3 维虚拟场景及交互式环境，再通过 VRML 语言中的路由模块进行信息的传输，就可以构造一些简单的虚拟仿真实验操作模型。在采用 VRML 语言进行虚拟仿真实验平台的创建过程中，可以采用 VRMLScript、 JavaScript 等脚本语言来实现实验操作者的目的与场景的交互模型; 在实现实验操作者与虚拟现实场景的人机交 互 功 能 及 外 部 访 问 功 能 时，VRML 提 供 了 VRML 封装的 JAVA 类或 EAI 等技术来实现。

　　2. 3 计算机硬件虚拟仿真实验平台交互模型的设计

　　VRML 语言的交互是通过一系列的传感器节点来实现的，在 VRML 语言中，可以通过能感器节点来实现交互模式，VRML 语言提供了多种传感器节点，在计算机硬件虚拟仿真实验平台中，采用了 Timesensor、 Planesensor 和 Cylindersensor 节点进行计算机各个零件和配件安装的虚拟仿真演示[13]。

　　3 计算机硬件虚拟仿真实验平台的网络设计

　　3. 1 计算机硬件虚拟仿真实验平台总体统计

　　在计算机硬件虚拟仿真实验平台设计中，要满足虚拟仿真实验平台的复杂性和专业性的特点，还要考虑到具有一定的扩展和升级能力。为此在计算机硬件及维护虚拟仿真实验平台的网络设计上采用了模块化分层设计方式，将虚拟仿真实验平台分解为多个层次的模块进行分别的设计。通过分层设计方式，将极大地降低了系统设计的复杂度，提高了平台开发的实效和进度。根据虚拟仿真实验平台各个模块功能的划分，一个高效的计算机硬件及维护虚拟仿真实验平台由用户登录、用户管理、虚拟实验仿真、数据库管理和虚拟实验室辅助系统等模块组成。

　　在计算机硬件虚拟仿真实验平台的网络设计中，采用了实验室虚拟仪器工程平台 LabVIEW 和微软公司的 MS SQL Server 数学库系统相结合的网络开发环境。LabVIEW 是一款图形化设计和编程功能的虚拟实验仪器开发平台，通过它内置的控件，可以方便地创建用户界面。在 LLabVIEW 中定义了前面板这个概念，就是为用户界面进行服务的，在虚拟仿真实验平台的开发中可以使用图标和连线及编程方式对用户的前面板上的对象进行控制。LabVIEW 的图形化源代码和流程图极其相似。通过这些流程图代码，LabVIEW 为虚拟仿真实验平台提供了一个轻松、便捷的开发环境，设计者利用这些代码无需进行大量、繁琐的编写程序代码工作，就可以轻松实现虚拟仿真实验平台的开发和设计。为此利用 labVIEW 工具可以很方便的设计计算机硬件虚拟仿真实验平台网络环境[14]。

　　3. 2 系统用户登录和认证模块的体现和设计

　　一个功能强大和完善的虚拟仿真实验平台应具备安全和稳定的用户认证体系，为实验教学系统中的各类资源和数据提供安全的防护和管理。学生实验凭借自己的用户名和密码进行登录虚拟实验室系统的操作，在通过用户和密码校验系统的验证后才能进行实验项目的操作和查看。它可以由 labVIEW 中的用户控件模块进行设置的。虚拟仿真实验平台通过 While 结构来对比用户的输入用户名和密码与数据库中的用户名和密码是否匹配。认证成功后则允许登录虚拟仿真实验平台。用户可单击“进入系统”开始进入虚拟仿真实验平台，并可以在计算硬件机虚拟仿真实验平台中完成各项实验仿真操作，实验数据查询和观看实验演示等任务。

　　4 结束语

　　计算机硬件虚拟仿真实验平台是将多媒体技术与虚拟现实技术相结合，通过互联网进行实验教学的一种创新思路，基于互联网的远程虚拟仿真实验平台突破了实验教学工作在空间和时间上的约束，丰富了实验教学的手段。，通过一个具有丰富信息的交互式界面平台来实时获取实验数据和实验现象，完成各项实验教学的辅助工作[15]。计算机硬件虚拟仿真实验平台的建设，为计算机硬件及维护课程的实验教学提供了一个全新的教学模式，为实现实验教学的移动化课堂提供了一个切实可行的建设方案。计算机硬件相关论文推荐：中职院校计算机硬件芯片检测及维修

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《计算机硬件虚拟仿真实验平台的建设与设计》

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