鉴于Internet的虚拟实验室的研讨

一、虚拟实验室的研究背景

网络的出现改变了人类的生活方式，大大提高了人们通信的效率和速度，使得不同地域的人们可进行实时对话。作为教育本身来说，为了给社会培养更多的高质量技术人才，其教学模式必将随着通信手段的提高进行相应的改进，如何利用Internet进行网络教学已成为近年来各国教育界的重要研究课题。其实远程教学很早就开始了，如函授大学、电视大学等，只是由于现代的WWW技术给远程教学提供了前所未有的交互性和巨大的资源共享潜力，远程教学最近才得到如此重视。尽管目前人们对基于WWW的远程教学模式还不是完全清楚，但有一点是确定的：基于WWW的远程教学在不久的将来会成为一种重要的教育模式。作为一种教育模式，现代远程教学应该是教师、学生、教学内容、教学媒体四要素的综合体现，是在WWW环境中展开的教学活动的稳定结构形式。与现代教育一样,现代远程教育也应强调培养学生的能力、素质与创造性，要求学生能灵活地掌握知识，其教育理论和学习理论应建立在建构主义基础上，强调以学为中心的教学模式。该教学活动应重点考虑以下三方面：要在学习过程中充分发挥学生的主动性，要能体现出学生的首创精神；要让学生有多种机会在不同的情境下去应用他们所学的知识(将知识“外化”)；要让学生能根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案(实现自我反馈)。以上三点，即发挥首创精神、将知识外化和实现自我反馈可以说是体现以学生为中心的三个要素，是培养现代人才的必备条件。

然而，从目前的远程课件来看，其网上素材基本分为两类：静态与动态。静态素材一般是将书本、教案等以静态的形式放于网上；动态素材一般是在静态素材中出现的一些动画表现。虽然后者以动画的形式表现，但并不具备可变性，不能给学生提供真实的情景，很难达到以上的三点要求，即很难保证学生的质量。对于计算机专业来说，学生的大部分能力都是通过实验得到的，真实的情景是现代远程教学质量提高的关键。基于此,网上实验已成为远程教学研究的重要方面，而且已有很多成果出现。ICHIGAN大学为操作系统和高级语言课程建立了网上系统实验室，其实验都是基于软件环境的，不涉及硬件模拟；PURDU大学建立了一种交互式的网上学习环境：学生可在网上做一些简单的交互式硬件实验，但由于其代码是用JAVA语言编写的，其实验的复杂度受到一定的限制。然而，对于计算机专业来说，其中很多实验计算量相当复杂，例如处理器设计、复杂电路设计等，要完成真实的实验过程，这些计算量在客户端利用APPLET在执行时间上是难以接受的。

针对目前网上实验存在的问题，在实验教学过程中，结合实际情况我们研究设计了《计算机组成原理》虚拟实验室。从理论上讲，《计算机组成原理》虚拟实验室的研究是对传统实验教学模式的一种改革，为打破传统模式的局限性，提高实验教学质量，促使实验教学由实物实验教学向虚拟实验教学、远程虚拟实验教学发展，提供了最佳解决方法。《计算机组成原理》虚拟实验室将远程教育的概念引入到实验教学之中，结合强大的网络功能，使得以虚拟现实技术为基础的网络虚拟实验室资源以及虚拟实验室仪器设备等资源的共享成为可能，它允许人们通过网络访问和使用自己没有的设备资源，使得处于不同地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验操作，实现用户信息的协同共享，同时可以及时的接触到最新的仪器。

在实践意义上，《计算机组成原理》虚拟实验室通过网络设施建设和实验教育应用功能的开发、通过运用现代先进的计算机技术来改善实验教学环境，建立与现代信息技术相融合的网络实验教学系统，及时更新教学内容，高效率传播先进的科学技术，普遍提高学生实验操作能力，从实践中培养学生的创新能力。项目的研究和实施将极大缓解实验设备经费、实验教学人员不足，实验教学内容更新缓慢等问题。极大提高学生的学习兴趣和实验操作能力，从实践中培养学生的创新能力，并有助于校际之间、学校与科研院所之间、学校与企业之间及学校与社会之间实验资源的交流和共享。

二、虚拟实验室方案研究

1、功能架构

《计算机组成原理》虚拟实验室构建了高等院校计算机组成原理的网络实时虚拟实验平台，提供了运算器、控制器、静态和动态存储芯片、译码电路芯片、以及其它可编程芯片和常用的门电路逻辑芯片，可进行计算机组成原理的设计与虚拟实验。并且在相关汇编编译系统及监控程序的配合下，同虚拟实验电路一起，可实现更为高级的应用。《计算机组成原理》虚拟实验室提供了高校实验室的相关管理功能，包括实验资源及信息的网上，实验演示，学生实验报告的编写、实验报告的提交汇总、教师对实验报告的批改和评分管理，以及教师在线实验答疑等主要功能；虚拟实验室还提供了网上理论知识测试功能，有助于提高学生或其他使用者的理论知识水平，使得学生及其他使用者在计算机组成原理的理论和实践这两个层面上都能够得到较好的提高。整个虚拟实验室通过网络设施建设和实验教育应用功能开发，构建一个集实验教学、演示、操作、指导、结果提交管理为一体的数字化实验教育环境，具体功能如图1所示。

2、具体实现

（1）外部接口

《计算机组成原理》虚拟实验室平台采用易于扩展及平台移植性好的Java语言实现，利用ASP实现实验室的管理功能。虚拟实验室平台可运行于安装Java虚拟机的各种平台，管理系统则需要IIS的支持。

《计算机组成原理》虚拟实验室主要用于高校计算机组成原理实验，面向广大学生和教师，其顶层图如图2所示：

（2）内部接口

《计算机组成原理》虚拟实验室基于硬件和软件虚拟的特殊性质，采用了多种结构以支持电路的实验设计和有效运行，从总体上主要划分为三大模块：虚拟时钟、电路芯片、电路板连线。由虚拟电路板对三大模块进行协调配合运行。虚拟时钟和电路芯片采用线程结构以提高运行的实时性，通过连线进行逻辑信号的实时传送，以实现与真实电路相同的效果。

三、结论

在虚拟实验室中通过鼠标的点击及拖曳操作，用户可以方便地进行虚拟、仿真实验。虚拟实验室具有透明性、互动操作性、资源共享性、用户自主性、可扩展性、安全性等特点，能真正突破地域和时间的限制，达到远程实验教学的目的，它在教育、科研等领域中具有广阔的应用前景，是实验教学改革的一个新发展方向，也是今后远程教育发展的主流与趋势。

参考文献：

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