虚拟计算机实验系统研发综述

随着科学技术的快速发展，计算机已经日益成为人们工作与生活中必不可少的设备。但是受到成本、场地、维护等各方面的制约，在实际计算机教学课程中却不能做到每个学生都能够进行实践操作。在这种背景下，设计研究并实现虚拟计算机实验系统就显得非常具有积极意义，因为虚拟计算机实验系统能够通过对现实实验的模拟，使操作者完成与实际操作相同的实验过程，并得到精确的实验结果。

一、虚拟计算机实验系统研发的意义

首先虚拟计算机实验系统能够将实验室设备的损坏情况大幅度降低。由于参与计算机实验教学过程的学生都对实验项目的过程或是关键点并不熟悉，从而极易对实验设备造成损坏。而通过虚拟计算机实验系统，则能够使学生在操作真实设备以前，预先对虚拟实验项目进行多次、重复的高仿真练习实验，并从中直观地认识到操作中容易出现错误的地方同时及时纠正，学到正确的操作方式与丰富的实践经验。这样一来，当学生再对真实设备进行操作时，就能够做到心中有数，降低设备的损坏发生情况。其次虚拟计算机实验系统能够将教学效率大大提升。由于计算机项目的实验往往涉及设备多，整个流程呈现较为复杂化的特征。所以在实施计算机项目实验教学过程中，如果使用传统的实体教学，那么授课教师为保证授课质量，只能单独或是小范围内对学生进行辅导与纠正，这样就影响到了教学的效率，而利用了虚拟计算机实验系统以后，授课教师就能够在系统中统一将实际操作中容易出现偏差的步骤与内容直观地显示出来，使学生加深记忆，可同时向全体学生进行展示与进一步说明，大大提升了教学的效率。另外在计算机实验项目中，学生往往要花费大量的时间在硬软件安装之上，使得真正教学的时间被压缩，也从另一个角度导致了教学效率的低下，而虚拟计算机实验系统则不存在这个问题，使得教师能在合理的课堂时间内，尽可能多地去对实验操作中的一些问题与授课内容进行详细讲授，提高了授课效率。最后则是虚拟计算机实验系统节约了相关成本。要建一个设施完善、设备数量能够供大量学生同时学习的计算机实验机房的建设成本与维护成本都是相当巨大的一笔支出。但如果使用虚拟计算机实验系统，安装相应的软件并保证其正常运行，就能够解决这一问题，计算机实验室不再需要花重金购进大量计算机硬件设备。虚拟计算机实验系统不但能够重复安装，而且能够实现大量学生同时实验操作的目标。除此之外，使用虚拟计算机实验系统以后，由于是处于高度仿真的条件之下，这就让学生在进行实践操作的时候，能够减少怕损坏实验设备的想法，从而更好地激发学生的自主创新能力。基于上述这些方面的考虑，设计并研发一套完整的虚拟计算机实验系统的需求是非常迫切的，而虚拟计算机实验系统的设计则也向着多元化，能够为各学科服务的系统，如生物、物理、化学等等，以增加其适用性。

二、虚拟计算机实验系统设计研究与实现

（一）设计目标

整个虚拟计算机实验系统对系统功能、系统结构、系统数据图与数据字典进行设计，从而使设计出的方案能够实现包括使系统始终处于稳定、安全、可靠的运行状态；易操作、易维护、易安装；单独设置用户权限，从而加强保密性；能够管理用户基础信息；人机对话界面友好，信息显示直观，数据存储功能强大。

（二）设计内容

1.系统功能虚拟计算机实验系统的设计总体以模块方式组成，其中起到主要作用的模块有：学生功能模块、教师功能模块以及管理员功能模块。它们根据权限的不同，分别担任了不同的职责，如学生功能模块的内容有用户登录、选择实验项目、提问与上传实验结构等；而教师模块的内容则是对实验程序及学生信息进行查询、学生信息与个人信息的管理等；管理员模块则对实验进行评估打分、教师学生信息的管理、班级信息的管理以及实验模型的管理与导入等，即图1。虚拟计算机实验系统高度仿真了各类计算机电路系统与硬件设备，显示直观，学生能够根据课程的需要对电子设备进行任意选择，同时借助鼠标来实现对电子设备连接等操作，而系统则根据学生所选择的电子设备的连接方式作出仿真虚拟运行，后将虚拟操作实验中的相关数据返回传输至显示设备，使学生直观地从显示设备中了解实验中各种连接方式的运行效率、状态与数据。

2.系统结构虚拟计算机实验系统的结构由三类组成，分别是管理员用户、教师用户以及学生用户。它们之间的互相连接全部以实验室虚拟的模型数据库为基础而实现，即图2。在整个系统结构的设计上，为保证虚拟计算机实验系统的运行稳定以及为用户提供简便的操作方式，因而将模块尽量分开作为单独运行状态，它们之间除了基础的数据交换以外，并无其他形式的代码连接，从而使得所设计的整个系统体现出即插即用且不影响整体运行的特点。

3.数据流图该系统中的数据流图作为一个模型工具，它起到的是对系统主要的处理逻辑进行表述以及分层的作用，并分为细节图、零级图与总体图三个层次，即图3。

4.数据字典数据字典在虚拟计算机实验系统中起到了对数据流图进行更深层次描述的作用，数据字典与数据流图结合就能够将整个虚拟计算机实验系统进行精确描述。

5.数据库设计所谓数据库就是指以用户需要为基本依据，对数据库结构进行设计，同时将数据库建立起来的一整个过程。通常来说物理设计、逻辑设计与概念设计是数据库设计的三个关键步骤。其中物理设计就是选择最适合具体任务的存取路径、存取方式与物理储存结构；而逻辑设计则是设计出能够对特定数据库管理任务进行适应与支持的逻辑模式；整个虚拟计算机实验系统中数据模型的基础就是概念设计部分，它具有更佳的稳定性。

（三）系统测试

通过上述对设计的虚拟计算机实验系统设计目的、内容的介绍后，下面简单阐述一下该系统相关功能的测试过程，该虚拟计算机实验系统所使用的测试方式为黑盒测试：首先该系统将计算机实验室的局域网作为其运行工作环境，配置硬件包括IBM商用机与微机，TOMCAT5.0作为其Web的服务器配置，使用VS2005语言与UltraEdit编辑器组合进行编程，MicrosoftSQLServer2005作为其数据服务器，操作平台则为Windows2000AdvancedServer。其测试步骤为：首先虚拟计算机实验系统的管理员借助数据录入模块功能，建立数个用户信息于数据库中，学生登入系统，从而对登录功能与数据库连接实现测试，而后学生对实验进行任意选择，将虚拟电子设备通过拖拽实现连接，分别在正确或错误连接时观测系统反馈回来的信息，然后学生将实验结果上传至数据库，教师对学生的实验结果进行管理。

通过以上一系列测试步骤，我们所得到的系统功能测试结果中，用户登录及数据库的连接、实验的选择与下载、虚拟电子设备的连接、在线交流功能、实验结果上传、虚拟电子设备与实验导入等测试结果均表现良好，并在其后将近一个月的测试实验中，管理员与用户对整个系统的各个模块实施了更进一步的应用实验操作，均达到了设计所要求的目标。除此之外，该系统的操作简便性与信息反馈的及时性，也从某种角度上提升了学生的自主创新能力，由于是虚拟仿真操作，所以学生并不需要为是否会损坏电子设备而担心，使他们更为大胆地对自己的想法进行实践操作，经过一段时间的运行，学生与教师反应良好。

三、结语

综上所述，在现代计算机课程的实践教学中，不管是从教学效果或是教学成本上来看，设计研究并实现虚拟计算机实验系统是非常有必要的。该系统不仅能够解决院校在计算机投资与维护上的成本，而且能够为学生用户提供简便的操作方法，同时直观、有效地将虚拟实验结果及时地在显示器上进行反馈，使学生对于在操作中的各类正确或是错误的操作能够一目了然，也使教师能够更有针对性地对学生进行辅导，从而做到有的放矢。这样一来，也从一定程度上减少了教师的教授课工作量，更能够使教师集中精力为学生讲授疑难问题，从而大大提升教学效率与质量。