篇一：网络虚拟实验室的设计
网络虚拟实验室的设计
摘要:本文分析了网络虚拟实验室的设计原则和目标,介绍系统的网络结构和软件架构,并对其应具有的功能进行了阐述,最后给出系统的总体功能模块设计。
关键词:网络虚拟实验室;网络结构;软件体系结构;功能分析和模块设计
在教学活动当中,实验教学是将理论知识与实践活动、间接经验与直接经验、抽象与形象相结合的教学过程,相对于理论教学更具有直观性、实践性、吸引力和创新性,对于学生全面掌握专业知识、将课本知识转变为实际经验、培养科学的思维能力和创新能力发挥着至关重要的作用。但在教学实验中,有些实验设备价格昂贵、损耗大、实验成本高。因此,需要一种能够实现实验设备资源共享、模拟仿真实验结果的技术。虚拟实验主要依托的是虚拟现实、虚拟仪器技术,它给实验者带来的实验效果逼真感和操作现场感都是其他的模拟仿真所无法比拟的[1]。它能够使用软件模拟硬件的行为和特性,使实验者在计算机上通过纯软件就可以进行实验,而且可达到现实中仪器实验的效果。基于实验教学本身的重要性,以及现实需求的紧迫性,在网络技术飞速发展的今天,结合当前的网络技术开展网络虚拟实验已成为一种必然,网络虚拟实验室应运而生,并在今后的远程教育中发挥越来越重要的作用。
1网络虚拟实验室设计原则与目标
1.1设计原则
网络虚拟实验室系统根据实验教学大纲和课程大纲的要求,依据科学性、实用性、易用性、经济性和艺术性的原则来设计。充分结合虚拟仪器技术、3D模型构建技术、3D实验场景构建技术、Web技术和数据库技术构建人机交互良好、技术感强、场景生动逼真、具有高度吸引力的虚拟实验环境,最大限度调动学生的主观积极性和创新精神,使学生能够在虚拟实验中验证所学的理论知识,提高应用知识的能力和实际动力能力[2]。
1.2系统设计目标
网络虚拟实验室系统的总体目标是设计实现一个基于互联网的虚拟实验室环境,采用3D技术、虚拟仪器技术、Web技术和数据库技术相结合的方法,利用Java语言编写实验平台,构建一个网络虚拟实验室系统,使实验者可以通过虚拟实验室进行计算机网络等相关课程实验,实验教师可以对实验者的实验情况进行跟踪分析[3-4]。该虚拟实验室系统具有可视化、交互性、资源共享、安全性等特点和生动逼真的实验环境,它符合实验教学大纲的要求,有助于学生对实验原理以及相关实验知识进行深刻掌握;它营造了一个逼真的实验环境和友好强大的交互氛围,使虚拟实验可以获得如现实环境实验一样的结果。
篇二：基于校园网络的虚拟实验室的构建及应用
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基于校园网络的虚拟实验室的构建及应用 作者：孙慧影
来源：《课程教育研究·下》2015年第02期
【摘要】随着虚拟现实技术和校园网络的发展，社会对高校学生的实践能力越来越重视，使建立虚拟实验室成为可能。针对传统过程控制实验教学的限制，学院引入了虚拟实验室的概念。本文着重介绍了基于校园网络的组态王虚拟实验室的特点及设计思路，概述了虚拟实验室的网络框架，对学院过程控制虚拟实验室的建设进行了初步探讨，在此基础上对虚拟实验的前景有了明确的认识，它是一种有效的辅助实验教学手段。
【关键词】虚拟教学 校园网 组态王
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）02-0048-02
一、传统过程控制实验教学现状
知识经济时代的到来，使教育改革的步伐也越来越紧迫，实验教学改革也是教育改革中非常重要的一部分。为了提高学生学习的主动性和积极性，增强动手能力，有必要将新的计算机技术、多媒体技术、网络技术合理的运用到实验教学中，对传统的实验思维、实验方法、仪器用具、数据处理与误差分析等方面进行合理的改革，从而培养具有一定探索精神和自己解决问题的学生。这也是虚拟实验概念应运而生的另一个背景。
二、虚拟实验教学的发展脉络及构建虚拟实验室的相关技术原则
虚拟实验室描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。
虚拟实验室实质上是一个分布式计算机系统，在虚拟仪器中计算机处于核心地位，运用计算机软件技术和数据库系统紧密地结合在一起，形成一种既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。本研究结合虚拟实验教学的现状以及存在的问题提出基于校园网络的虚拟实验教学的设计思路，并成功的应用于实际教学中。
三、用组态王设计虚拟实验室的思路及特点
组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件。组态软件开发的系统具有与Windows一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织和管理。
组态王是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它充分利用了
Windows图形功能设备，界面一致性好，易学易用。它所使用的PC机开发的系统工程比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，同时还具有功能完备的人机接口界面和面向对
篇三：网络虚拟实验室研究
安阳师范学院本科学生毕业设计报告
网络虚拟实验室研究
作 者小星星 系（院） 物理与电气工程学院
专 业 电子信息工程 年 级2009 学 号 091153017 指导老师小星星 日 期 2011.06.02
学生诚信承诺书
本人郑重承诺：所呈交的设计报告是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，报告中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在报告中作了明确的说明并表示了谢意。
签名： 日期：
报告使用授权说明
本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位报告的规定，即：学校有权保留送交报告的复印件，允许报告被查阅和借阅；学校可以公布报告的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存报告。
签名： 导师签名： 日期：
网络虚拟实验室研究
小星星
（安阳师范学院 物理与电气工程学院 河南 安阳 455002）
摘要：实验平台的建设是实验教学系统及实验教学内容改革的基本措施，通过分析目前电子类实验室平台建设存在的缺陷及建立网络虚拟实验室的必要性，阐述了建立网络虚拟实验室是建立开放型、创新型、先进型、易管理及维护型实验室的良好选择，并就网络虚拟实验室架构进行了有益的探索。
关键词：网络实验室；建设；框架；虚拟实验室
1 引言
随着电子技术的不断发展, 电子类课程在高教中的地位日趋重要。而作为该类课程教学重要组成部分的实验教学，也越来越受到了人们的重视。它对于提高教学质量，培养学生的实际动手能力及创新思维能力具有无可比拟的作用。长期以来，高教研究者、工作者一直为此探索，并希望找到一个行之有效的方法。为此，人们借助现有的电子技术手段，建立了多种门类的实验平台（如电路分析实验室、模拟电子线路实验室、数字电路实验室、信号与系统实验室等），并在此平台上建立Proteus的网络虚拟实验室，它是建立开放型、创新型、先进型、易管理及维护型实验室的良好选择，并就Proteus的网络虚拟实验室架构进行了有益的探索。它能够非常明显降低产品的开发时间并降低开发成本，明显提高学生的综合设计能力及创新开发能力。
2 设计任务
本设计的基本任务是使用计算机仿真技术，由计算机网络硬件平台（或一台计算机）、一套电子仿真软件，再加上一本虚拟实验教程。通过计算机网络系统，利用开发周期短，成本低的特点，同时又具有很强的兼容性和扩展性，能大大提高仪器的使用效率的特点。以虚代实、以软代硬，就可相当于一个设备先进的实验室。
3 网络虚拟实验室建设的必要性
3.1 现有实验室存在的问题
目前，现有的电子类实验室大多存在以下问题：
(1) 不利于管理及维护
现有电子类实验室种类多、如电路实验室、电子线路实验室、数字电路实验室、单片机实验室、微机原理实验室、ARM实验室（或嵌入式系统实验室）、信号系统实验室、数字信号处理实验室等,在每一类实验室中，设备种类多、数量大（如:各类信号源设备、各类测试仪器仪表、各种实验箱等）。种类繁多的设备，加上分批进行的学生实验，对于有限的师资力量而言，有效的管理及维护无疑成为十分艰巨的任务。
(2) 不利于保持实验室的先进性，也不利于保护前期的投资
由于现代电子技术的飞速发展，各种新设备、新器件层出不穷，这就往往造成这样一种现状，某一种实验设备可能刚到用户的手中就面临落后的，就更不用说在2-3年后被淘汰是多么的正常。因此，基于硬件设备手段建立的实验室面临着随时可能落后的现状，要想保护其前期投资更是难上加难。
(3) 不利于提高实验效果
现有电子类实验室大多采取一种封闭式的实验教学模式，即在规定的课时时间内，学
生在规定的场地内，进行规定的实验内容（由于实验设备能力的限制造成），这种封闭式的实验教学模式，一方面由于时间及场地的限制，往往造成学生不能有充够的时间深入了解及研究实验的内容，学生对实验的兴趣也被这些限制所扼杀。另一方面，固定式的验证实验内容也限制了学生的思维空间，扼杀了学生创新思维能力的培养。因此，其实验效果很难提高，这种做法实际上背离了现代实验教学改革中提出的“优化课内，强化课外”的实验教学意识。
(4) 实验内容彼此孤立，不利于培养学生“从概念到产品”认识的形成
现有的各种电子类教学实验，基本是进行固定程序式的验证式实验，实验所用的元器件，线路板已选好，学生所做的工作仅是对实验箱连连线，使用一下测试仪器、仪表，建立学生的相应概念而已。很难满足现代实验教学改革提出的三个实验层次即“基础性实验、综合性实验、创新性实验”的目标，目前的实验平台不能满足这样的训练，即：学生从有一个概念（或想法）开始，然后着手电路原理图的设计、编写程序代码、调试、PCB设计，最后形成产品的整个开发过程的训练。学生通过传统实验手段所得到的训练是片面的、局部的，其对产品开发过程的认识并不深刻，这也是导致学生所学不能所用的根本原因所在。
(5) 不利于开展创新性研究，不利于培养学生的实验兴趣及创新思维能力
开展创新性研究的前提是实验环境的丰富资源及其灵活可变性。但目前基于硬件的实验平台往往采取一种定式的实验或研究环境，即教师只能在有限的几种器件或线路实验板之上进行实验内容的设定或研究，学生也同样如此，这对于开展创新性研究极为不利。
学生对某一课程实验的兴趣往往需要一段较长时间的培养才能产生，但现有的课程实验由于场地不能随时、随地对学生开放，并且开放的时间也非常有限，这就不能激发学生的实验兴趣，另外其创新思维能力的培养也受到同样的限制。
3.2 网络虚拟实验室概括
利用计算机仿真技术，在计算机网络平台上，学习电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）、微机原理与接口技术等课程，并进行电路设计、仿真、调试等通常在相应实验室完成的实验。一个计算机网络硬件平台（或一台计算机）、一套电子仿真软件，再加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，即为虚拟实验室的本质。
Proteus实验室采用Proteus仿真软件和相应的硬件平台构成一个从虚拟到实际，从软件到硬件，从概念到产品的全过程设计的多功能实验平台。它主要用于电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）等课程的实验、研究等等。
3.3 网络虚拟仿真软件简介
Proteus是一种功能强大的电子设计自动化软件，提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。其不仅可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等，而且可以仿真嵌入式系统的实验，其最大的特色在于可以提供嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）的仿真实验，这也是其它任何仿真软件无力所及的。例如，其支持单片机和周边设备，可以仿真51系列、8086、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。在编译方面，它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。
4 网络虚拟实验室的优点
网络虚拟实验室的主要优点总结如下：
(1) 多功能型实验室
其不仅可以仿真电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验，而且可以仿真嵌入式系统的实验，其最大的特色在于可以提供嵌入式系统（单片机应用系统、ARM应用系统）的仿真实验。因此，它完全可以称之为一个多功能的实验平台。
(2) 开放型实验室
由于其硬件是基于网络平台的，如一个单位内的局域网、或企业网、或校园网（或单机板，基于一台PC）或Internet用户。因此其实验用户可以不受传统实验室的时间、空间、及实验内容的限制。用户可以跨越时间、空间及实验内容的约束，尽情释放自己的实验兴趣及创新思维，此外，这也使得设备的利用率得到最大的发挥。
(3)先进型实验室
由于网络虚拟实验室主要由其Proteus仿真软件实现，其内置：
①万种以上的元器件（数字的、模拟的、交流的和直流的）及多达30多个元件库； ②多种现实存在的虚拟仪器仪表，如示波器、频谱分析仪，电压表、电流表、图表分析、逻辑分析仪、虚拟终端等。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，可尽可能减少仪器对测量结果的影响。
③丰富的测试信号源用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 ④先进的混合仿真系统（SPICE电路仿真器+数字仿真器+MCU仿真器）。这是一个组合了SPICE3F5模拟仿真器核、基于快速事件驱动的数字仿真器及MCU仿真器的混合仿真系统，SPICE的使用使得您能够采用数目众多的制造商提供的SPICE模型，目前该软件包含了6000多个模型。
这些先进的内置配备，使得其能够成为先进的实验室。
另外，软件还许可用户自己定制器件模型，英国Labcenter公司也能够为用户制作，除此之外，软件的不断升级也可保证其器件模型同当今世界的电子技术发展同步，以上所有这些均极大地保证了实验室的先进性，并可在相当长的时间内保持其先进性。
(4)创新型实验室
Proteus仿真软件内置的丰富资源为进行创新型实验研究奠定了基础。其仪器仪表、信号源、元器件、器件模型一应俱全，教师可以在此开展创新实验内容的研究，设计创新实验内容，学生也可以在这里开展除规定实验内容之外的个性化实验研究、创新开发研究。在这里没有时间限制、没有空间的限制、没有元器件及线路板的限制，人们可以展开自己想象的翅膀，尽情飞翔在创新的空间之中。
(5)易管理、维护型实验室
由于其核心为Proteus仿真软件，因此，其实验是无损耗的，其管理、维护也就是用户帐户的管理、软件的安装及更新而已，这极大地降低了教师的设备管理工作量，使得教师可以有更多的精力投入到实验内容的创新研究之中出。
(6)低投入、高回报型实验室
同传统实验室建设相比，网络虚拟实验室建设可以称之为低投入、高回报型实验室。用户只需建立相应的计算机网络平台（也可使用已有的计算机网络平台），外加购买一套Proteus网络板软件，少量的实验验证板即可而已。实验室的维护费用几乎为零，同时，建立这样的实验室一个却可以同时起到多个实验室的功效（如电路分析实验室、模拟电路实验室、数字电路实验室、嵌入式系统实验室（单片机应用系统、ARM应用系统）、微机原理与接口技术实验室等）。
5 网络虚拟实验室架构
5.1 平台架构
基于Proteus仿真软件的实验平台架构如下图所示：
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