基于网络环境的计算机基础虚拟实验室开发

文/孙连科

由于在传统实验室进行计算机基础教学的硬件实验，受到空间、时间、硬件设备等因素的限制，为了有效解决该问题，设计一个基于VRML 技术，结合3Dmax 建模工具， 以及javaScript、asp、Access 数据库等工具，实现基于网络环境下的计算机基础课虚拟实验室系统。

摘 要

【关键词】网络 虚拟实验室 硬件展示 硬件组装

1 引言

高等院校教学活动中实验是不可缺少的教学环节，实验对于培养学生的综合素质和实验技能都至关重要。在以往的计算机基础教学中，由于受到教学条件的影响和硬件设备的限制，教学中涉及硬件的实验很多是纸上谈兵，通常是介绍CPU、主板、内存、显示卡以及一些常见外部设备的型号品牌、技术指标等，即使做实验大多也是用一些过时、淘汰、破旧的设备进行学生不感兴趣的实验练习，学生的实际操作技能得不到训练和培养。当学生毕业后走上工作岗位遇到计算机故障时，由于缺乏实际动手能力，再加上计算机软、硬件的不断更新，所以学生感到无从下手，根本解决不了计算机的故障。为了改变现状，使学生能适应社会，建立基于网络的虚拟的计算机基础硬件实验室，改变传统实验教学模式的局限性，这样不仅可以降低教学成本，而且可以不断扩大实验范围和实验科目，实现资源共享，提高实验教学质量，才能培养出合格的应用型人才。

2 计算机基础虚拟实验室实现方案

2.1 虚拟实验室特点和实验内容

计算机基础虚拟实验室创建一个基于

Web 的可视化三维环境，系统提供常见的计算机硬件三维模型，并且对颜色、接口传感器感应点等配置相应参数，将每一类可视化的三维物体抽象成一种实验对象。学生或教师通过注册登录进入虚拟实验室，通过操作鼠标、键盘进行虚拟实验，完成实验任务。这种设计理念，不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器设备进行安装、调试。组建基于网络环境的开放式计算机基础课虚拟实验室，主要完成非计算机专业计算机基础课程所涉及的计算机硬件方面的基本实验。主要包括如下内容：

（1）三维立体展示当前最新的计算机硬

件并配以文字说明，主要有主板、CPU、内存、硬盘、显示器、打印机、扫描仪、光驱、键盘、鼠标等。

（2）完成微型计算机组装实验。

（3）以二维网页的形式完成计算机网络组建实验，主要完成局域网组建、网线制作、路由器配置、ADSL 连接配置实验。

（4）计算机基础课虚拟实验的教师管理。

2.2 系统实现方案

本项目基于VRML 技术，结合3Dmax 建模工具，以及javaScript、asp、Access 数据库等工具，实现基于网络环境下的B/S 结构的计算机基础课虚拟实验室系统。

（1）根据系统总体框架设定各个模块的基本功能。

（2）构建三维虚拟实验环境。虚拟环境

建模主要是三维视觉建模，使用基于VRML组件技术封装该模型，使得虚拟器件具有良好的独立性、扩展性和重用性。再适当地配备声音辅助实验中的交互效果，增加实验的真实性。虚拟实验的建模涉及到实验环境和实验设备两方面的建模。

① 简单模型的创建。

对实验室、实验台等本身结构不太复杂的模型直接利用VRML 来建模。综合运用VRML 语言中的Transform、Scale、Box、Cylinder 等实现造型。由于用VRML 建模形成的文件很小，这样有利于网上传输。

② 复杂模型创建及优化处理。

由于主机、主板、内存、显示器、显卡、打印机、扫描仪等结构比较复杂，直接用VRML 语言完成困难，选用专业三维建模软件3DMax 进行建模。由于3DMax 对元器件描述的精度高，经VRML 转换后形成的VRML文件存在大量垃圾代码，必须对该代码进行优化处理，经过处理后的文件再通过VRML 进行调用。

（3）交互式虚拟实验的实现。交互操作

主要是基于事件驱动的，如鼠标单击、双击、右击、拖拽、键盘事件等，以及摄像机的位置变化等形式。通过定义接触传感器结点，确定部件间关联关系，通过详细的三维模型展示内部构造，并以动画、图文相结合的方式，介绍硬件工作原理，形式直观，易于非专业学生理解。虚拟实验过程通过接触传感器节点(TouchSensor)、VRMLScript 编写的脚本程序实现。在各个需要交互控制的物体上，定义一系列的TouchSensor 节点，相应的实验都要针对这些节点进行控制执行。将用户的输入经过程序转换，输出到特定的对象上，从而实现交互过程的完成。

（4）网上发布。将构建完成的三维场景进行集成，与网上其他媒体素材合成，形成一个控制方便、界面友好的虚拟实验环境。把虚拟实验放在Web 服务器上，用户通过互联网就能对虚拟实验进行远程浏览和交互操作。开发步骤简单概括为：利用3Dmax 建模→导出模型文件→ VRML 编辑→发布输出到Internet。

3 系统主要功能模块设计

3.1 学生实验操作模块

学生经过注册后，才可以登录进入虚拟实验系统。学生可以浏览虚拟硬件设备、选择实验项目进行实验操作并可以填写提交实验报告供教师查阅和评分。系统还提供软件下载的功能以及用于学生和教师之间的交流疑难解答模块。

3.2 教师管理模块

实验管理由教师承担，只有通过审核的教师，方可进行实验器件库元器件的增加、删除、修改，更新并进行虚拟实验项目的制定和管理工作。教师管理的数据库包括实验管理库和学生成绩管理库。教师将实验目的、实验任务以及实验要求等信息存储 .验管理库中，供学生调阅。教师可以选择学生的实验报告进行浏览、评阅，并将成绩存入学生成绩管理库中。

4 结束语

本文对虚拟实验室的设计进行了总体分析，将学生一步步带入计算机基础课程涉及的硬件实验DIY 世界的大门， 学生可以从最基本的计算机硬件实验入手，在操作中掌握计算机硬件的有关参数与性能，使学生全面掌握计算机硬件基础知识及系统的安装与调试方法，从而提高学生的操作技能。

作者单位

●      沈阳工程学院　辽宁省沈阳市 110136本论文研究内容是辽宁省教育科学“十二五”规划立项课题，课题名称是《基于网络的计算机基础虚拟实验室研究与建设》，课题编号:JG12DB365。