关键词：网络虚拟通信实验；虚拟现实技术；；ActiveX控件；实验模块
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)30-7427-04
Design and Realization of Network Virtual Communication Experiment System
REN Xue-wen
(Tianjin Modern Vocational Technology College, Tianjin 300350, China)
Abstract: The Network Virtual Communication Experiment System provided the teaching and experimenting environment for communication technique and network course. That included many experiment contents, standard operating procedures, friendly interface, used widely etc. the lasted network version is according to development terrace, put ActiveX control into the web page to implement experiment function .Made a great improvement in not only the system configuring, but also the analysis function, the operating interface .Make the function more completed, stable and safe, open. This paper analyzes application development frameworks、technique support andimplement Methods of the Network Virtual Communication Experiment System. The paper introduces the research and development process of frequency band transmission experiment module, which is a part of the whole system. This paper expounds a series of network frontier technology in designing process, the use timing of these key technologies and advantages.
Key words: network virtual communication experiment; technology of virtual reality; ; activeX control; experiment module
1 开发网络虚拟通信实验系统的背景
网络虚拟通信实验系统是在网络环境下构建一个虚拟实验室，利用软件模拟出具体的硬件，把物理设备环境编制到计算机中去，产生逼真的“虚拟通信硬件实验室” 环境，从而使得用户通过使用本系统观察到直观的实验效果。该系统所应用的虚拟现实技术也正是具有广阔应用前景的前沿科技。
本实验系统是针对目前许多校内实验室现有的有关通信方面的实验设备远远不能满足现代通信技术实验的需要而设计开发的，是供校内实验室进行通信实验（以前必须具备完善的硬件设施才可进行）的一套软件，因此，本系统具有一定的开发意义。
目标就是要真正适合目前计算机通信教学需要，模拟通信实验环境，充分发挥计算机的显示和数据处理功能，不但具体显示数据结果，而且可以显示图形及变化曲线。使实验者真正体会到计算机技术与网络通信二者结合的作用与魅力，感悟到通信技术在当今社会的作用。
方案决定在WINDOWS操作系统下，用VC++语言进行控件单元的设计开发。利用 为开发平台，通过在网页中嵌入ActiveX控件，实现了系统架构、分析功能、操作界面上的全面更新，并且具备稳定性、安全性、开放性的特点。实验者手动连接电路模块图，由实验系统进行实时的判断，利用算法在屏幕上动态地显示出根据输入的数字信号及电路模块图而产生的调制波形，再嵌入实验说明及相关知识文档，使实验者用软件完成实验过程并达到硬件的效果。这样就可以省去昂贵的设备而进行实验了。
2 网络虚拟通信实验系统概述
网络虚拟通信实验系统在网络环境下实现了计算机通信教学的基本实验功能模块。将微型计算机的智能化优势和网络交互特点相结合，打破传统的主要用硬件进行开发通信实验的观念。一方面：利用软件模拟硬件的办法，充分发挥计算机的显示和数据处理功能，在实验过程中突出显示图形及变化曲线，便于实验者观察分析，增加了实验的功能和灵活性。另一方面：融入网络技术，网上实现动态交互，资源共享，提供了更多的个性空间。该系统采用一体化结构，减少设备的冗余度，体现出了绝对的优势。
2.1 网络虚拟通信实验系统的特点
1）实验内容丰富，模块划分合理，基本能满足计算机通信的教学要求。
2）界面友好，不但可以显示数据，而且可以显示图形及变化曲线。
3）网上实现交互，具备详细的实验操作提示，文档资源共享。
4）配置简单，使用本实验系统不用购置诸如示波器、信号发生器、稳压电源、频谱分析仪、频率计等硬件实验设备。只须有一个通用的计算机实验室就可以完成实验过程。
5）使用面广，不但可以用于计算机专业，而且还适用于自动化、仪器仪表、电子与通信、机电一体化等专业。
2.2 网络虚拟通信实验的模块划分
网络虚拟通信实验系统主要包含8个实验模块，每个实验模块都含有若干实验单元。如图1所示。
2.3 网络虚拟通信实验系统的作用
网络虚拟通信实验系统的开发是对于虚拟现实技术和网络技术综合应用的进一步探索，完全模拟出以硬件完成通信实验的全部过程，组织规范，操作简便，且数据处理功能强大。从而达到大大降低实验经费的目的。
该系统实现了计算机通信实验的基本理念。用软件来模拟每个实验环节，实验结果都是根据一定的算法（或模型）求得，并动态直观显示出来的，而且各个部分的算法及模型都是把数、理、电结合起来的。基于网络环境的实验界面通过浏览器打开，用户的计算机只要和服务器相连就可以做实验了。
本实验系统功能强大、信息量大、图文并茂且具有人机友好界面，完全可应用于教学实验室，供学生进行实验。
3 网络虚拟通信实验系统总体设计
3.1 基本设计思想
由于用 MFC 所建立的代码是完全可移植的。用MFC模式制作ActiveX控件可以使独立实验模块的主体算法得以继承，编成思路不变，且易修改，大大降低了开发难度。
首先，单机版的虚拟通信实验模块应用程序过大能达到几十MB，设计制作成ActiveX控件后，多数只有几十KB，最大的不过150KB左右；其次，制作成控件后，方便移植，有利于重复利用；最后再强调一下，ActiveX控件可以轻松插入到WEB网页或其它应用程序中，因此该技术在现代软件开发和网站制作中是一种有效的方法，正成为Internet/Intranet编程领域的一种趋势。
鉴于以上所述，将单机版的实验模块应用程序在保留原有功能的前提下做成ActiveX控件再嵌入网页中是一个有效的实现方法，以此作为网络虚拟通信实验系统开发的理论基础。
3.2 系统的具体设计流程
经过大量调研和前期的理论分析，开始总体设计工作，规范的开发流程有助于开发人员高效有序的进行开发，也有利于整体的进一步升级。根据软件工程的相关理论，结合本系统的特点，采用基本开发过程和测试行为相结合的开发方法，明确测试与开发的并行关系，改进开发的效率和效果。
网络虚拟通信实验系统的总体设计将单机版的虚拟通信实验模块设计制作成ActiveX控件,并嵌入网页做成一个实验网站。网络虚拟通信实验系统开发的主要内容如下：数据编码控件、停止等待控件、滑动窗口控件、差错编码控件、差错控制控件、频分多路控件、时分多路控件、频带传输控件、RS-232接口控件、USB总线控件、BSC规程控件、HDLC规程控件、通信硬件控件、TCP/IP协议控件等。该系统的总体分布如图2所示。
4 频带传输及调制技术实验模块（ActiveX控件）的实现
4.1 实现的基本功能
1）用户自主选择实验类型并且可以随时在实验中切换。
2）用户可以动手组建实验模型图（动态建立实验模型组件图）。
3）可以判断用户构建的模型图是否合理。如果合理则允许进行信号调制和实现频带传输；不合理则给出改进意见，并要求重新设计模型图。
4）用户可以自由输入基带信号，系统根据用户设计的模型图对基带信号进行调制，并显示调制后的波形。
5）通过反复输入不同的实验数据，进行对比和校验。
6）用户可随时参阅帮助文档。
4.2 实验流程描述
本实验模块的实验流程图反映实验的基本操作过程，如图3所示。
其中数字幅度调制实验就是用数字基带信号去控制正弦载波的幅度，使载波信号的幅度随基带信号的变化而变化。实验流程如图4所示。
4.3 主题界面的设计
交互界面又称人机接口、用户界面，它是人和计算机进行信息交流的媒介载体。用户通过界面向计算机输入信息进行询问、操作和控制，计算机则通过界面向用户提供信息，供阅读、分析、判断；因此，界面设计必须在功能性、艺术性和交互性上达到高度的统一和协调。
该控件的主界面包括四部分：浮动的实验模块工具箱、系统模型组建平台、实验结果（波形）输出区、HTML格式的实验说明区，如图5所示。
在调幅系统、频移键控法和相移键控法三个实验中，都需要在系统模型组建平台区动态的组建模拟电路图，此实验操作平台以小蓝方格作背景，它会随着主界面的大小变化而重新绘制工作区域。
在主界面的右侧分别设置了“实验类型选择”、“模块图连接判断”、“调制模拟信号波形”、“实验类型切换”等八个按扭。分别完成各个相关对话框的调用工作。是根据实验的基本逻辑顺序设计的。
5 开发过程中使用的关键技术
5.1 浮动的实验模块工具箱（实验模块库）的设计
该实验模块工具箱的设计借助了Xtreme Toolkit类库。Xtreme Toolkit是一套MFC扩展类，用于开发应用程序界面。利用它，可以快速的开发出MS Office、Visual Studio和Internet Explorer、Outlook等图形用户界面(GUI)，包括如智能菜单、快捷工具条和停靠窗口等，支持XP界面风格。
具体的设计步骤：
1）引用扩展库Xtreme Toolkit中的基础类CXTBarFolder、CXTBarItem、CXTEditItem、CXTMemDC、CXTOutBarCtrl作为普通的类引入到控件中。
2）在ResourseView中新建对话框资源，并用ClassWizard创建与之相对应的类，在该类中定义CXTOutBarCtrl类的对象。
3）在该类的初始化函数InitializeOutlookBar()中添加相应的文件夹和标签等。
4）在LRESULT CStationToolBoxDlg::OnOutbarNotify(WPARAM wParam, LPARAM lParam)中确定选择的模块标签，将ID号提供给主类。
5.2 拖拽技术、连接模块图及模块图的判断算法
1）拖拽技术、连接模块
用传递过来的ID号，初始化位图模块。在OnLButtonDown(UINT nFlags, CPoint point)中将模块指针添加到指针数组。
CTypedPtrArray m_AmplitudeModArray;
//生成指向位图模块的指针数组
同样在OnLButtonDown(UINT nFlags, CPoint point)中，判断鼠标是否进入端口区域（出口），再到OnLButtonUp(UINT nFlags, CPoint point)中判断是否进入另一端口区域（入口）。实时画线且标号。并把指向该线的指针添加到指针数组中。
CTypedPtrArray m_LineArray;
//生成指向线的指针数组
用户连接的模块图范例如图6所示。
2）模块图的判断算法
主要判断用户选择的模块是否合理，以及连接是否正确。其中用于判断连接的模块图所包含的模块数：
int nCountOfFreModule=m_AmplitudeModArray.GetSize();
判断连接的模块图所包含的线的条数：
m_LineArray.GetSize()==？
判断用户选择的模块是否是本次实验所必须的：
if( pModuleObject->m_szModuleName=="载波发生器"||
pModuleObject->m_szModuleName=="开关电路"||
pModuleObject->m_szModuleName=="基带信号产生器"||
pModuleObject->m_szModuleName=="码变换"||
pModuleObject->m_szModuleName=="示波器"||
pModuleObject->m_szModuleName=="游离示波器")
两个模块连接是否合理及主要模块的出口、入口的数量：
int nCountOfPort=pSwitchCircuitMod->m_arModPortsArray.GetSize();
如果用户设计的模块图不合理，则给出修改意见，要求重绘。
6 存在问题及修改意见
从网络虚拟通信实验系统的总体设计目标和实际教学环境中对该类实验的具体要求出发，构建完善的虚拟实验系统，还需要近一步的努力。
针对目前存在的缺陷提出改进意见如下：
1）进一步完善模型判断函数，给出更细致的实验提示，给操作者提供便利。
2）充分使用Xtreme Toolkit中的基础类CXTFrameWnd的功能，将它引入以实现浮动的仿真示波器效果，动态波形对比。
3）增加界面的美观度并增加一些立体效果，在结果方面能够充分发挥计算机的显示功能，体现软件的优势。
希望此项设计成果能为以后继续的研制开发奠定基础、提供一些帮助。将网络虚拟通信实验系统进一步完善起来，成为真正的网络型的虚拟通信实验室。
参考文献：
[1] 毛敏,肖随贵.网络虚拟实验与高校实验教学的整合研究[J].教育与职业,2008(30).
[2] 潘新民.计算机通信技术[M].2版.北京:电子工业出版社,2006.
【关键词】网络三维；虚拟实验；虚拟现实实验
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097（2011）07―0114―07
一 前言
随着教育信息化的推进，远程教育应用实践不断更新变革，不断涌现出的新兴技术得以推广应用，取得了切实的教学与学习效果。虚拟现实技术支持下的虚拟实验系统就是近年来其中一个重要的新兴技术应用实践。相关研究证实虚拟现实技术利于提高学生的学习兴趣，强化理解能力和开拓创造性学习[1]。虚拟现实源自于信息科学技术，在信息化实践中自然有其特有的优势，第一是其独特的视角，显示的是实时的三维影像，包含了更多的连续的、直观的信息，能够以不同的视图操作和观察，产生逼真的临场感；第二是支持交互式任务，自然直观的操作强化了用户的参与体验；第三是虚拟化的场景和对象蕴含了更加丰富的抽象信息，实现理论学习到实践操作的转化。计算机3D图形学、人工智能、人机接口等相关技术的发展，也为虚拟现实的实践应用打下了坚实的基础。
建构主义理论认为，学习者是在一定学习情境中，借助与他人之间的协作、交流、利用必要的信息等，构建有意义的学习。并且根据学习者学习类型的差异，通过自我反省或者与他人之间的商榷、讨论和辩论，以认识和强化个人及团队的心智模式。建构主义理论支持下的基于虚拟现实的学习环境就是一个动态的虚拟仿真学习环境，可以延伸学习者观察事物的视角，引导他们探索科学世界的思考和行为的方式，发展学生不完整的前概念和经历完整的科学探究过程，并且能为学习者提供在现实世界中无法实现的体验，如原子微观世界[1]、无法随意重复的实训（V-Frog [2]）等。
根据相关文献研究，目前为止虚拟现实教育应用主要涉及的是科学、技术和数学教育，用于概念改变、抽象思维的发展和促进认知发展[3] [4]。考虑到经济因素，有网络特征的桌面式虚拟现实系统, 是目前虚拟现实科学教育实验系统最为可行的方式。虚拟现实科学教育实验系统的开发，首先要根据科学学科实验教育的目的和学习者的认知水平，分析学习者的需求；然后根据具体学科实验任务及步骤，结合实验操作的特点，提出虚拟实验系统执行这些操作所学的功能及其子模块，构建虚拟实验系统的基本构成框架；据此，可确定实验系统的软硬件配置，最后，选择合适的三维建模工具（如3DMAX、MAYA）和虚拟现实编程工具（Virtools、EON）实现系统的制作和[5]。
二 网络三维虚拟实验系统的基本构成框架
一个实验完整实施的工作流程分为实验准备阶段、实验仪器组装测试阶段、实验操作阶段、数据处理阶段和实验总结评价阶段。与传统实验系统相比较，有网络特征的虚拟现实系统的设计应该遵循开放性、易用性原则，能够重复实验以获取正确数据，提示实验操作正确性等。通过实验工作流程的分析，结合虚拟现实技术3I特性，网络三维虚拟实验系统的基本构成框架如图2所示：
1 输入/输出设备
人类的七大感觉系统包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、前庭系统和本体觉。人类就是通过感知来获取信息。在相关的科学教育应用研究中使用的既有专用设备，如ImmersaDesk和PHANToM[10][11]，也有PC支持的周边设备，如三维鼠标、数据手套和头盔跟踪器、三维显示器等。到目前为止，教育应用领域的交互设备主要是鼠标、键盘、操纵杆和摄像头[3] [7]。
2 交互界面
实现实时的人机交互，按照实验任务的要求提供一系列的用户操作和反馈，以支持用户有意义的学习活动，强化用户在动态3D场景中的参与程度。通过镜头控制，以第一人称的视角，用户借助化身（avatar）进入3D场景，用户可以将身体变大或者变小，实现宏观或者微观世界的漫游，延伸用户感知信息的能力。
（1） 3D / 2D悬浮操作栏：漫游和自由度（DOFs）操作是悬浮操作栏基本功能项，实现3D对象选择和3D对象方位变换。这样用户可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物，有利于培养空间想象能力。另外，用户化身通过自然的交互操作还可以强化抽象知识学习和实践运用。
（2） 系统控制：悬浮式下拉菜单/属性面板，用于改变实验环境参数，动态呈现虚拟对象的信息。
（3） 模型库操作：连接模型数据库，在实验过程中提供3D对象模型的呈现，提供虚拟模型的描述信息，辅助实施虚拟实验装置组装，生成合适的实验场景。
（4） 数据向导：处理实验过程中涉及的各种数据；记录学习者的操作过程，并根据实验操作指南，自动为学习者评分。连接实验数据数据库，实现外部文档导入，或者实验数据的导出，记录虚拟学习对象的相关数据集。
（5） 智能向导：为用户化身提示操作步骤，检验操作的正确性。如果出现操作失误，会禁止下一步骤的执行，并给出错误提示信息[9]。智能向导也可以有化身，通过会话的方式与用户交流。
3 虚拟模型数据库
一类是虚拟仪器元件、虚拟对象（如原子、药品等）作为虚拟学习对象，包括可视化的3D模型及对象的描述信息。学习对象的知识结构是科学教育中知识学习的基本内容。另一类是场景模型，包含不同实验要求所需的虚拟场景。学习者可以依据具体的实验要求，调用适用的虚拟仪器和虚拟对象进行组装。
4 虚拟实验演示系统
可视化的流程有助于更好的理解科学概念[14]。如数学和物理教学中的内容大多是抽象的公式,用传统的说教式教学方法很难解释清楚，虚拟的实验流程演示使得学习者一看就能观察出动态逼近的科学本质。如此以来，抽象的内容变得更为形象、更为直观。
另外，具有网络特征的虚拟实验系统，应包含有实验共享功能，如实验结果和感想的交流，帮助，提示实验常见故障和问题的解决办法等等。如组建实验在线学习共同体，就是推进虚拟实验系统平台应用的有效措施[10]。系统可采用三层结构体系，即客户端、网络服务器和数据服务器，一般硬件设备要求不高的情况下，优先考虑B/S应用模式，即借助浏览器配置相应插件支持客户端的运行。
三 《实验室制取气体》化学虚拟实验开发实例
化学是一门以实验教学为基础的学科，通过实验可以更加形象地描述化学现象，深化学生对知识的理解和掌握。虚拟化学实验创设了仿真的实验环境，提供了丰富生动的实验仪器，实现形象化教学，为学习者创建互动的、可重复使用的实验场景，不仅有利于培养学生的设计能力、创新思维能力，而且解决了实验资源浪费、实验时间和实验地点限制等化学实验教学中问题，提高实验教学质量。
实例利用三维建模软件3ds Max和虚拟现实系统开发工具Virtools开发一个实验室制取气体专题的桌面式虚拟化学实验系统，如图4所示，主要实现功能模块有：系统操作说明介绍、化学实验仪器自动组装演示、实验仪器组装、化学实验药品添加化学实验现象观察。
本虚拟实验系统旨在使学习者了解仪器的组装、拆分顺序，药品添加方法，了解实验反应过程，分析实验现象等。在实验过程中通过本系统提高实验者的学习兴趣，使其掌握实验仪器的组装和拆分顺序；通过对实验现象的观察、对比和分析，巩固所学化学知识，理解相关化学原理；培养学生分析问题和解决问题能力。
为了便于仪器的准确组装和实验现象的多角度观察，通过镜头（Camera）进行了交互设置，使用键盘按键来切换摄像机视角并利用鼠标右键对其进行旋转。如图5所示为相应的BB及参数设置。实验系统的实验元器件的操控包括两类工具，一类是利用自由度（DOF）操作工具，以观察和变换虚拟模型方位。一类是选择和添加元器件，按照实验要求，完成系统组装。
Virtools中提供的粒子系统(Particle System)，为虚拟化学实验中产生的各种现象提供了丰富的设计内容，使虚拟实验更加形象和逼真。酒精灯火焰特效主要使用Point Particle System（点粒子系统），对于气泡特效设计使用Spherical Particle System（球形粒子系统），液体倾倒采用Curve Particle System（曲线粒子系统）。
对于虚拟模型和实验数据的导入，Virtools连接数据库除了使用自带的服务器形式连接外，也可以自定义BB（Building Block）来连接数据库，这里选择的是自定义连接MySQL数据库。以实现网络三维虚拟实验系统的数据后台更新与维护，这是实现网络虚拟实验系统开放性和通用性的关键技术。
最后应用Virtools开发的网络三维虚拟实验成应用在B/ S 或C/ S 模式的两种格式文件。前者为vmo格式，嵌入到网页中，适于网络浏览器传输; 后者需要应用VirtoolsMakeExe插件将其转换成exe格式，并应用软件封装工具制成客户端可执行程序，可安装在用户的计算机中,避免网络传输带宽的影响, 以提升网络虚拟实验的流畅性。
四 总结
一个得到普遍接受的虚拟现实实验系统，需要提供最简便的控制方式，以及一些基本的物理体验。触控设备拥有输入和反馈所需的相关元素。
有网络特征的桌面式虚拟现实系统对于硬件系统要求并不高，在个人微型电脑上都能很好的体验到实验过程，系统逼真的虚拟场景制作和详尽的过程解释，为用户呈现了一种视觉上的冲击效果。自然真实的感官体验, 能将那些抽象的结构原理实现可视化，加深概念的理解，针对无法随意重组的设备作仿真实训,获得与真实实验一样的体验,从而丰富感性认识。根据混合式学习理论，虚拟实验系统可以成为与课堂教学相结合的有效在线学习中心，实现空间和时间上的延伸，充分体现教师和学生的实验参与程度。
另外，从安全和环保角度考虑，虚拟现实实验系统既不需要化学物品和危险的实验工具如炸药，也不要提供实验样本如动物，更不会对生态环境造成破坏。
制约虚拟现实实验系统发展的瓶颈是虚拟现实相关的建模，如几何建模、运动建模、物理建模等需具备一定专业技能的人员制作，对于精细的实验仪器和化学现象的建模离预期的效果还有相当差距等。当下也存在相关实验资源不足的问题，如实验元器件模型缺乏。但随着一系列实用开发工具，如Virtools、EON等不断推出，上述的问题得到了很好的解决，使得虚拟实验系统从实验室研究转入教学实践成为现实。
从经济角度讲，虚拟现实实验系统给科学实验教育节省了开支。但对于虚拟实验系统来说，最大的挑战是在实践应用中，在课堂和教学过程究竟会产生什么样的效果，因为教师的要求、课程目标和学生的认知水平等都是必须考虑的影响因素。这就要求老师和学生都需参与到设计满足自己要求的虚拟实验项目里。
五 趋势
如果将虚拟现实实验系统加上“增强现实”技术（Augmented Reality），通过真实环境和虚拟现实景象的结合，既能减少生成复杂实验环境的开销，又便于对虚拟场景中的对象进行操作通过增强现实技术，人们不仅能够有视觉和触觉的体验，还能够有感觉的新体验，那么其应用范围也就更加广阔了。
引入分布式，支持多用户协作实验，创建学习共同体，使用户联合在一起成为一个虚拟实验社区，将把实验系统提升到一个新的境界。
参考文献
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Designing and Implementing of Web 3D Virtual Lab System
SUN Jiang-shan YU Lan
(Department of education Information Technology, East China Normal University, Shanghai 200062,China)
Abstract: By analyzing classic cases at home and abroad, expounding the techniques and theory of virtual reality and making the classification and characteristics of virtual Lab, summarizing the advantages and strategy that were used to construct the framework of Web 3D virtual Lab system. In order to support the framework effectively, designing an example of “gas making in laboratory” with virtools software, summarizing key methods and key techniques in virtools modeling and virtools interaction. Finally, furthermore show off a summary and outlook.
关键词：虚拟实验室； 虚拟仪器； LabVIEW； B/S
中图分类号：TN919-34； TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0171-03
Design and Implement of Network Virtual Laboratory
LIU Ke-qin, PAN Xue-tao, ZHANG Mei-feng
(School of Photoelectric Engineering, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China)
Abstract： The traditional way of physical instruments and simple data analysis is still used for experimental teachings in the most domestic colleges and universities. It exists many problems. A network-based virtual laboratory framework model was established with the network technology, virtual instrument technology and B/S architecture. A related virtual experiment such as phase difference measurement was designed, and Web publishing was implemented by means of LabVIEW software. Practice shows that the remote control and resource sharing can be achieved in the Web-based virtual laboratory. It can save the financing investment for the mass of equipments and instruments, provide a modern means for practice teaching, and help students to improve their creative ability.
Keywords： virtual laboratory; virtual instrument; LabVIEW; B/S
收稿日期：2011-07-13
基金项目：江苏省高校自然科学研究指导性计划项目：基于虚拟仪器的机械量测试与分析系统设计;江苏省教育厅基金资助项目（05KJD460014）
0 引 言
为更好地培养创新型人才，国内高校都加强了实践环节的教学。通过对理工科院校实践教学情况的调研，发现普遍存在以下几个主要问题：首先，学生要得到良好的实践训练，就需要购置很多昂贵的教学仪器，但各高校普遍存在资金投入不足的问题；其次，实验中各种元器件的损耗非常大，造成很大的浪费，这也间接对教师和学生造成一定的心里压力，实验中缩手缩脚，担心损坏仪器，使得实践教学质量得不到保证；最后，远程教育的发展使教学不再被限制于学校的课堂内，教学过程中必然要遇到如何对远程用户进行实验教学的问题。
随着网络技术和虚拟仪器技术［1-2］的迅速发展，充分利用“软件就是仪器的”思想，将两者结合，通过数据交换共享建成的虚拟实验室为以上问题的解决提供了很好的方案。
1 网络虚拟实验室的体系结构
网络虚拟实验室一般采用C/S模式和B/S模式2种体系结构。B/S模式在标准、开发维护、界面使用、客户端要求、灵活性以及仪器的安全性等方面都比C/S模式具有更好的优越性［3］，故该系统采用B/S模式构建。结构如图1所示。
采用基于B/S模式的客户端、Web服务器、数据库服务器和应用程序服务器的三层次结构，具有良好的适应性及扩展性。在远程实验操作中使用虚拟仪器应用程序，只需配备支持ActiveX的浏览器就可通过Internet登陆虚拟实验室网站，向Web服务器提出实验请求，并进行相关实验操作。登陆网站以后，浏览器会根据实验需要，从Web服务器中自动载入包含了虚拟仪器模块的实验网页，这样用户不需要安装任何专业软件就可以进行实验，从而使客户端的需求降到最低。
Web服务器的主要任务是将虚拟实验室以网站的形式在网络中，同时还为远程实验的安全运行提供有效的管理与用户认证机制。远程用户可以用Web浏览器访问此服务器，通过浏览器与Web服务器进行交互，按照步骤完成远程实验操作。数据库服务器用于存储系统相关数据信息，包括实验信息、实验管理信息以及系统管理信息等。应用程序服务器在虚拟实验室中负责各个虚拟实验模块的管理和调度。采用虚拟仪器语言设计的实验模块被集成在应用程序服务器中，接收来自Web服务器的请求并做出响应，完成信号的生成、数据分析以及结果显示。
2 网络虚拟实验室的设计
2.1 开发与使用环境
网络虚拟实验室采用DreamWeaver软件［4］开发，各虚拟实验采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW设计，并生成为应用程序。客户端只要有Internet Explorer 5.0以上的浏览器并下载安装NI公司免费的LabVIEW Run-time Engine小程序即可顺利完成各类虚拟实验［5］。
2.2 远程虚拟实验室功能
以测控技术与仪器专业核心课程实验为例，介绍网络虚拟测控实验室的功能及典型程序设计。
远程虚拟测控实验室导航页包括“实验室简介”、“实验室公告”、“使用说明”以及“进入实验室”4部分。点击“进入实验室”，打开实验界面。如图2所示。
图2 远程虚拟测控实验室的模块图该部分包括信号分析与处理实验、测控系统特性分析实验、传感器与检测技术实验、形位误差测量实验等4个模块共24个虚拟实验应用程序。每个虚拟实验，包含“实验原理”、“功能描述”、“实验示例”和“在线实验”四个模块，层层递进，有利于启发学生的思维。
2.3 基于LabVIEW的虚拟实验设计
下面以“信号分析与处理”模块中的相位差测量实验为例详细介绍虚拟实验的设计方法。
2.3.1 设计原理
本设计采用相关法实现两同频正弦信号的相位差测量，即利用两信号的延时τ=0时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理获得相位差［6-7］。
假设有两个含有噪声的同频信号x(t)，y(t)：x(t)=Asin(ω0t+φ0)+Nx(t)
y(t)=Bsin(ω0t+φ1)+Ny(t)
（1）式中：A，B分别为x(t)和y(t)的幅值；Nx，Ny分别为噪声信号。
周期信号互相关函数的表达式为：Rxy(τ)=(1/T)∫T0x(t)y(t+τ)dt
（2）式中T为信号周期。将式（1）代入式（2），可得：Rxy(τ)=1T∫T0［Asin(ω0t+φ0)+Nx(t)］•
［Bsin(ω0(t+τ)+φ1)+Ny(t+τ)］dt
（3） 当τ=0时，Rxy(0)=(1/T)∫T0［Asin(ω0t+φ0)+Nx(t)］•
［Bsin(ω0(t)+φ1)+Ny(t)］dt
（4） 理想情况下，噪声与信号之间、噪声与噪声之间互不相关，积分后可得：Rxy(0)=AB2cos(φ1－φ0)
（5） 故两信号的相位差：φ1－φ0=arccos［2Rxy(0)/AB］
（6）2.3.2 程序设计
程序设计时，使用LabVIEW程序中信号处理模块自带的互相关函数对两信号进行计算，然后调用Array子模板上的Index Array函数，获取τ=0时的互相关函数值。为得到相位差，执行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Inverse Cosine操作，调入反余弦函数，并由运算将相位差由弧度转化为角度表示。程序代码如图3所示。
2.3.3 虚拟实验的远程
系统采用LabVIEW自带的网络服务器实现虚拟实验的远程［8］。LabVIEW网络服务器是LabVIEW的Remote Panels一部分，VI时首先打开虚拟相位差测量的VI，启动Web服务器。选择菜单中Tools>>Web PublishingTool，弹出的窗口是交互地创建和远程面板的主要窗口，如图4所示。点击Save to Disk，将会在Web服务器的根目录下生成HTML文档。随后弹出一个对话框，其中包含生成的HTML文档的URL网址，如图5所示。
图5 HTML文挡的URL用户远程面板（Remote Panel）大大简化了远程应用程序的生成，不需任何关于Java，CGI或其他第三方软件工具编程，只需将生成的URL网址链接到相应的“在线实验”模块，就可以将本地实验室的功能带到浏览器环境中。客户端只需要安装LabVIEW运行引擎，不需要安装LabVIEW，即可通过Web浏览器进行远程监视和控制［9-10］。用户在线远程运行相位差测量实验的界面如图6所示。设置信号1幅值2 V，初始相位为30°；设置信号2幅值4 V，初始相位为90°；设置两个信号的频率均为2 Hz，采样频率为20 Hz，采样点数为50点。程序计算得到的相位差为60°。
3 结 语
基于LabVIEW的虚拟实验把传统仪器的测试功能用形象逼真的面板控件形成软件模块，能够在计算机的协调下象实物仪器一样完成测试、处理、分析、显示等任务，得到了在实验室里相同的实验过程和测试结果。同时基于B/S结构的网络体系，实现了远程控制、资源共享和数据共享，将实验教学搬进了课堂，搬上了网络，实现了理论与实践的完美融合，减少了设备资金的投入，改善了实验条件，促进了实验教学方法、手段的完善，彻底打破了传统实验模式，有助于学生创新能力的培养。
参 考 文 献
［1］ 雷振山.LabVIEW 7 Express实用技术教程［M］.北京：中国铁道出版社，2004.
［2］ 杨运强.测试技术与虚拟仪器［M］.北京：机械工业出版社，2010.
［3］ 张志敏，李贤敏.基于网络的虚拟实验室的研究［J］.实验技术与管理，2008（4）：160-163.
［4］ 屈喜龙，李正庚.ASP+Dreamweaver开发动态网站实例荟萃［M］.北京：机械工业出版社，2006.
［5］ 刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计［M］.北京：电子工业出版社，2003.
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［7］ 曾孟雄，高威，杨涛.基于LabVIEW的数字相关测量仪设计［J］.三峡大学学报，2004（1）：48-50.
［8］ 孙燕莲.基于Web的远程虚拟实验室探究［J］.实验室研究与探索，2010（10）：352-354.
［9］ 钟亮，王琪.基于虚拟仪器实时测控系统的构建［J］.计算机与现代化，2005（6）：100-102.
[关键词]计算机组网;虚拟实验室
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0353-01
[Abstract]along with the development of computer technology and network technology， the virtual teaching and the teaching mode is not what new things， but the realization of the virtual laboratory has been the focus and difficulty of the virtual teaching research， based on the current development of the virtual teaching， this paper carries on a specific research on the application of virtual computer network design the platform and virtual reality technology.
[Key words]computer network; Virtual Laboratory
前言：在我国教学改革不断深化的今天，我国当下很多高校陷入了实验教学的困境，这一困境主要源于实验室建设资金的缺乏等问题，为了能够尽可能在短时间内解决这一问题，保证实验教学效果，虚拟实验室开始在我国高校中受到广泛重视，而本文所研究的虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术应用的目的，就是为了能够实现虚拟实验室的较好应用。
1.虚拟计算机网络组网平台的设计
在本文就虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术的应用研究中，笔者研究的目标正是虚拟实验室这一虚拟计算机网络组网平台的设计与应用，而在这一设计的研究中，笔者将从这一组平台的设计目标、系统设计、系统详细设计等三个方面对其进行详细论述。
1.1 设计目标
在本文所设计的虚拟计算机网络实验组网平台中，其是为了改革传统的实验教学方式，更好的帮助用户实现学习目的的平台形式，总的来说这一平台的设计目标为，在参照计算机网络课程教学大纲要求的前提下，满足不同层次学生学习需求、教师能够应用组网平台实现再现问题解答与作业批改等教学需求、使学生在实验前理解整体的组网概念和虚拟实验过程、具备判定学生是否具备了做实验的基本条件等四方面内容[1]。
1.2 计算机网络虚拟组网平台系统设计
在本文进行的虚拟计算机网络组网平台系统设计中，笔者采用了模型一视图一控制器（MVC）三层架构设计模式，这里的视图指的是用户看到并与之交互的界面、模型是指数据和规则、而控制器辅助接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求。结合这一设计模式，图1为笔者总结的整个计算机网络虚拟组网平台系统框架结构图。结合这一计算机网络虚拟组网平台系统框架结构图，我们能够看出这一系统具备着简便的设备选取方式、灵活的组网方式、直观的错误检测方式、真实的配置界面等四方面的特性，而由于这一系统设计采用了Windows图形界面，这就使得其本身具备着上手性强、易于操作的特点[2]。
而在这一虚拟计算机网络组网平台系统的功能设计中，拓扑图绘制功能和设备管理功能、网络设备的配置功能、实验环境及设备配置信息的保存和读取序列化功能、智能纠错功能、网络设备的三维展示功能、实验指导功能等都属于这一系统所具备的功能。
1.3 系统详细设计与实现
由于这一虚拟计算机网络组网平台系统设计的实现篇幅较长，本文主要对这一系统虚拟现实功能详细设计与实现进行论述。在这一虚拟计算机网络组网平台系统的虚拟现实功能实现中，笔者采用了VRML与3DMax的模式来完成虚拟现实的功能，这一设计的实现需要依次进行场景建模总体设计、实验场景建模、三维建模优化等三个阶段。具体来说，在场景建模总体设计阶段中，笔者首先设计了场景的树状层次结构，这一结构把所有对象用双亲、孩子和兄弟划分成最有效的树结构，属于一种简便自然分割复杂物体的方法。在完成树状层次结构的设计后，笔者采用三维建模软件手工绘制了三维模型，并在参照了商业数据库中现有的三维模型后对其进行了改进，这样就较好的实现了采用三维建模软件手工绘制三维模型;而在实验场景建模阶段，笔者选择了尽量少的面来达到虚拟现实效果的方法，这样就在保证整个系统应用效果的同时减少了不必要的工作量。在这一建模中，笔者主要使用3DMax提供的模型进行地面、实验桌、设备架、墙壁等场景实体的建模;而在三维建模优化这一阶段中，为了解决3DMax建模转换VRML文件后存在的大量垃圾代码，我们就必须对其进行代码优化，这一优化主要通过减少多边形的数目、光源的使用、充分利用纹理等方面的微调予以实现[3]。
2.虚拟现实技术在计算机网络组网平台的应用
结合笔者在上文中大致论述的虚拟计算机网络组网平台的设计内容，我们就可以初步了解本文研究能够实现虚拟实验室平台的创建，而这一虚拟实验室平台在高校中的应用，就能够实现网络设备的三维展示、网络拓扑的设计、硬件设备的检测、设备的智能纠错、网络设备的配置、配置信息的保存等多方面的功能。其中网络设备的三维展示就能够将现实的网络设备形象逼真地放入模拟环境中构造3D模式、而网络拓扑的设计则能够实现为用户提供一个虚拟的组网平台来
进行设计网络拓扑，这对于我国当下很多高校中学生缺乏的实践操作经验的问题能够予以较好的解决，真正推动我国教育事业的发展，由此可见虚拟现实技术在计算机网络组网平台中应用的实用性。
3.结论
在本文就虚拟计算机网络组网平台的设计及虚拟现实技术的应用进行的研究中，笔者详细论述了虚拟实验室这一计算机网络虚拟组网平台系统的设计方式，并对这一设计完成的计算机网络虚拟组网平台系统的应用进行了详细论述，希望能够以此实现我国虚拟现实技术应用的不断完善，并推动我国教育事业的进一步发展。
参考文献
[1] 黄存胜.虚拟计算机网络组网与通信平台的研究与实现[D].东华大学，2009.
网络资源的动态管理
博科公司产品营销部负责云编排、OpenStack和SDN工作的Sandeep Singh Kohli表示，“为了增强互操作性，开放的云平台需要更多的API或插件。我们推出的动态网络资源管理器就可以轻松地与云平台进行整合，它经过了包括红帽在内的许多合作伙伴的认证。”
动态网络资源管理器是一个软件，其主要功用是管理数据中心内的网络资源调配。“假如没有动态网络资源管理器，网络就不可能在不同的虚拟机或不同厂商的硬件设备上智能地分配网络资源，实现负载均衡。”Sandeep Singh Kohli介绍说。
利用动态网络资源管理器，OpenStack云环境可满足特定应用程序或服务的需求。博科动态网络资源管理器具有几个特点：它可以根据策略管理来自多个厂商的物理和虚拟的网络资源，这将让OpenStack Neutron能够提升3～7层网络的运营效率和灵活性；动态网络资源管理器有四个组成部分，包括Supervisor、Interceptor、Plugins、Appliance Container，以及其他一些辅助功能，比如管理仪表板；它可以支持一些新兴技术，比如网络功能虚拟化（NFV）。“我们将与OpenStack社区的合作伙伴一起提供动态网络资源管理器功能。”Sandeep Singh Kohli表示。
开源的坚定拥趸
博科公司在支持OpenStack方面有明确的定位：第一，为企业和云服务商提供一个网络平台，让它们能够构建一个可扩展、可开发的云架构；第二，提供一个可扩展的解决方案，应对用户不断增长的在虚拟机上开发应用、简化管理和编排网络资源的需求；第三，保护客户的云投资，避免被绑定；第四，提供一个可扩展的基础架构，让用户从云计算中获得更大收益。
在此原则的指导下，博科一直为OpenStack社区做着积极贡献，比如，作为RHEL OpenStack发行版的一部分，Brocade VCS Fabric插件已获得红帽公司的认证，并且针对OpenStack的最新版本Havana进行了改进。OpenStack目前提供了一个针对整个博科以太网矩阵的单一逻辑接口。Sandeep Singh Kohli介绍说，博科对IceHouse版本做出的贡献主要包括以下几方面：博科SAN光纤通道、Brocade ADX负载均衡即服务（LBaaS）以及带有Brocade Vyatta vRouter插件的OpenStack解决方案将在2014年春季；通过审批的SAN Fibre Channel区域管理蓝图的代码也将在2014年春季的 IceHouse版本中采用。
>> 网络化计算机专业虚拟实验室的构建与实现 基于DYNAMIPS的网络虚拟实验室构建 微机接口虚拟3D实验元件的建模及可视化研究 网络虚拟实验室的构建 采矿工程三维可视化虚拟实验室建设 基于虚拟现实技术的网络虚拟化学实验室的设计实现 可视化实验室能源管理系统 浅谈基于VMware构建虚拟网络实验室 通过虚拟化技术构建网络实验室 基于Quest3D的实验室虚拟漫游系统设计与实现 基于X3D技术构建虚拟电子技术实验室的研究 基于网络GIS技术的三维可视化及实现思路研究 基于GNS3+VMware的虚拟网络实验室 实验室仪器设备管理的可视化研究 《工程制图》虚拟实验室的构建与实现 网络虚拟实验室的设计与实现 基于建构主义的网络虚拟实验室教学平台的设计与实现 基于Interbus的控制系统网络虚拟实验室的设计与实现 液相色谱网络虚拟实验室的构建 网络虚拟实验室的构建研究 常见问题解答 当前所在位置：L，CSS，JavaScript网页制作从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2013.
[6] 王萍萍，赵俊莉，孙强.JavaScript基础与实践教程[M].北京：电子工业出版社，2007.
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[8] 于斌，孙斌.NS2与网络模拟[M].北京：人民邮电出版社，2007.
【关键词】虚拟现实技术 教育网络游戏 沉浸感 思维构想性
【中图分类号】TP391.9 【文献标识码】A 【文章编号】1006-9682（2012）09-0043-02
一、引 言
一位经济专家曾经指出“到21世纪，世界将可能进入一个虚拟的新互动媒体游戏时代，带有虚拟现实技术的新互动媒体游戏可能成为下一个经济大潮席卷世界各地。”2004年，上海盛大公司制作了国内第一款教育网络游戏——学雷锋，这标志着我国教育网络游戏研究与实践进入了新的阶段。但在令教育界兴奋的同时，教育网络游戏与教育内容的融合的方式差强人意。其中基于CAD的教育网络游戏设计、开发技术存在缺陷：游戏环境的封闭性、交互的间接性等，未能得到认同。本文试图在教育网络游戏设计与开发中采用一种新型信息技术即虚拟现实技术，分析其对教育网络游戏的影响。
二、虚拟现实技术
1.虚拟现实技术内涵及发展过程
虚拟现实技术，是由美国VPL公司创建人拉尼尔在1989年提出的，也称灵境技术或人工环境。这种技术是通过计算机图形构成三维数字模型，编写到计算机中产生人为逼真的“虚拟环境”，从而使用户得到视觉、听觉、触觉、感觉等感官上的模拟，及时、真实、互动地观察三度空间内的事物。这种新互动媒体如同爱丽丝梦游仙境一般进入我们的生活。
虚拟现实技术产生于20世纪60年代，进入20世纪80年代，全世界掀起了研究虚拟现实技术的热潮，在软硬件两方面取得了巨大进展。20世纪90年代末，阿兰·H·韦斯提出“远程沉浸”，指通过技术手段使身处不同空间位置的人们产生身处同一物理空间的感觉，克服空间距离，进行时空信息与情感交流。21世纪初，虚拟现实技术发展成熟，广泛应用在军事、通信、医疗、教育、娱乐、建筑等领域。
虚拟现实技术所需的软硬件条件：硬件包含计算机、特殊的头盔、数据手套、数据衣、三维立体传感、三维声音产生器、洞穴式投影、密封仓等设备。软件包含MGl Photovita、Coo13D、FLASH、VRMLCult3D、SceneBuilder等，它们均可在PC机或工作站上运行，使用方便。
2.虚拟现实技术的主要特征
虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为最具前景的三大计算机技术。虚拟现实可用三个“I”来描述其特性，即Immersion沉浸感、Interaction交互性、Imagination思维构想性，作为其本质特点，也是和多媒体技术、计算机可视化技术的区别。
Immersion沉浸感：让使用者在感知上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这就是虚拟现实技术的浸没感或临场参与感。
Interaction交互性：将计算机处理的数字化信息变为人们所能感受的具有各种表现形式的多维信息。通过视、听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为做出动态的交互反应。
Imagination思维构想性：它创造一个包括三维模型、三维声音、三维人物和其他资源逼真的虚拟世界，根据用户的需要，可以打破传统思维，进行四维空间幻想，实现正常情况下不能完成的内容。
三、教育网络游戏
教育网络游戏是以教育目标为导向、虚拟空间为情境、任务为驱动、网络为媒介通过竞争和合作培养游戏使用者的知识、技能、智力、情感、态度、价值观，并具有一定思想教育意义的计算机游戏软件。虚拟教学利用虚拟技术模拟难以理解的抽象的教学内容，使之可视化和可参与性，让学员能真实、更具体的理解、学习相关技能。同时可以使枯燥的表格、数字和程序变得生动而有趣，同时提供教学质量，降低教学成本。为此，许多教育专家学者提出将教育与网络游戏整合，达到“寓教于乐”的目的。教育网络游戏将是未来网络化学习的一种重要的表现形式，为未来的网络化学习实现终身化学习、个性化学习，奠定良好的基础。
四、虚拟现实技术对教育网络游戏的影响
1.沉浸感与教育网络游戏
虚拟世界提供了丰富的视觉和空间表现手段，为学生创设一种真实的学习情景，设置明确有趣的任务，赋予游戏内容以知识性，给学习者带来强烈的刺激和全新的感受，同时排除一般网络游戏中暴力、色情等成分，其负面影响降到最低。在这种学习情景中，时间与空间、动态与静态、内心与外界达到和谐统一。学生可以投入巨大的热情来接受各种挑战、增强勇气、学会合作、培养能力，体验激情。
2.交互性与教育网络游戏
当前教育网络游戏开发基于的CAD技术存在着很多弊端，主要表现在人机交互界面友好程度差，学习者主要通过鼠标、键盘及游戏柄等输入设备与计算机进行有限交互。在基于虚拟现实技术所创建的虚拟现实环境中，学习者通过特殊的头盔、数据手套、数据衣、三维立体传感、三维声音产生器、洞穴式投影、密封仓等设施以自然的方式向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉甚至嗅觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感知世界。结果表明，虚拟现实技术的发展将会创造一个更加和谐的人机关系。这种以人为主导的人机关系中，人机界面不再是分隔主体与客体的屏障，相反是两者实现互动的中介。使占据主导地位的主体—客体严格两分的关系得到消解，主体与客体之间的相互促进、相互生成，取代了两者之间的相互对立、相互役使。应用虚拟现实技术设计与开发的教育网络游戏的交互性得到前所未有的扩展。
3.思维构想性与教育网络游戏
基于CAD技术开发的教育网络游戏，其内容与形式是预先设计好的，如场景、角色所具有的能力，道具的种类及环境规则是不能改变的，学习者在这样的环境中，行为与思维构想都受到限制。基于虚拟现实技术所创建虚拟时空是开放的，用户在虚拟世界的多维信息空间中的体验发生，具有随机性和不可操作性，学习者沉浸在虚拟环境中，并获取新的知识，提高感性和理性认识，深化概念并萌发新意。在教育网络游戏中采用虚拟现实技术，将极大地促进学习者创造性思维的发展。
【关键词】虚拟教学;Silverlight;RIA
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)10―0114―03
一 前言
随着人们对网络的依赖性越来越强,基于网络的现代远程教育成为了继第一代的函授远程教育和第二代的广播电视校阅之后新一代教育方式。为此,基于web的网络教学平台以其功能丰富,结构完整迅速成为了网络教育的主载体。其开放的学习条件、丰富的学习资源使得网络教学具有传统教学方法无法比拟的优势。但是随着网络教学中用户对交互性和体验感的要求越来越高,传统的以数据为中心,以HTML为表现形式的Web网络教学应用程序已远不能满足学习者更高的、全方位的体验要求。而RIA的适时出现为这个问题提供了全新的解决途径。
RIA是Rich Internet Application(富互联网应用系统,亦称富客户端)的缩写,维基百科对它有如下定义:所谓RIA,首先,它应该是一个网络应用程序;其次,它还要具有桌面应用程序的特征和功能。简单地说,如果你的桌面程序(比如说Word、Photoshop和Eclipse)能在网络上运行,并且能保持其原来的功能和特征,那么我们就可以称它们为RIA应用(富客户端应用)。因此,RIA的技术特点使得其非常适用于网络虚拟教学系统的开发,在网络教育领域必将具有广阔的应用前景。
二 Silverlight介绍及其在网络虚拟教学系统的应用优势
RIA作为未来Web应用程序的发展方向。许多公司和研究机构,包括Microsoft、Adobe、Sun等软件业巨头,都积极投入到了RIA的研发当中。本节将重点介绍Microsoft Silverlight的一些技术特点。
众所周知,微软是一个优秀的平台开发商。它的Windows和Microsoft 0ffice产品都符合工业级标准,在Web展现技术方面,以往微软并没有太多表现,不过在推出了名为Microsoft SiIverlight的新技术之后,希望在这方面有所突破。Silverlight实际上是一个运行在Web浏览器上的应用程序界面开发平台。与应用已久的Adobe Flash/Flex相比,Sliverlight是一个仍在完善中的技术平台,目前版本为SilveHight2.0。但由于微软强大的技术实力和宣传力度,Silverlight一经推出就受到开发人员的热捧。
Silverlight是一个跨浏览器、跨平台的插件,为网络带来下一代基于.NET的媒体体验和丰富的交互式Web应用程序。从编程的角度来看,Silverlight程序使用的是.NET托管代码, 可以用XAML(Extensible Application Markup Language,扩展应用程序标记语言)编写,XAML是微软为Windows Vista创建的基于XML的标记语言。它提供了对动画和3D众多方面的支持。XAML程序可以用最简单的文本编辑器编写,当然最好是使用图形工具(如Expression Blend)来创建XAML代码,之后就可以开放给Web搜索引擎和其它在线工具。这是Silverlight与Flash另外一点截然不同的地方,Flash实际上是一个对外封闭的“黑盒”环境。而由于Silverlight除了支持IE以外,还可以支持Apple的Safari和Mozilla的Firefox浏览器,因此它可以运行在任何计算机平台上,包括Macintosh和Linux。从根本上来说,Silverlight最关键的与众不同之处,实际上就是它创建出的UI质量,它是真正以XAML格式进行数据传输,到用户前端后再解析为具体图像,文本的大小是非常小的,所以完全不用担心带宽。此外,Silverlight还提供灵活的编程模型,支持AJAX,VB,C#,Python,Ruby等语言,并集成到现有的网络应用程序中。而对于使用Windows平台开发工具的用户来说,可以使用 C# ,VB等多种语言进行开发,而不需要抛弃原本的知识去学习ActionScript,而且这些语言在进行Silverlight开发时,也继承了很多这些语言的特性,如在网络虚拟教学应用程序中,会大量使用各种多媒体素材,如音频、视频等,而Silverlight就可以很方便的使用最常用的底层的传输工具Sockets。同时Silverlight的命名空间里还有很多通讯组件比如Webclient等,完全可以实现SOA和Flex的Httpservice的功能。
从上面介绍的一些Silverlight的技术特点,我们不难得出它在网络虚拟教学系统中的诸多应用优势:
丰富的表现力:Silverlight技术具有丰富的多媒体表现能力, 可以将文字、图片、音频、视频进行无缝的结合,从而使得教学内容的表现更加生动和丰富,使学生的体验感更强,提高了学生的学习兴趣。
强大的交互性:传统的数字图书馆信息服务以文本为主,缺乏交互,响应速度缓慢。Silverlight技术支持动画、视频、音频、双向的数据通信和创建复杂的窗体,使得强调以学生为中心的网络教育系统具有强大的交互能力。包括学生与课程的交互,以及学生与学生、学生与教师之间的交互。
高效的数据传输:服务端与客户端之间的数据流传输方式采取XAML数据,客户端和服务器端仅传递必要的数据。从而大大降低了数据通讯量,降低了对网络带宽的要求,大大提高网络访问速度,使得学生对教学系统的访问更加流畅。
三 基于Silverlight的网络虚拟教学系统的设计与实现
1 系统框架
基于Silverlight网络虚拟教学平台为三层B/S模式,开发技术主要使用XAML、.NET、Javascript等,数据库采用SQL Server 2005。系统框架如图1所示,第一层为表示层,通过在Web浏览器上外挂Silverlight浏览器插件实现用户与整个系统的交互;第二层为业务层,该层主要负责系统的各种逻辑业务,完成表示层与数据层之间的通讯。如调用数据库中的虚拟元件和学习模块信息,生成虚拟实验室场景。第三层为数据层,提供平台所需要的数据信息,如场景信息和角色信息等。
用户登录后,建立与服务器的连接,服务器为其分配标识,建立角色模型,并下载教学课件,通过XAML控制文件进行交互,模拟真实学习情景。同时服务器还负责存放共享空间、管理和维护虚拟教学场景的一致性,监听客户端的连接请求和响应连接。客户端是基于浏览器的,第一次使用时,只需不到几秒钟的时间就可以自动下载安装了Silverlight浏览器插件。客户端程序以插件方式运行在浏览器中,创建与服务器之间的Socket连接,接收服务器的报文进行解析,发送客户端的请求,从而实现虚拟场景的更新和用户交互。
2 主要功能模块
网络虚拟教学系统通过模拟和实现课堂的教学功能来为网络在线学生提供逼真的教学环境,使其不仅可以享受自由的学习和实践空间,而且还可以进行各种实时的交流与协作。系统的主要功能模块如下:
(1) 虚拟教学场景生成模块
虚拟教学系统中会存在多种虚拟场景,如虚拟教学场景、虚拟讨论场景和自主学习场景等。每个场景具有不同的场景片段和属性,系统根据学习者的属性,学习者选择的课程属性和选择学习场景载入与学习者需要相符合个中虚拟元件,构建出学习者特有的虚拟情境。
(2) 教学白板模块
教学白板是虚拟教学中一个重要的工具,它的主要功能是实现教学过程中老师与学生,学生与学生之间的实时交流和讨论。教师在教学的过程中可通过白板讲解教学内容和提出问题,学生也可以通过白板提出问题,查看老师和其他学生的发言,实现师生之间的实时在线讨论和交流。
(3) 规则管理模块
虚拟教学系统中存在多种规则,如教学规则、考试规则、作业规则、评判规则和关联规则等。规则管理模块负责添加、删除和修改这些规则。
(4) 信息管理模块
该模块主要负责管理系统所需的各种数据。系统的数据主要包括用户信息,课程信息,虚拟场景(元件)信息和其他教学资源等信息。信息管理模块实现对这些信息的统一组织和管理。
3 关键模块的实现
(1) 虚拟场景的构建
场景建模是构建虚拟场景最关键的一步。模型的复杂度、精细度直接关系到系统性能的好坏,因此建模主要解决两个问题:1)如何生成数据量小、适于网络传输的模型;2)如何模拟场景的真实感。通过本文第二节对Silverlight的介绍,我们可以知道Silverlight采用XAML作为描述语言,它提供了对动画和3D等众多方面的支持。因此系统平台的三维模型设计采用了如下方式:简单的模型直接采用XAML设计;复杂的模型采用AutoCAD应用软件PRO/E进行造型,然后输入到3DMAX中,在Lightwave中进行材质、纹理等处理后,通过微软提供的转换软件输出为XAML文件,从而通过Silverlight在浏览器中生成虚拟场景。图2为构建的虚拟化学实验室模型。
(2) 基于Silverlight的电子教学白板
基于Silverlight的电子教学白板可以使多人可同时使用白板绘制图形,发送文本消息,而这些动作都将会反映在每个使用者的屏幕上。因此,通过电子白板,老师和学生、学生和学生之间就可以进行便捷的交流和讨论,图3是我们实现的一个电子教学白板的截屏图。
电子白板采用XAML+WCF实现,XAML作为表示层用来进行白板的绘制,而用户操作的反馈则是通过WCF进行传递的。WCF(Windows Communication Foundation)的核心目的是允许程序与同一台计算机或网络上的,或跨越互联网的其它程序实现通讯。WCF编程模型把Web服务、.NET远程技术、分布式事务和消息队列统一到单个面向服务的编程模型中,从而实现真正意义上的分布式计算。由于电子教学白板既需要从浏览器端调用服务器端方法来完成动作的反馈(即浏览器端把用户的动作发送到服务器),服务器端又需要完成用户动作的分发(即服务器接收到用户的反馈后把动作分发到各浏览器端),因此,教学电子白板需要调用WCF的双向通信(Duplex Service),其相关代码如下:
// Page 为浏览器端方法调用器的启动页面
ClientSideMethodCaller caller = new ClientSideMethod Caller(Page);
// clientMethodName:浏览器端方法名
// param1,param2,……… 调用参数
// returnValueReader 返回值阅读器
caller.Call(“clientMethodName”, param1, param2, ………, returnValueReader);
四 总结
RIA是未来Web应用程序的发展方向,它的技术特点使得其非常适用于网络虚拟教学系统的开发,在网络教育领域必将具有广阔的应用前景。而微软最新推出的Silverlight的技术平台也旨在RIA市场占有一席之地,相信凭借微软雄厚的技术实力和强大的用户群体,Silverlight也必将放出其应有的光彩。本文通过Silverlight建立构建一个逼真的虚拟教学场景以达到现实中的效果,从而给学习者以真实感、归属感和沉浸感,实现人与虚拟环境的统一,从而大大提高了学生的学习兴趣和效率。
参考文献
[1] 杨宗凯,吴砥,刘清堂.网络教育标准与技术[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2] 孙超,钟珞,基于Silverlight的富界面应用研究[J].武汉理工大学学报,2008,(12).
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