计算机虚拟仿真实验系统及其优势

计算机虚拟仿真实验系统及其优势

刘晓东

天津市河西区职工大学 300203

内容摘要：随着计算机技术的不断发展，计算机实验成为计算机教学中的重要课程项目。传统的计算机实验环境以真实硬件设备为基础，学生通过对真实设备的操作完成实验。然而在这种模式下，虽然有较好的真实硬件环境，但由于诸多条件限制，很难建立一个满足大量学生使用的高性能实验室。本文提出计算机虚拟实验系统，该系统对现实的计算机实验环境进行仿真，能够在最小经济代价的条件下完成复杂的计算机实验；该系统能够根据实际需要，自行加载虚拟设备和实验项目，学生在微机上，通过仿真程序就可以完成多数计算机实验项目，以较小的代价实现了复杂的计算机实验操作，具有广泛的应用前景和实际价值。

关键词：计算机实验；虚拟系统；多线程；仿真

一、问题的提出

在计算机教学中，实验是一项重要的教学指标。通过实验，学生能够更好的掌握理论教学中的基本原理和概念。就计算机实验而言，在许多情况下，需要的硬件设备水平比较高，为了满足实验要求，实验室中的所有设备必须达到较高的标准。一般而言，学校里同一时间需要进行实验的人数是比较多的，为了确保实验质量，必须为每个学生配备实验仪器。同时，维护大量的实验室设备也需要大量的开销，实验室工作人员需要定期对设备进行检测更新。在个别情况下，如果更新不及时，则会有学生无法正常实验，影响了实验效果。因此，建设一个可以容纳大量学员的实验场地是十分昂贵的。

其次，现实中的计算机实验环境对教师的要求较高。教师需要负责实验设备检查、实验过程说明、实验难点分析、突发情况解决办法以及作业布置等任务。一般而言，一个实验室由一个或者几个老师负责，而学生一般有十几或者几十。为了实验的正常进行，老师需要回答并且解决每个学生的问题，对于同样的问题可能会回答若干遍，这就大大影响了实验效率。

最后，对于计算实验而言，学生需要在真实的计算机设备上进行操作。对于一些错误操作可能会引起实验设备的永久性损坏。计算机设备自身比较昂贵，如果异常损坏较多，将对实验室的整体实验能力产生影响。

综上，虽然计算机实验是计算机教学中的重要组成部分，建立现实的满足大多数人需要的实验室环境是困难的。基于此，本文将研究计算机虚拟实验模拟训练系统。

二、研究内容和目的

（一）研究内容

通过研究，建立一套计算机虚拟实验模拟训练系统，使其通过虚拟现实的方法，模拟现实中的实验项目。通过该系统，实验者可以完成和现实环境下一样的实验项目，甚至可以在很轻松的条件下得到实验结果。

具体而言，在本系统中将实验课程导入到电脑中，学生以电脑为媒体，通过虚拟的方式对各项实验进行操作。在虚拟实验系统中，实验者可以像在真实环境中一样完成各项预定的实验项目。

（二）研究目的

1.节省实验室的建设费用

如前所述，建立一套完善的、现代的、适应大量人数的实验室平台的代价是巨大。而对于计算机虚拟实验模拟训练系统而言，除了软件之外，只需要能够转载运行该软件的微机而已。该软件能够模拟任意的实验项目，使用该软件，实验室不必购买显卡、CPU、磁盘阵列等高费用的设备。一套软件可以重复安装，因此，使用该系统可以适应大量的学生同时进行实验的要求。在同时，虚拟环境下，不必考虑设备的损坏问题，学生可以发挥各种想法对实验进行操作。

2.提高教学效率

计算机实验涉及了多种设备，是一个比较复杂的过程。在学生进行现实实验时，需要教师对他们进行持续的辅导。而在虚拟实验环境下，教师可以通过软件的方式对所有的需要注意的地方进行标识并给出解决办法，这将大大提高实验的教学效率；其次，在现实环境下，由于实验自身的原因，实验参与者不得不花费大量的时间进行等待，例如操作系统的安装、CPU或者内存等设备的拆卸等。而在计算机虚拟实验系统中，所有的时间等待的过程将被省略，这就缩小了实验的时间花费。

3.减少实验室设备损坏的概率

对于计算机实验者而言，他们在实验过程中损坏计算机设备的最主要原因是对实验过程不熟。通过虚拟训练系统，学生可以在使用真实设备之前就实验项目做多次仿真实验。从实验中吸取正确的经验并舍弃错误的操作。通过虚拟实验系统上的多次验证，对于真实设备的操作将变的得心应手，这就大大地减少了设备损坏的概率。

综上，计算机虚拟实验模拟训练系统能够减少实验室的建设费用、提高教学质量和效率，具有很强的实际应用价值。研究这样的系统还可以为其他实验系统做铺垫。按照本文的构建过程和设计方案，可以设计并实现面向其他领域的虚拟实验训练系统。例如：物理虚拟实验模拟训练系统、化学虚拟实验模拟训练系统、生物虚拟实验模拟训练系统等。

三、系统可行性分析

通过前期的调研和知识储备，本节将对系统的可行性分析做出说明。可行性分析对系统能否正常启动并且完成估量。本文将从技术性和经济性两个角度阐述。

（一）技术性

长时间以来，作者一直从事着实验室虚拟训练系统的研究工作，对该系统的应用前景、实际意义和相关技术较为熟悉，为系统的开发储藏了理论知识。

本文的研究课题为计算机虚拟实验模型训练系统，根据以往经验，该课题在技术上是可行的。

(1) 由于长期地从事计算机工作，对计算机实验项目较为熟悉，了解计算机实验的基本流程和大量的计算机实验项目，对计算机虚拟实验模型训练系统的业务流程较为熟悉。以此为背景，可以更快更好地建设系统架构并给出实现方法。同时，为了实现系统，广泛阅读了大量的相关文献，从文献中学习到了最新的计算机虚拟实验的理念和实现方法、技术手段等，有能力设计功能较为强大，且较为合理的系统。

(2) 就理论支持而言，目前在国内外具有影响的学术会议和学术期刊有着大量的相关领域的前期研究成果，在充分地了解、学习和吸收先进研究成果的基础上，对计算机虚拟实验模型训练系统的研究切实可行，值得深入研究。

(3) 就技术而言，系统中主要用到了C#开发语言，VS开发环境和SQL数据库系统。在长期的计算机工作中，对这些工具的掌握已经比较熟练，而且可以从网络、书籍中找到相关技术的大量帮助，这些资源将为系统实现提供可靠保障。

(4) 就实验手段而言，首先，作者所在单位具备了本课题研究所需的硬件和软件环境及科研技术方面的资源；其次，目前已收集了一些能够客观地评价各模块功能的测试实验项目，这些都为我们进行相关的科学实验提供了保证。

（二）经济性

经济型是从开发该系统所需代价和产生的效益角度对系统进行说明。

通过调研，可以发现通过虚拟实验模型训练系统的假设，不但减少了学校的实验室建设开销，还能大幅度提高教学质量。在计算机虚拟实验环境下，唯一的硬件设备是能够运行虚拟系统的微机，而且对该系统而言，微机的要求比较低。在虚拟实验系统上，学生可以自由发挥，无需估计硬件的损坏问题，同时实验室管理员也不用担心设备的维护为题，避免了因为硬件指标不足引起的教学质量不高的问题。因此，在经济适用上，该系统是可行的。

综上所述，作者前期研究中已经取得的研究成果和其他研究者所取得的研究成果都充分地说明了本项目研究方案的技术可行性，同时该项目具有极强的经济使用性。因此，该项目整体上是可行的。

四、系统方案实现分析

随着计算机技术的普及，计算机教学成为自然科学教育中的重点项目。然而，由于实验人数重多，设备昂贵等特点，传统的真实计算机实验环境已经不能满足人们的需求。计算机实验虚拟模拟训练将大大提高计算机实验的可能性。它不需要庞大资金支持，操作简单而且不用担心硬件损害问题，有很好的利用价值和应用前景。对计算机虚拟实验系统的需求进行分析，主要包括系统的可行性分析，虚拟设备数据流链接分析和功能需求分析。

（一）虚拟设备数据流链接

计算机虚拟实验模型训练系统中的最关键部分就是虚拟设备。为了对现实实验进行高度仿真，系统中必须存储和现实世界相匹配的大量的虚拟设备。这些设备都独立的描述和配置文件，更为重要的是设备之间有各种联系，这些联系包括设备之间的链接关系和数据传递方式和方法。

在本系统中，需要设计好虚拟设备间的数据流链接方式。

系统中的虚拟设备间的数据是一个持续传递的过程，必须时刻保持各链接通路的畅通。各个虚拟设备将需要有强大的信息交换能力和信息刻画能力。在理想情况下，还需要对每个元件进行完全约束，减少实验崩溃的可能性。

在本文中，需要考虑两种虚拟设备之间的数据传递。

首先，需要考虑用户和虚拟设备之间数据交换，即用户将以何种方式向虚拟设备表达用户的操作要求，而虚拟设备又将以何种方式返回结果，并展示给用户。在实现该功能的过程中，对于用户而言，要求操作简单，结果显示合理，可恢复性强。用户可以在允许的操作范围内，任意组合操作方式，如果操作不当，则给出提示说明。在基本的操作手段上，还需要加入某些特定操作的快捷键，尽最大可能满足用户的多方面操作需求。

其次，需要考虑虚拟设备之间的数据传递。以上强调了用户和虚拟设备之间的数据传递和展示方式，对于系统本身而言，最为重要的是虚拟设备之间的数据传递方式。在一个虚拟实验项目中，需要大量的虚拟设备配合使用以达到预期效果，为了使得虚拟设备间的配合更加合理高效，需要设计设备间的数据传递方式，即在一个已经连接成功的虚拟实验中，当用户对某一个虚拟设备进行操作时，系统要自动的对它所依赖的所有的其他虚拟设备做出相应处里。如果某个设备对用户的操作不识别或者产生了异常状况，则必须及时提示给用户。做为补充功能，一个日志文件时必须的，通过该日志，用户可以清晰地看到当某个虚拟设备的状态发生改变时，其他设备的运行状况。

（二）系统功能需求分析

功能需求是对系统应该包括的功能进行分析的过程，好的需求分析对于系统的最后实现有巨大意义。本节将以用例图的方式对系统的功能进行阐述。

对于计算机虚拟实验模拟训练系统，可以从两个大的角度去考虑其功能，首先，从用户角度来说，用户需要通过系统彼此联系，完成指定功能；其次，对于实验系统本身来说，设备的初始化和交互更为重要，设备自身的功能完善是系统成功运行的核心。

图 3-2-1 计算机虚拟实验模拟训练系统的用例图

如图3-2-1所示，该系统包含三类角色。

（1）学生用户。

学生用户是系统中最为常见的角色。他作为实验者，需要使用的功能包括选择实验项目、开启测试、修改登录密码、成绩查询等。

（2）教师用户。

教师主要用来对学生进行集中式管理。他需要使用的功能包括成绩查询、学生管理和修改登录密码。学生管理是教师用户的重要工作，学生管理包括添加学生信息、删除学生信息、修改学生信息和查询学生信息等。

（3）管理员用户。管理员用是整个系统的维护者，有最高的权限。他可以对各类信息进行管理。他的功能主要包括：模型导入、班级管理、给学生换班、教师管理、设置实验分数、给教师换班等。班级管理又包括班级信息添加、班级信息删除、班级信息查询和班级信息修改等操作；教师管理又包括添加教师信息、删除教师信息和出查询教师信息等。

学生群体是系统的核心用户，通过实验系统，他们将做大量的实验项目，为了使得实验效果更好，虚拟设备的构建尤为重要。

在本系统中，虚拟设备包括自身属性和外接属性。自身属性是对自身特性的描述，外接属性是对它能够适应的外接环境的描述。本系统中的虚拟设备具有可视化效果，用户能够自行改变二维图形的大小。管理员可以对虚拟设备的属性进行修改。在一个实验过程中，虚拟设备要有良好的可操作性[23,24,36]，用户能够使用鼠标左键单击、鼠标右键单击、鼠标双击和鼠标拖拽的方式对虚拟设备进行操作。而且，当所有的虚拟设备连接在一起时，要求要有明确的数据传递和更新记录。

根据以上功能分析，对于学生用户而言，其基本业务流程如图3-2-2所示：

图3-2-2 用户基本业务流程

首先，学生用户能够通过用户名和密码登陆到系统中去，对于本次实验项目，将实验模型添加到实验系统中去，如果本地没有指定的实验模型，则可通过局域网从服务器上下载最新的实验模型项目。然后，可以通过鼠标点击的方式和系统进行交互，将指定的虚拟设备连接在一起，启动时钟程序，运行实验项目，记录实验结果并观察输出。最后，将实验结果模型和实验报告提交到系统中去，退出登陆状态。

对于教师用户而言，其基本业务流程说明如下：首先，通过分配好的用户名和密码登陆到系统中去。其次，浏览自己所管理的班级的相关信息，如果需要对班级信息进行调整，则可以直接选中某个班级或者学生对其进行管理。在没有任何异常的情况下，逐一打开所管理学生所提交的实验结果模型和记录文档，对该生的实验成绩进行评定。最后，将评定结果重新写回到数据库中，退出登陆。

对于管理员用户而言，其基本业务流程说明如下：首先，通过管理账号和密码登陆到系统中去，浏览教师和班级的对应信息，如果需要调整该对应关系，则选中教师，并进行修改，生成新的教师和班级的对应关系。其次，在无任何异常情况下，如果需要上传的新的实验模型和虚拟设备，通过系统界面更新虚拟设备属性文件和链接文件，通过网络将设备和模型提交到服务器上。最后，退出登陆。

（三）系统功能模块

虚拟实验模拟训练系统由以下几个模块组成：管理员功能模块、教师功能模块、学生功能模块等。

图 3-3-1系统功能图

其中管理员模块包含添加导入实验模型、班级信息管理、学生信息管理、教师信息管理和设置实验分数等功能；教师功能模块包括个人信息管理、学生信息管理、查询学生信息和查询实验程序等功能；学生功能模块包括用户登录、实验选择、疑难提问和实验结构上传等功能。

用户登录、信息发布等功能单元；管理员功能模块包括用户管理、服务信息管理等功能单元。

结语

对计算机虚拟实验模拟训练系统的主要需求进行了分析并提出了系统的实现可行性。虚拟实验模拟训练系统涉及了三类用户，学生用户是实验平台的主要实用者，教师用户负责对学生的管理，管理员用户负责对系统的维护和更新。给出了每类用户需要实现的功能情况，其次从经济性和技术性两个角度证明了系统的可行性。

参考文献：

[1]John D. Mcgregor, David A. Sykes. A Practical Guide to Testing Object-oriented Software, America, Addison Wesley/Pearson, 2003, 65-108.

[2]J. de Lara ,M. Alfonseca. Visual Interactive Simulation for Distance Education, SIMULATION, 2003, 79(1), 19-34.

[3]王嗣源，虚拟实验室建设的初步探讨，西安邮电学院学报，2005，10(2)，141-143

[4]吴黎兵，刘丹，陈波，网络虚拟实验室的设计，计算机教育，2010，（4），131-133