虚拟实验软件

虚拟实验软件（精选十篇）

虚拟实验软件 篇1

过程控制课程是高等学校自动化专业的一门重要的专业课程,它是衔接自动控制原理,现代控制理论课与生产实践相结合的课程。过程控制最早起源于化工行业等流程工业,属于流程自动化类。随着控制理论和计算机等技术的不断发展,过程控制也渐渐的发展并逐步形成一门独立的学科。因此,让学生将控制基本理论技术和生产过程实践相结合,过程控制无疑是一门比较理想的课程。当前国内许多高等学校已经逐步认识到该学科的重要性,纷纷投资建立过程控制实验室。[1]

但是，目前传统的高校过程控制实验也面临着诸多问题。首先，过程控制实验项目要求对实验设备的投入较大，一台国产过程控制实验装置往往需要十几万甚至更高。其次，这样一台花大成本购买的过控实验设备，却只能允许1-5名学生同时进行实验，远远无法满足教学需要。以致实验课的效果不理想，很多修这门课的同学甚至大学四年连过控实验设备都没能摸到过几次，更别提自己独立做上一次实验了。

针对这样的情况，许多高校也做了相应的调整。有的学校选择多购买一些实验设备，但一来实验设备加上其配套设施，其本身就较为昂贵;再者，新增加有限的几台机器，与庞大的学生基数相比，仍是杯水车薪。还有的学校尝试采用编写软件的方法，进行虚拟实验，这是一个比较好的方式，但也存在一些问题。如搞过程控制的老师往往不能精通VB、C++、Delphi等编程语言，而计算机专业的老师又不懂过程控制，这样的话即使制作出来，有时软件也会存在各种问题;或者最终耗时耗力开发成功，但开发周期也会较长，且占用教师很大精力。

本文将针对目前高校过控实验存在的以上问题，提出一种新的虚拟过控实验开发方式。

2 选择组态软件的原因

与传统的DCS、PLC控制系统相比，控制策略生成器(Strategy Builder)充分体现了控制功能丰富、系统组建灵活、扩展方便的特点。在控制策略生成器中有变量、数学运算、逻辑功能、程序控制和控制算法等类别的近70个功能块，运用这些功能块可搭建出各种功能强大的控制策略。[2]

力控组态软件的应用场合主要是工业现场控制方面，但由于它提供的“控制策略”功能可以很方便地模拟过控中的各种实验模型和算法。而且基本不需要进行语句编程，可以高效快捷地实现原本需要繁琐编程才能够完成的功能。因此本文采用它来构建过程控制虚拟实验室。

3 过程控制虚拟实验开发

3.1 单容水箱液位特性实验

单容水箱液位特性实验是过程控制中一个基础实验，单容水箱的数学模型为。对该实验的虚拟化，首先要对水箱模型进行模拟。力控控制策略中提供了一阶传递函数点模块，可以模拟任意型的传递函数模型。在此只需令参数A=1,B=T,C=K,D=0，即可构造出一个一阶水箱模型。详细控制策略见图1:

图1中，sv1.pv表示液位设定值，pv1.pv表示水箱液位当前值，TRANS0即为一阶传递函数模块，它的A、B、C、D等参数值既可以点击模块本身进行设置，也可以通过引出到图形界面，在运行状态下现场修改。MUL模块为乘法器，start1.pv为实验一运行开关。当start1.pv值为1时，设定值sv1.pv通过乘法器的输出端进入TRANS0模块，处理后的数值输出到pv1.pv，完成一次调节过程;反之start1.pv为0时，乘积为0,TRANS0模块向pv1.pv的输出亦为0，反映在前台画面即为水箱内液位值为0。

另外，在界面上可以对TRANS0的A、B、C、D参数直接点击鼠标进行修改，这即相当于更换各种各样的水箱，从而可以很容易的观测不同的水箱的单容液位特性，非常方便。而这在硬件化的传统实验设备上则是几乎不可想象的。

力控中自带大量图库，用户可以很方便地从中选取水箱、管道、电动机、水泵等素材，然后组成前台界面。同时，将后台控制策略作用下的数据点参数也引用至前台界面，即可实现对现场数据的观测和修改。液位实时曲线也可以通过变化的数据由软件自动绘制出来(见图2)。

3.2 单容水箱液位PID闭环控制实验

力控组态软件控制策略生成器提供的PID控制模块根据设定值SV和过程测量值的偏差完成PID算法，PID控制回路有三种方式，MAN,AUT和CAS，在MAN状态下，PID控制回路相当于手动调节器。在AUT状态下，PID控制回路完成PID算法，设定值SV由操作站给定，在串级CAS状态，设定值由上主回路的输出给定。在单容水箱液位PID闭环实验中，控制回路应采用AUT状态。

在本实验中，主要用到的模块是一阶传递函数模块和PID控制模块，前者用来模拟一个一阶水箱，后者实现控制算法，对水箱液位进行调节。详细控制策略见图3。

图中前半部分与实验一基本类似，主要差别在于本实验中在MUL模块与TRANS1模块中间加入了PID控制模块，使程序具备了PID控制功能。PID模块的参数很多，最主要的有比例参数KP、积分参数KI、微分参数KD、设定值SV、正/反动作、回路状态、内/外给定等。本实验中，正/反动作应设置为反动作，回路状态应设置为自动。

图3中的pv3.pv代表水箱液位的当前值，经过乘法器处理后，送入PID0模块，PID0根据设定值与当前值之差，以及PID各控制参数，经计算后自OP端输出控制信号至模拟水箱的TRANS1模块，最后将数值输出至末端的pv3.pv，完成一个闭环控制流程。

经测试，在该控制策略模拟下，对液位值的调节及实时曲线效果均比较理想(图4)。

图4中参数值带有下划线的表明其可以现场修改，在参数上点击鼠标即可输入新的数值;不带下划线的为采集数据，无法在界面上人工改动。

3.3 其他实验说明及web发布

通过控制策略提供的模块及在以上两个实验的基础上，对其他过程控制实验也是可行的。如双容水箱液位特性实验的模拟，在实验一控制策略(图1)的基础上再加入一个一阶传递函数模块即可。再比如串级控制试验，则可在实验三控制策略的基础上加入一个PID模块作为副控制器，再辅以相关参数修改(如回路状态应由自动修改为串级)和连线变动。当需要模拟锅炉温度等非液位控制对象时，需要改变一阶传递函数模块的A、B、C、D值，使其适应被模拟对象。另外，除了常用的PID算法，力控控制策略还提供纯滞后补偿、斜坡控制、温压补偿、通用线性化、偏差限制、加权平均滤波、脉宽调制输出，以及各种数学计算模块，可供开发者设计其他复杂算法的控制实验。

除了单机实验，力控还允许B/S模式的访问方式，即一台机器运行力控程序后，其他与之联网的计算机不需安装任何力控组件，只需要通过IE浏览器，在地址栏输入运行力控的计算机的IP地址和端口，即可实现远程观看实验过程，甚至远程动手做实验。(图5)

4 结束语

利用力控组态软件构建过程控制虚拟实验室，突破了传统过程控制实验在资金和实验设备上的局限性，也避免了使用通用编程语言(C++、VB等)设计虚拟实验的繁琐。教师能够在较短时间内掌握设计方法并制作出自己风格的虚拟实验软件，大大减轻了人力和物力上的负担。教师可以把编写好的软件安装在实验室的每台机器上供学生单人单机做实验，也可以使用web发布功能先向学生演示整个实验流程并进行讲解。本文提出的组态虚拟实验可以作为传统过程控制实验方式的补充，也可在一定程度上取代传统实验模式，具有一定实用价值。

参考文献

[1]赵贤林.关于过程控制实验室的建设和管理[J].实验室研究与探索,2005,24(增刊):288-290.

虚拟实验软件 篇2

农村初中理化生虚拟实验软件使用工作汇报

农村初中理化生虚拟实验软件使用工作汇报 安图县亮兵中学   在全省农村初中“四室装备项目”启动以来，学校在县教育局和县电教馆的组织领导下，于8月22日在县进修学校对物理、化学、生物以及信息技术教师进行了“初中理化生虚拟实验软件”安装实验培训。据了解，项目所配备的实验软件，从发展的角度，是以国家课程标准为依据，将有效解决实验教学中实验现象观察困难，完成周期长、成本高、危险大、原理不易理解、操作步骤不易规范等问题，为促进农村学校理化生学科教学方式变革、提高教学效率起到支撑作用。我校是该项目的受益学校之一，通过一学期的管理和使用，我们感到： 一、超前准备是保证虚拟实验软件顺利运行的前提 今年7月份，我校在得知全省农村初中“四室装备项目”启动以来，在县教育局和进修学校电教馆的指导下，及时对“四室装备项目”拨付的高配置计算机进行了安装调试，在不违背上级要求的前提下，我们遵循了实用性强、管理方便、节省资金、整合高效的`几项原则，在计算机室用拨来的10台教师机装备了教师电子备课室，专门用于教师备课和运行虚拟实验软件，全体老师非常高兴，尤其理化生老师，更是爱不释手。 二、做好培训是管理使用好虚拟实验软件的基础 为了更好的发挥理化生虚拟实验软件在我校实验教学中的有效应用，使广大教师做到能用、会用、用好，让虚拟实验软件资源真正走入课堂，更好的为教学服务，省里派东北师大的两位老师于8月22日在进修学校举办了“初中理化生虚拟实验软件”安装使用培训。我校派出了物理教师――许维军；化学教师――王洪林；生物教师――崔著花；信息技术教师――陈士宝四名教师参加了本次培训。通过培训，教师对虚拟实验室进行了了解，并当场操作使用。从三维实验仪器的观察到分组及演示实验的模拟，在到实验的运用等，都使实验教师耳目一新。他们感觉利用虚拟实验室组织具有个性化的实验，可以大面积地协助实验教师在信息技术的环境下去开展实验教学。解决老师在传统教学中有些实验现象不易理解、观察困难等难题，最终达到提高教师实验教学质量、扩大学生实验视野的目的。 三、加强管理是提高虚拟实验软件使用效率的关键 1、及时建立“四室装备”管理领导小组，组长由校长担任，副组长由教导主任担任，主抓此项工作的落实，对理化生三套虚拟实验软件安装、培训、使用情况进行监督管理。 2、建立了教师备课室 通过省长工程，装备了先进的教师备课室，参加培训教师学习回来后，微机教师进行了虚拟软件的注册、安装、调试。同时，在理化生实验教师自用电脑和多媒体电脑中安装了运行虚拟实验软件的客户端，为实验教师能及时广泛的应用提供最大限度地技术支持。 3、加入理化生技术支持QQ群 为了解决在使用过程中遇到的困难，信息技术教师积极加入理化生技术支持QQ群，在群里进行交流，把在使用过程中遇到的问题和困难，及时找专家进行解决。从而增强了信息技术教师管理该软件的能力，提高了实验教师使用虚拟实验软件的水平。 4、按要求及时把相关资料收藏归档 为了保证虚拟实验软件的有效运行，管理员及时把应用手册、安装光盘以及软件注册号、升级包SP1使用说明等分别建立档案，进行专项保管，从而保证虚拟实验软件最大限度地为教师服务。 5、使用与监督 学校要求实验教师要认真使用好这套虚拟实验软件，认真备好实验课，上好实验课，要领会“四室装备项目”的实际意义。注意把握培养学生真实实验能力与虚拟实验操作的关系，实验开出率与虚拟实验室使用的关系等。通过一个学期的实践，理化生实验教师能够在理论与实践相结合的情况下，认真借助信息技术这一平台使用虚拟实验室。到目前，老师们能较熟练使用这套虚拟实验软件，并能达到很好地为教学服务的目的。得到了老师们的认可，学校教导处也对理化生实验情况进行监督检查，并让老师亲手操作，其结果是满意的。 四、及时维护是管理使用好虚拟实验软件的保证 软件维护在我校就落实给了信息技术教师陈士宝。他从安装、调试到每个实验教师客户端安装再到服务器的维护管理，每个环节都能做到丝丝入扣，认真负责。对实验教师提出的问题基本都给予满意答复，同时还时常指导实验教师在使用环节上出现的一些小问题，这样的维护和指导，实实在在地保证了虚拟实验室的有效运行，进一步提高了使用效率。 五、存在的问题 1、理化生虚拟实验室能够协助教师在信息技术环节下开展实验教学，解决老师在传统教学中有些实验现象不易理解、现象观察困难等难题。但是，我校有很多计算机硬件配置比较低，大多数都是集成显卡，而本软件有些功能要在较高配置的计算机（尤其是显卡部分）上运行。因此，在现有条件下，有一大部分计算机不能运行三维动画演示功能。 2、目前，理化生实验室没有实现“班班通”，因此，动手实验要到实验室去做，而虚拟实验要到多媒体微机室来做，这样不能实现理论和实际相结合。如果能在实验室装备“班班通”并能运行虚拟实验软件，效果会更好。     月10日

虚拟实验软件 篇3

关键词 初中物理；虚拟仿真技术；实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）05-0159-02

1 前言

随着现代科技的快速发展，计算机和互联网等技术在教育领域里得到广泛推广、普及和应用，这为传统的初中物理实验教学注入新鲜的血液，增强了实验教学的效果。虚拟仿真实验技术是当前科学前沿技术在初中物理实验教学中运用的具体体现，可以突破实验仪器和设备不足等教学限制，帮助学生直观、形象地模拟各种物理实验的操作过程，有利于促使学生积极投入实验教学中来，不断提升实验教学效率。

2 虚拟仿真实验技术软件分析

仿真物理实验室 仿真物理实验室是一款针对中学物理课堂开放性而设计的专业物理学习软件，可以为学生提供完善的综合实验室，更好地实现各种物理演示实验，有利于学生更好地验证自己的实验猜想。比如可以为学生提供一个包括平面角、凹凸透镜和棱镜等物理模型在内的光学实验室，使师生按照自己制订的实验方案来自行构建各种实验模型，探究有关的物理规律。学生可以借助光学实验室来合理构建凸透镜成像模型，以发现和归纳出凸透镜成像的具体规律。另外，该种虚拟软件具有较高的集成度，并且易于操作，可以使学生便捷地进行各种物理实验，真实性比较强。

MATLAB仿真软件 MATLAB仿真软件是一款用于数据可视化、分析与计算的计算机软件，广泛应用于工程计算以及图像、通信与信号处理等领域中，并且主要包括MATLAB和Simulink两个部分。与仿真物理实验室这款仿真软件相比，MATLAB仿真软件具有比较强的灵活性，更加有利于构建有关的实验模型，同时其界面比较简洁，有利于编程，另外还有集成度高、数据处理能力强等优点，是一款功能非常强大的仿真软件。

3 虚拟仿真实验技术软件的具体应用

在测量型实验中的应用 测量型实验是初中物理中一种基本的实验类型，步骤比较简单，所用设备也比较容易获得；但是针对那些比较复杂的测量实验而言，无法使学生在真实的实验环境下进行。借助虚拟仿真实验技术软件的合理运用，可以帮助学生更好地观察有关的物理实验现象。

以“伏安法测小灯泡电阻”为例，就虚拟仿真技术软件在物理实验中的具体运用进行分析和探究，以帮助学生更好地掌握测量小灯泡电阻的方法。首先，在仿真实验开展之前，物理教师需要先让学生明确本次实验课程开展的主要目标，并要使学生掌握电流表和电压表测电阻的方法，以便学生可以借助欧姆定律的合理运用来测量有关的电阻值。而在具体的模拟仿真实验开展中，物理教师可以采用边讲解边进行虚拟实验的方法和手段，引导学生根据欧姆定律原理来连接软件中的各种实物电路图，接着要求学生通过鼠标滑动变阻器的划片来改变电阻数值，并要记录对应的电流和电压数值，最后引导学生绘制出小灯泡电阻的伏安特性图，从而使学生更好地发现和掌握有关的物理规律。

在探究型实验中的应用 探究型实验也是高中物理中一种常见的实验类型，其重在培养学生透过现象看本质的能力，以便让学生养成科学的探究精神和意识，有助于使学生更好地发现有关的物理实验规律。此外，探究型实验的开展也可以使学生针对具体的物理问题采用不同的实验来加以解决。在真实物理实验开展过程中，因各种外界因素的影响，物理实验方案有可能无法顺利实施，所以可以借助虚拟实验的引入来解决这一问题。教学实践表明，虚拟实验教学的效率更加有利于实验目标的完成。如在凸透镜成像规律的探究型试验中，光线的影响对于实验观察的效果具有较大的影响，而如果没有准确的实验结果，更谈不上实验规律的有效总结。此时可以在实验开展过程中应用虚拟仿真实验技术软件，确保探究实验开展的质量。

下面以凸透镜成像规律的探究为例，就虚拟仿真实验技术软件在探究型物理实验中的运用进行分析和探究[1]。

首先，物理教师可以引导学生观察在实际生活中存在的各种与凸透镜有关的现象，并提出有关的探究性问题，比如物距大小是否会对成像产生影响？具体特点是什么？接着物理教师需要引导学生结合自己的猜想来设计有关的探究性实验。然后，物理教师鼓励学生将自己的实验思想借助仿真软件来进行检验，并记录试验中的各种数据结果。最后，物理教师让学生根据分析所得到的各种数据来帮助学生更好地归纳出凸透镜成像的规律。另外，通过虚拟仿真实验技术软件运用，为学生排除其他影响实验结果的客观因素，比如室内光照情况等，从而可以使学生全身心地去探究有关的实验结论[2]。

在演示型实验中的应用 演示型实验也是一种比较常见的物理实验形式，其可以帮助学生更好地理解有关的物理知识、规律和原理，深化学生对于这些知识的理解和认识。但是在当前的初中物理教学过程中，因班级人数过多，部分学生可能因距离过远而无法清晰地观察教师所做的各种物理实验，部分甚至可能会因为观察不清楚而发牢骚或在课堂上公然睡觉等。虚拟仿真实验技术软件可以有效地解决上述学生观察不清、缺乏学习物理知识兴趣的问题，也可以解决那些受外界环境因素影响大的演示型实验效果不理想的问题，增强学习的效果。

如针对光的反射实验，物理教师可以借助光的反射演示实验来帮助学生更好地了解和掌握反射定律。但是影响自然光的反射实验效果的因素比较多，物理教师开展演示实验的效果不是非常理想。虚拟仿真实验技术软件在其中的运用则可以有效克服这个问题。首先，物理教师可以引导学生借助仿真软件平台来演示光反射现象，激发学习物理知识的兴趣，帮助学生根据有关的现象来自行设计实验去总结和验证反射定律，从而提高课堂演示实验的应用质量。

虚拟仿真实验技术软件除了应用于测量型、探究型和演示型等物理实验中，还可以应用于设计型和操作型等类型的物理实验中，并均取得良好的教学效果。因此，在平时的初中物理实验中，物理教师需要以身作则，不断提升自己的专业能力，尤其应用虚拟仿真实验技术软件开展实验教学的能力。还要明确虚拟仿真实验技术软件在实验教学中存在的缺陷和不足，以更好地发挥其教学优势。另外，学校也应该积极进行相关虚拟仿真实验技术软件的引进，满足初中物理实验教学需求。但是为了确保软件设计的科学性，希望有关设计人员必须要加强与一线教师的沟通和交流，从而充分发挥虚拟仿真实验技术软件与传统物理实验教学摸式二者的优势，不断提升软件的应用功能和质量。

总之，虚拟仿真实验技术软件在初中物理实验教学中的运用可以为学生创设一个虚拟的“真实”实验操作情境，有利于激发学生参与实验学习的积极性，调动学生的热情，同时也有助于实验的顺利开展，免受客观因素的影响。因此，在初中物理实验教学过程中，物理教师必须合理运用虚拟仿真实验技术软件来开展教学，还要兼顾传统物理实验教学，从而不断提升实验教学的质量。

参考文献

[1]刘长春.虚拟仿真实验于初中物理试验教学的应用[J].中学课程辅导，2013（22）：16-17.

浅谈虚拟实验软件在教学中的作用 篇4

一、优化课堂、提高效率

特级教师于琦曾说过:“课的第一重锤要敲在学生的心灵上, 激发思维的火花, 好像磁铁一样, 把学生牢牢地吸引住。”多媒体新软件的应用把动画、图像、声音有机的集成并投射在屏幕上, 有效刺激学生的大脑皮层, 激发学生学习兴趣, 进而优化课堂教学过程, 提高学生学习效率和教师教育教学质量。

作为启蒙课的化学课, 在既要学习新知识、新技能, 又要提高实验、应用、理论联系实际能力的紧迫任务压力下, 虚拟实验软件为充分利用45分钟的教学提供了很好的平台。准备化学实验、课堂完成演示实验以及各种操作实验, 耗费了老师大量的宝贵时间, 而使用虚拟实验仅仅需要1-2分钟。其他需要较长时间才能有明显现象发生的化学实验, 如铁的生锈, 虚拟实验的优化课堂、提高效率的效果体现的更淋漓尽致。

二、安全环保、稀释风险

传统实验教学受环境、设备、成本等外部条件的限制, 致使很多实验课开设不足, 有些实验甚至根本无法进行。在保证实验安全, 实现环保, 稀释实验风险方面, 虚拟实验软件有着不可比拟的优势。如氢气的爆炸、浓硫酸的稀释等实验, 老师不敢让学生亲手做, 自己操作可见度小, 现象又是惊鸿一瞥, 转瞬即逝。即使实验成功, 学生的注意力也会不同程度的分散。虚拟实验化解稀释了实验风险, 便于教师更好的教育教学。

三、转变方式、自主学习

《国家基础教育课程改革纲要》指出:“要大力推进信息技术在教学过程的普遍应用, 促进信息技术与学科课程的整合, 充分发挥信息技术的优势, 为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具”。虚拟实验软件作为一种教学媒体, 实现了教师教学方式的转变, 从操纵瓶瓶罐罐到点击鼠标, 从闭门实验到教学资源的开放, 让教学充满了智慧、体现了探索、实现了教育教学的突破。而学生自己设计实验方案, 网上搜索学习资源、实现实验, 进而交流讨论, 直至完成实验作业的批改和评价反思。学生对教师的学习依赖性大大减少, 给了他们学习和探索的空间, 最大程度的实现自主学习。

四、突出感知、突破思维

美国教育家布鲁纳说:“学习的最好刺激, 乃是对学习材料的兴趣。”初中学生还处于形象思维为主导, 抽象思维初步建立的阶段。在教学过程中经常涉及一些抽象概念, 如分子结构、化学反应过程, 这些学习材料很难在学生心中建立有效记忆符号。虚拟软件有效的把视频、音频、动画结合起来, 逼真的模拟实验, 呈现实验过程, 以形体、色彩、动感、音响感染吸引学生, 为学生提供丰富形象思维素材, 为发展学生的理解、想象力提供了有效媒介, 突出感知, 突破了学生的形象思维瓶颈, 建立抽象坐标。

五、立足创新、培养能力

初中化学课程标准明确指出:“以提高学生的科学素养为主旨”, 倡导“以科学探索为主的多样化的学习方式”, 重视学生的亲身经历和体验, 强调“创设生动活泼的学习情境”。这些课程理念的落实离不开化学实验, 但就目前现状, 很多学校实验室拥有率低, 仪器数量不足, 专业教师缺乏条件的限制, 学生实际操作技能相对较差。利用虚拟实验软件可以使学生不受时空的限制, 不受环境的影响, 只要有微机联网就可以进行实验、学习、互动, 大大节省了师资和设备。这种开放性的实验有助于开拓学生的想象力和创新能力, 培养学生的综合素质。学生在实验过程中经历和体验发现的快乐, 领略科学的魅力。而教师更可以从中获取更多的时间和精力, 从事更广泛的探索与学习, 进一步指导学生向更高层次迈进。

当然, 虚拟软件的应用也有不尽如人意之处。首先, 是对师生本身使用软件能力的考验, 如果没有一定的操作能力, 结果会适得其反。其次, 从亲手做实验到动鼠标操作实验, 对师生亲身认识探索化学学科知识有很大障碍。学生由“做做”实验到“看看”过程, 这其中的学习乐趣和动手能力无形被抹杀, 还有一些实验教学过程中出现的教学素材也不能有效挖掘和利用。那么, 我们每一个学科教师就要切实思考如何将虚拟软件和实际操作有机结合, 以便更好发挥软件的效能, 推动学科教育的良性发展。

摘要：依据虚拟实验软件的使用, 在具体教学过程中体会到了软件的正确使用对优化课堂、提高学生学习效率和教师教育教学效率方面有很大作用。它可以有效稀释实验风险, 安全环保, 对于促进师生学习方式的转变, 化被动为主动、化抽象为具体、化微观为宏观, 以应对越来越快的时代发展要求方面是不可替代的媒介。虚拟软件也有其不足之处, 教师必须根据实际情况灵活运用。

关键词：虚拟实验,效率,稀释风险,自主,学习方式

参考文献

[1]刘江田.新课程教学问题解决实践研究.

[2]徐虹宇.课堂教学技能指导与训练.

[3]陈旭远, 张捷.实用课堂教学艺术.

虚拟实验软件 篇5

摘 要：数字化的虚拟环境下，计算机和用户之间的交互主是经过界面实现，而界面是用户和虚拟世界之间的中介。科技不断进步及社会的逐渐发展，人们更加注重软件使用过程中的舒适性及方便性，对其使用方面提出了较高要求，而界面的设计在软件开发过程中早已发展成最主要的环节之一。笔者对虚拟现实艺术软件界面的设计进行分析，着力把软件界面的各方面设计进行统一，进而形成一个完整的设计框架。

关键词：虚拟现实;软件界面;设计流程

伴随科学技术的持续发展，一些软件编码的设计水平早已达到较高层次，且人们早已不再满足软件计算的功能，而是更加重视软件的使用效果及整体的环境，且软件界面的设计发展成目前研究中的热点问题。软件界面的设计在设计学科中属于比较重要的分支，其综合了艺术及技术两个方面的知识，以产品中的形式美及功能美对不同用户的心理需求进行满足。

虚拟机器人软件的应用 篇6

关键词:机器人教育;虚拟机器人;模拟仿真

中图分类号:TP24文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 06-0000-01

Application of Virtual Robot Software

Dong Jian

(Shenzhen Nanshan Shekou School,Shenzhen518067,China)

Abstract:The software of virtual robot is one of the most excellent platforms for the study of robots in recent years.In this report,it includes the introduction of the soft of virtual robot,and it introduces a few kinds of popular soft of virtual robots ,the affect on the education of robot as well as the advantage and disadvantage of it.

Keywords:Education of robots;Virtual robot;Simulation

目前,智能教育机器人正逐渐成为重要的、流行的,用于培养学生动手能力、计算机应用能力和创新思维的学习工具。伴随着机器人教育活动的深入开展,适用于机器人教育的相关器材和工具也不断发展,新产品不断出现,这些年尤其值得注意的是一种虚拟机器人教育教学软件,该软件具备了一些传统机器人器材无法比拟的优越性,具有极大的推广价值。

一、什么是虚拟机器人软件

虚拟机器人软件所模拟仿真的是目前面向中小学教育的简单机器人设备,它在原来机器人编程平台的基础上,增加了用电脑模拟机器人竞赛或者模拟机器人行为活动的功能,使得机器人程序的执行效果可以直接在电脑虚拟平台上演示,它使得仅通过一台电脑,就完成了机器人从搭建到编程到最终效果展示的全过程。虚拟机器人软件一般具有三大功能:建立虚拟仿真场景;组装虚拟机器人;编写机器人程序。

二、几款优秀的虚拟机器人软件

虚拟机器人软件最早出现在国外,早在2000年,世界RoboCup机器人足球赛的仿真组比赛就是采用虚拟机器人软件来进行的,近几年我国也出现了几款自行研制开发的虚拟机器人软件,特别适应于我国中小学机器人教育活动的开展。比较常见的有中鸣公司的AI-RCJ虚拟机器人足球软件、纳英特公司的3D仿真机器软件、南方数码公司的高仿虚拟机器人软件,其中AI-RCJ虚拟机器人足球软件模拟了一个足球比赛场地,用不同色彩的圆形模拟双方足球队员,球员通过执行编写的程序自动完成找球碰球的动作,特别适合进行对学生编程环节能力的培养。纳英特公司的3D仿真机器软件则采用了3D虚拟现实技术,实现在了机器人及场景的全3D模拟,可有效模拟出灭火、走迷宫、循线等各种机器人比赛环境。南方数码公司的高仿虚拟机器人软件的仿真场景力求真实。真实的地理位置具备真实的地形起伏、地表纹理、构筑物(建筑物)、路面附属物、道路拓扑信息等。

三、虚拟机器人软件较传统实物机器人所具备的优势

虚拟机器人软件较传统实物机器人的优势主要表现在三个方面:

(一)使用成本低

虚拟机器人软件具有购买门槛低、维护成本低的特点。比如要实现面向50个学生开展机器人教学,采用实体机器人教学至少需要购置12套器材才能实现每4人一组一套,如果一套3000元也需要36000元。而采用虚拟机器人软件,购置一套网络版仅需5000元即可满足50个学生同时使用,且无任何维护开支,成本优势显而易见

(二)采用虚拟机器人软件进行机器人教学更为方便和灵活

首先从活动开展的组织者角度来看,采用虚拟机器人软件,可以随时方便灵活地开展不同难宜程度或不同性质的机器人教学活动,无须花费大量时间进行器材以及场地的准备和整理。

其次从活动开展的教育对象来看,采用虚拟机器人软件学习,利用仿真系统的仿真功能可以即时看到编程的效果。学生由此可以很直观地判断程序编写是否正确,也可以根据运行情况修改程序。由于程序运行的及时性、效果的直观性,节约了程序调试时间,提高了课堂效率。

(三)虚拟机器人软件突出程序设计的主体地位

在虚拟机器人编程环境中,不用考虑环境的干扰因素和机器人的硬件差异问题,一切都在理想状态下进行。这样,我们在教学过程中可以专注于程序设计的教学,学生也能把主要精力用在程序设计上。

四、虚拟机器人软件较传统实物机器人所存在劣势

虚拟机器人软件由于没有机器人实物,所以必然也存在一些不足之处,相对实物机器人教学,虚拟机器人也存在一些劣势。比如在调动学生学习兴趣上、在培养学生动手能力上以及在培养团队合作精神上都存在一些不足之处;

对于虚拟机器人软件的一些不足之处,可以在实际教育教学活动中采用适当的有针对性的方法进行弥补,比如在教学时采用循序渐进的教学方式,通过多种挑战任务的设置来激发学生的研究兴趣,通过团队联赛的方式来培养学生的团队合作精神,另外在学生掌握了一定的机器人知识技能时,再辅以实物机器人教学,则能使学生得到全面的提高。

总的来说,虚拟机器人软件依靠其低成本、高效益的优点,能积极有效地推动机器人教育活动的开展,对于此类软件的研制开发以及推广使用的研究也对我国机器人教育活动开展具有极大的意义。

参考文献:

[1]张爱红.机器人虚拟示教的实现方法

虚拟实验软件 篇7

1 Multisim 10.0仿真软件介绍

Muhisim 10.0是美国国家仪器公司(NI)于2007年推出的，是目前最新版本的电子电路仿真软件，这也是交互式SPICE仿真和电路分析软件的最新版本，专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。

Multisim 10.0是EWB(Electrical Workbench)电子工作台的一个部分，其余三个部分是PCB设计、软件Ultiboard、布线引擎Uhiroute及通信线路分析和设计模快Commsim。四个模块相互独立，并且每个模块又有增强专业版、专业版、个人版、教育版、学生版、演示版等多个版本。

Muhisim 10.0是一个完整的设计工具系统，有庞大的元件数据库、完备的实验仪器库、完整的分析方法，界面易懂直观，操作容易。可对电工电子类专业的相关课程内容进行完整的仿真。并可在电路中设置短路、断路等多种故障，可以模拟电路运行时的实际状况。能提高学生学习效率和质量，并能减少学校实验经费的支出，从技术层面上提高教学质量。

1.1 Muhisim10.0元件库的元件

随版本的不同，增强专业版有16000个元件，专业版有12000个元件，教育版有6000个元件，学生版仅有500个元件。元件库的元件又分为两大类，虚拟元件和现实元件;有14个元器件分类库，每个库又含有3至30个元件箱。用户可随意多次使用这些仿真元件。

1.2 Multisim 10.0的仪器仪表

在电工电子实验中用到的各种仪器仪表都比较贵重，学生在做实验时稍不小心就会损坏仪器仪表，给实验室管理带来难度;很多学校也没有大批量购置和购全这些仪器仪表，不能做到学生人手一套仪器设备。Mutisim 10.0仿真软件最具特色的功能之一，是该软件带有各种用于电路测试任务的仪器仪表，这些仪器仪表非常逼真，操作与读数几乎和实际的仪器仪表一样。用户也可随意多次调用。

Muhisim 10.0的仪器仪表库有：数字万用表、函数信号发生器、功率计、两通道信号示波器、四通道信号示波器、波特图示仪、频率计数器、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、IV特性分析仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪等目前最先进最常用的仪器。

Muhisim 10.0的仪器仪表库中的仪器面板和传统的实验室里能见到的仪器的面板相同，它们的操作及读数和实际仪器也一样，便于学生熟悉仪器及操作。

2 虚拟实验室的优点

采用Multisim 10.0仿真软件进行虚拟电子类实验，具有比较明显的优势，如涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、学生可自行实验、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。

2.1 实验内容丰富、全面

实验内容既包括电路实验、模拟部分的实验也包括数字部分实验。不仅能进行验证性实验，而且还能进行综合性、设计性实验，以及创新性实验。实验过程还能用软件模拟元件故障，观察电路不同的工作状态。这对于扩展学生的思路和学习兴趣是非常有帮助的。

2.2 实验硬件设备投资较少，经济优势明显

对于传统的电子类实验教学，实验项目大多是固定的。如果要开设新的实验项目，就必须要添置新的实验设备器材和仪器，才能确保新实验的进行。Multisim10.0软件提供大量的实验用的元件，能够用来直接在工作区搭建电路来实现实验电路的测量数据和波形情况，从而节约了购买设备的资金投入。

2.3 实验过程中损耗小，安全可靠

在传统的实验教学过程中，都涉及到因操作不当而造成的元器件和仪器仪表的损毁(例如数字万用表电流档损坏，三极管上的电压大小或者电压极性不对则可能会令三极管损坏)。甚至造成人员伤亡(特别是在三相电源实验中更容易出现此类事故)。采用Multisim]10.0仿真软件进行的实验教学，元器件和仪表都是虚拟的，不必接触真正的元件和仪表，这个闯题迎刃而解了，所以就不存在上述的问题，实验过程中人和设备都是安全的。

2.4 学生可自行设计实验验证，锻炼解决实际问题的能力

实验能力和实验设计能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力中较为重要的。传统的实验教学中，忽视了学生实验能力的培养，对于实验设计能力的培养，则很少涉及到。因此学生学习了理论，要想将其应用到实际的工程实践中，其难度是比较大的。

2.5 避免了烦琐，提高了效率

我们利用Multisim10软件去进行仿真实验，上述的种种问题也就随之解决了，我们可以把所有的精力都用在做仿真实验上面，而且无论学生怎样去做实验仿真，元器件库的任何元件、测试仪器都不会损坏或者丢失。运用该软件做仿真实验不仅解决了上述问题。而且大大的加快了学生做实验的速度，不必去应付除此以外的种种意外情况，做实验当然就得心应手了。

3 教学应用举例

在实验应用中的分压式共射极放大电路的分析：

1)共射极放大电路实验电路图

根据实验原理图画出仿真的图如图1。

2)直流分析

对单管放大电路可以先进行直流分析如图2。

3)动态分析

首先查看输出的波形是否失真，接下来测量具体数据，如图3，图4所示。

当然在实验中有可能出现波形失真的情况，我们通过仿真运行，都可以检测的到。

4 结论

Multisim10.0不仅可以作为高校电工电子技术等课程的实验仿真，而且还能作为相关专业的高校教师进行电路设计的强有力的重要工具。在实验教学中采用虚拟电子仿真软件，给学生建立了一种全新的实验观念，为学生能更快的与实际接轨打下了基础，而且也减轻了工科类专业在实验室方面的经济投入。

参考文献

[1]范秀娟.EDA教学与电子课程设计相结合的探索[J].电气电子教学学报,2001(23).

虚拟实验软件 篇8

水力学是介乎于基础力学和工程技术之间的一门专业基础学科, 它主要研究以水为代表的液体的流动规律以及如何运用这些规律于生产实践[1]。该课程的基础性使其成为几乎所有水利相关专业的必修专业基础课。相比于刚体力学而言, 水力学涉及的是更为复杂的流动现象, 流体运动过程中的能量及动量转换、力学参量变化等都无法完全用理论分析的方法解析地表达出来。因此实验水力学作为水力学的重要研究手段被广泛地应用在学术研究和工程实践中。然而, 相应的水力学实验教学却存在着诸多困难和瓶颈, 严重制约了教学工作的开展。

首先, 水力学实验教学工作量巨大。以笔者所在学校为例, 水力学教研室有4~5位教师承担水力学 (包括水力学专题) 的理论课讲授, 而专职从事水力学实验教学的只有3位教师, 其面对的授课班级却多达几十个班次, 教学工作量巨大。如此大的工作量必然会影响到授课质量并大大增加了小范围指导学生实验操作的难度。其次, 从授课课时角度看, 在水力学课程的80个学时中, 理论学时占68个, 实验学时则仅占12个, 而每个班都要分批次讲授并实际操作8个核心实验。在教学实验室空间和仪器有限的情况下, 课程的安排非常困难并且可能出现排课时间跨度过长的情况, 从而导致实验课与相应理论课程在时间上的脱节, 降低了实验教学的效用。此外, 对于函授或者自考等非全日制学生而言, 由于平时要忙于单位工作, 多数时间并不在学校学习, 虽然理论课可通过集中时间进行讲授, 但实验课则基本上通过自己熟悉实验手册等方式完成, 没有机会进行实际实验操作, 学习效果有限。

近年来, 随着计算机技术的发展, 已有不少教育工作者尝试将实验课虚拟化[2,3,4,5], 但主要还是集中在计算机教学以及基础物理实验方面。力学, 特别是流体相关力学的虚拟实验平台并不多见。

为了解决上述困难和瓶颈, 在总结实验教学方法和技术细节的基础上, 基于Action Script3.0语言研发出一套交互能力强、仿真程度高的水力学虚拟实验软件包, 配合对应的现场实验照片、视频及关键步骤的语音讲解等外围媒体手段, 在一定程度上可以替代实际实验操作, 较为成功地解决了上述瓶颈。

二、水力学虚拟仿真实验系统的基本构架

笔者所研发的水力学虚拟实验系统包括了“雷诺实验”、“沿程水头损失实验”等多个实验子模块, 但每个模块总体上都遵循了类似的构建框架, 如图1所示。

三、系统构建中若干关键问题的解决

1.三类部件的合理抽象。虚拟实验场景中存在大量实验部件, 若不加以合理分类并进行有针对性的研发, 不仅会显著增加开发工作量, 更可能使得内部逻辑和代码混乱, 影响虚拟实验效果。本研究根据不同实验部件的特点将其分为“静止部件”、“固定动画部件”和“实时动画部件”三类。“静止部件”是虚拟场景中不随操作变化的“背景部件” (如实验台架、管道等) , 这类部件仅通过美工设计绘制即可完成。“固定动画部件”则是指部件可能随着使用者的操作有所变化 (如流量控制器等) , 但其动画主要是示意性的。因此此类部件除了绘制若干关键帧状态外, 只需编写操控参数用于有限的动画切换即可。“实时动画部件”则是本系统的核心部件 (如水流、示踪剂粒子等) , 需要随操作者给定的实验参数和当前实验操作进行实时动画以反映当前实验状态。这类部件的实现是利用Action Script3.0所提供的“面向对象”机制, 将部件定义为类 (Class) 并构造与实验操作有关的属性和方法 (Method) 。程序运行时随着场景的调入将该“类”实例化为“实验对象”, 而“实验对象”又通过所具有的“方法”对使用者的操作做出响应, 从而完成定义和实验操作的统一。图2列出了虚拟系统中上述三类部件的范例。

2.虚拟场景与真实场景的对比。通过对虚拟实验场景中各实验部件的美工和仿真设计, 虽然可以使学生获得接近真实实验的操作感受, 但为了使教学效果更加完善, 本研究中还加入了与虚拟设备及操作相对应的真实实验场景的对比展示, 尽可能地缩小了虚拟仿真与真实情形的差距。功能上表现为:当实验操作者选择某部件后, 程序获取该虚拟部件并给出该部件多角度的真实照片。图3即为“雷诺实验”中虚拟恒压实验水箱与真实水箱实物的对比场景。

3.实验动画的仿真度和实时性。水力学虚拟实验最重要的功能是在计算机上尽可能地真实再现实验场景中的流动现象, 这包括两个方面:一是在现象上应让操作者感受到“象”, 即与真实现象相比具有较高的仿真度。二是必须具有较高的操作相关性, 即随着实验操作者的操作而实时改变流动状态, 呈现不同的实验现象。研究中通过对“实时动画部件类”在各情形下的状态参数及其与场景中该部件的帧动画进行绑定, 实现了当实验者给出不同操作时, 状态参数的改变直接触发实验部件的动画实施转换。例如, 对于雷诺实验, 当操作者通过“虚拟流量控制阀”给出更大流量时, 程序实时计算层流和紊流状态之间的无量纲判别参数雷诺数 (Re) 的值, 根据不同的Re值, 实时地显示层流 (流层颜色线为直线且清晰) 、过渡流动 (颜色线发生弯曲) 及紊流 (颜色线消失, 进入全断面染色阶段, 用点状粒子表示) 的过程, 如图4所示。

4.实验的工程应用扩展。水力学既是一门专业基础课, 同时也具有很强的实用性, 因此水力学实验的教学应该最终与实际工程应用联系起来, 使学生了解每个实验所对应的工程背景和所能解决的实际工程问题。在进行系统研发时, 有针对性地进行了工程应用实例的选材, 并且对于同一个实验, 尽可能地从不同角度选择2~3个工程实例进行讲解。例如在“伯努利能量方程”虚拟实验中, 在工程实例环节通过图片和文字等形式给出了火车站站台设置“黄色安全线”以防列车高速通过时所形成的低压区可能造成的安全隐患, 以及飞机机翼翼型与所产生的升力之间的关系, 两个与日常生活密切相关的工程应用实例。通过学生试用反馈, 对这一工程应用延伸教学模块的满意度在97%以上。

5.虚拟实验软件系统的多种途径发布。软件系统研发完成后要提供给学生使用, 传统的方法是将其打包制作成安装程序, 随后在客户计算机上安装使用。本研究除了提供这种传统软件发布方式外, 为了方便函授等非在校生的实验学习需求, 将软件系统内嵌至网页, 在外层编写了登录认证代码, 并通过视窗系统的IIS (Internet Information Server) 平台构建了因特网服务器, 面向学生提供软件的WEB访问版本, 使学生可以随时随地通过互联网络在网页上进行虚拟实验的操作, 进一步提高了虚拟实验系统的使用效率和灵活性。

四、结语

实验教学是力学类课程教学的重要组成部分, 但也存在授课任务重、实验室资源紧张及对非在校生难以开展工作等困难和瓶颈, 并在一定程度上制约了实验课教学的实施。本研究以水力学实验课程为突破口, 通过研发高仿真虚拟实验系统, 有效缓解了上述矛盾, 同时也初步取得了良好的教学实践效果。在此基础上进行更加系统的深度研发, 将对力学类授课体系的进一步完善起到更大的推动作用。

摘要：水力学是面向水利类本科学生开设的一门重要专业基础课。由于流动现象的复杂性, 仅通过理论教学很难使学生深刻认识流体运动的力学本质, 必须通过实验来加深理解。而实验课则常常面临仪器成本高、授课任务重等诸多困难。通过对实验各环节的深入分析, 基于Action Script3.0系统研发构建了具有强交互性的仿真虚拟实验平台, 不仅在实验教学中取得了良好的教学效果, 也为其他力学教学实验课件的研发提供了基本思路。

关键词：水力学实验,虚拟,仿真

参考文献

[1]董曾南.水力学[M].北京:高等教育出版社, 1995.

[2]赵颜.《微机硬件虚拟实验室》网络课程的开发[J].中国电化教育, 2007, (9) :59-61.

[3]朱敏, 朱焱.虚拟实验与物理课程教学[M].南京:东南大学出版社, 2008.

[4]张建.大学物理虚拟仿真实验室的研究与开发[D].吉林:吉林大学, 2007.

虚拟实验软件 篇9

关键词：软件虚拟化,软件环境,软件部署

一、引言

随着网络的发展与应用,以及各类利用计算机软件系统模拟的实验教学环境的出现及使用,在各个高校中都建设了大量的计算机实验室用于学生的实验、实训课程的学习以及各类社会服务项目,但在高校计算机实验室的急剧增加,应用范围的不断扩大,社会服务项目的不断增多,造成大面积的计算机实验室内的软件配置环境不断更改、更新,甚至重新进行部署,此类工作都直接造成计算机实验室的管理任务增加,如何能够有效地提高实验室的灵活度,降低实验室的更改、更新、重新部署次数、提高实验室的部署速度,就成为计算机实验室的管理人员一个共同面临,需要解决的关键问题。

二、实验室目前存在的问题

以本人所在的学院为例,找出各大学计算机实验室存在的共同点为本研究对象,各高校普遍拥有的计算机实验室在20个以上,用于实验的计算机数量在1200台以上,因实验室的不断建设、教学软件更新的特性,造成各实验室中的计算机性能良莠不齐,实验室在经过几年的使用后,虽然都根据各计算机的特性有针对性的进行着升级等改造,但局限于计算机的基本结构,也只能缓解一时的困难,无法根本解决教学需要与实验设备性能落后的矛盾,因此在满足各类教学、实验上存在不同差距。例如在2005年左右建设的计算机实验室,计算机配置主要集中在P4 3.0级的CPU,虽然在使用中对内存进行升级,但因计算机的基本结构已定,并不能实质性的提高计算机的运行能力,因此在实践教学中就形成了各教学软件可以运行,但效率有限的症状,尤其是在单机被部署较多的教学软件后,计算机运行慢的症状表现得更加突出。为缓解和解决该类问题,各高校的计算机实验室不断投入、重新建设,为了保证较长的利用,在硬件配置上得到了大幅度的提升,均采用i5级或以上的CPU,但相应而来的是目前部分软件对64位系统的兼容性不足,主要集中在原有的实验环境模式系统。受这些因素的影响,在不同性能的计算机实验室中部署教学软件时就变得更为复杂,因此需要一种既能解决低性能计算机在大量软件部署后对效率的低影响,又能解决试验教学软件在64位系统上运行的方式。

三、软件虚拟化在实验室的应用

在每个学期的开学伊始,各高校的实验室都要根据教学的不同需要对实验室内的计算机软件环境进行更改、更新甚至重新部署来满足教学的需要,而在教学的过程中,因高校计算机实验室承担的各类考试,诸如国家计算机等级考试、财务类考试以及其他用到计算机实验室的项目,势必造成实验室内计算机软件环境的重新部署。

在实验室的部署效率的摸索中,经过简单绿色版或免安装软件的过渡后,选择了利用Vmware thinapp软件来处理应用程序的安装问题,Vmware thinapp这是一款可将应用软件进行虚拟化的工具软件,可以实现在同一操作系统上运行多版本的虚拟应用程序而不发生冲突,甚至可以运行同一应用程序的多个版本。在这儿主要用该虚拟化工具来制作免安装的单文件应用软件,改变传统的软件完全安装模式,充分结合实践教学的需要,对教学软件进行虚拟化处理,测试、跟踪、评估软件的运行表现及效果。提高计算机实验室内教学软件的快速部署,提高单机的运算效率,并同时解决部分软件无法在Windows 7操作系统上运行的问题,排除部分教学软件的冲突。在制作该类软件前,首先需要对计算机实验室的实验软环境进行统计,结合高校实践教学的需要,根据教学软件性质的不同进行分类,整理出所有实验、实训教学需要的软件,按照软件的特性及用途、实验室中的利用率逐个对软件进行分类,按软件的特性及用途一般可以把软件分为:服务类软件、编程类软件、工具类软件。按软件的利用率可根据各院校的教学计划将软件分为,高使用率和一般使用率、较低使用率,按照以上两种分类的交集中会发现,服务类软件通常处于较低的使用率,仅局限于计算机专业类的学生,大多时间与编程类软件同步使用。编程类软件的使用率一般,虽然也集中在计算机相关专业学生,但其对编程软件的使用却贯穿与整个的学习、研究过程。工具类软件则因为多样性、普及性使用率较高,并种类较多如影音、图像、统计等。

接下来,本人针对各类软件在安装后对计算机单机性能的影响,根据完成的分类来逐个分析,首先,服务类软件,在服务类软件安装后,由于软件本身的服务性质,会造成系统的加载项过多,计算机运行时增加不必要的消耗。编程类软件安装后本身对系统性能的影响不大,而且在使用时地点比较固定。工具类软件虽然单个软件在安装后对系统的影响不大,但因种类太多,如果在实验室中希望实现大面积安装时比较费时,对系统的影响也会增加。针对分类,可考虑在实验室的部署上,服务类软件在性能的可保证的前提下采用虚拟化的模式进行部署。编程类软件可采用传统安装模式。工具类软件则尽量采用虚拟化的模式大面积的部署,既保证了机房的灵活调配,又不会造成对实验、实训效果的影响。

在传统的计算机软件安装模式时,每个学期的开始,各计算机实验室需要核对自己的课表,并与代课教师核对实验软件的版本,然后才能对实验室内的计算机进行系统更新,并逐一安装试验用应用软件,同时需要注意软件之间的冲突问题,而且很难避免软件的安装失败时对系统造成不良的影响。而在计算机实验室中因采用软件虚拟化与传统模式的混合运行后,可根据实验室内计算机的性能以及实验室的教学安排来合理的采用应用软件的虚拟化,实验环境需要的大面积的应用软件是提前处理好的独立运行程序,它的部署免去了传统软件运行模式的安装过程,可以将可运行的单文件软件直接保存在有还原功能的非系统分区里,因此,软件的安装工作就只是几个文件的拷贝工作,不仅提高工作的效率同时保证了软件的可运行性。

采用虚拟化后的应用软件部署到实验室时,由于VMware Thin App将程序需要使用的相关资源如exe、dll、ocx、注册表项等打包封装到一个单一的可运行文件中,程序在运行时所需要的资源也都从这个可运行文件中调用到虚拟环境中,从而实现与操作系统的隔离。因而应用软件本身在不处于运行状态时与计算机的系统没有关联,因此它不再受系统的更替影响,同时由于软件处于独立文件的形态存在于计算机中,免去了与其它软件的冲突,提高了软件运行时的稳定性及可靠性。

软件在系统启动时不随系统的启动而启动,在不运行软件时,软件只是作为一个大文件单独的保存,不存在计算机运行资源的消耗。当虚拟化后的应用程序被关闭时,软件将完全与系统剥离,释放对系统资源的占用,对其所产生的修改,都只保留在软件自身的目录内,也可同时提高学生对软件的各类设置的灵活掌握,再需要恢复软件的默认设置时,仅需要删除虚拟化软件在运行后产生的文件即可。

因虚拟化软件在制作过程中包含了与自身运行有关的系统关联项,使得虚拟化软件可在不同的系统平台中运行,系统平台的升级效率,

同时,在计算机实验室中都或多或少的存在部分实验室需要使用双系统的实验环境,在传统模式时,我们需要在两套系统中均安装软件,负责就需要采用了虚拟化软件的运行模式时,我们只需对应用软件的一次性部署,把存放应用软件的分区提供双系统可见即可,这样在需要使用应用软件时即可直接使用,而不用在双系统之间频繁切换。

四、总结

虚拟实验软件 篇10

关键词：应用虚拟化,计算机实验室,VMware Thinapp

0 引言

随着信息化教育的不断深入,以及各行业信息化进程的不断加快,高等院校各专业对大学生计算机应用能力的要求也在逐步提升,专业的实验环境、个性化的实验需求给各高校计算机实验室管理带来了新的要求与挑战。作为大学生计算机应用能力培养主要阵地的计算机实验室在历经多年发展,已积聚了大量异构终端设备的情况下,能否有效满足学校培养技术人才和卓越工程师的要求,能否满足师生开放式、自主自助实验的需求成为计算机实验室软件管理的一个新课题。

1 计算机实验室软件管理中的矛盾

1.1 标准化实验环境与个性化教学需求的矛盾

为保证实验教学的顺利进行,各高校计算机实验中心一般会在集中的时间节点向各任课教师征集软件安装的需求,统一协调安装各教学软件,并形成标准化的实验环境。由于其制作、测试、部署周期较长,一般在学期中不再允许软件被变更。然而,现实环境越来越强调个性化教学,时常会有一些并不常用的特殊软件或专业软件的安装需求。以某高校计算中心为例,每学期至少会有4~5个临时性的软件需要安装,但在下一学期往往又不再需要这些软件,把这些临时性的个性化教学软件加装到已经过测试的成熟软件环境下会带来难以预料的兼容性或稳定性方面的问题。解决方法是开放临时性的分区来安装这些软件,但这样又难以做到真正意义上的标准化,给软件的管理和分发带来了一定的障碍。对于这些特殊化的编外软件如何做到有效管控,是如今标准化计算机实验室面临的现实挑战。

1.2 异构环境与软件快速分发需求的矛盾

高校计算机实验室往往存在多种异构环境,对软件的快速分发带来了一定的不便。

首先,从硬件层面看,实验室的机型一般是淘汰一批、留用一批、引进一批,计算机的型号往往是不统一的,存在着不同实验室使用不同型号PC的情况,即使在同一实验室也有可能出现使用相同机型PC但不同批次的情况,而不同批次的PC所安装的底层还原卡驱动也有可能不相同,所以在定制和发布软件时,需要针对不同机型制作相应的样机。例如实验室A的机型为HP,实验室B的机型为联想,实验室C的机型为DELL,在获得一个软件变更需求时,需要分别在A、B、C3个实验室的样机上都安装所需变更的软件再进行分发。在时间较为紧迫的情况下,同时对3个或更多实验室样机进行软件的制作、测试和发布,给计算机实验室管理人员带来了很大的工作负担和压力。

此外,从操作系统和平台的层面上看,现在常用的操作系统有Windows7、Windows10,个别实验环境还必须用到Windows XP或者Linux操作系统。在操作系统相同的情况下又需要区分教学平台、考试平台、实验平台等。在遇到多个操作系统或平台都需要安装一款软件时,往往费时又费力,难以满足软件快速分发的需求。

1.3 复杂需求下软件冲突的矛盾

计算机实验室的软件安装种类和数量是家用环境无法比拟的,其系统往往非常臃肿,即使高配置的计算机性能也大打折扣,加之可能存在的软件冲突问题使得系统出错的可能性也有所增加[1]。同时为了考虑各种软件安装在一起时的兼容性、稳定性,需要经过较长时间的测试才会进行部署。但是,虽然经过测试,在现实复杂的软件安装需求下,两个或多个软件在同时运行时,也可能会出现冲突,导致其中一个软件或多个软件都不能正常工作。冲突的情况很复杂,具体情况都不一样,不同机器不一样,同一个机器,不同使用状态下也不一样,但是都会出现电脑运行缓慢,或者某个软件不能正常使用,或者电脑死机等情况。

2 应用程序虚拟化

应用程序虚拟化是解决计算机实验室软件管理矛盾的有效途径。许多厂商都推出了各自比较成熟的应用程序虚拟化产品以供用户使用。

2.1 应用程序虚拟化特点及优势

应用程序虚拟化用于提供对集中化应用资源的多用户远程访问,从而将应用作为一种服务交付给用户[2]。应用程序虚拟化可以使终端用户获得如同在本地运行应用程序一样的体验,却不用在本地实际安装应用程序,该应用实际上被部署在服务器端,当客户端用户访问虚拟化后的应用时,其实质是将人机交互数据传给服务器端,服务器端为该用户开设独立的会话来运行应用程序的计算逻辑,并将处理后的显示逻辑传回用户端[3]。应用程序虚拟化优势如下:

(1)虚拟化后的应用程序可以在异构环境下使用。如在Linux系统上运行Windows的一些软件,而这些软件原本是无法跨平台兼容的。并且一些原本并不相兼容的应用,可以彼此互不干扰地运行在同一环境下。

(2)部署简便且部署能力强。虚拟化应用程序可以作为一个完整的实体,在无需对终端用户的操作环境、网络环境、应用环境进行标准化的情况下,实现终端用户体验的标准化。同时虚拟化程序的制作和部署速度非常快捷,根据对多款应用程序虚拟化工具的测试报告[4],生成一个60M左右的虚拟化应用程序快照的时间最快只需70s,之后该程序就能在客户端正常运行。可以说,应用程序虚拟化的制作和部署速度是常规方法难以企及的。

(3)安全性好。由于应用程序和所访问的数据都处于集中管理和维护状态下,因而对数据的访问可以轻易地被监测和保护。并且,虚拟化应用程序是从主机环境隔离的,由于应用程序的问题而导致整个系统崩溃的几率将大大减少。

2.2 应用程序虚拟化种类

虚拟化技术领域主要被三大公司所占据:VMware、Citrix和Microsoft。国内的科研机构及厂商也在迎头赶上,逐步推出自己的产品,但是主流的虚拟化技术还是由这三家大公司所控制,它们推出的虚拟化产品种类繁多,在应用虚拟化层面它们也各自推出了相应的产品:VMware的ThinApp、Ctrix的XenApp以及Microsoft的App_V。这3个产品在易用性、适用性、经济性等方面各有优缺点,但它们的总体宗旨都是将实际的应用程序与主机环境分开,用户在客户端主机上对虚拟应用程序的访问和操作,实际都是通过占用服务器端所分配的独立内存空间和独立会话通道进行的,用户所看到的应用程序界面的变化都是通过相应的传输协议接受服务器端信息的变化而变化的。终端用户可以获得与在本地终端实际安装使用某应用一样的感受。并且终端用户可以在联网的情况下不受设备和运行环境的制约,在任何时间、任何地点访问任何它们想使用的应用。

3 ThinApp在计算机实验室软件管理中的应用

作为虚拟化行业的领军者,VMware公司的市场份额在所有虚拟化厂商中所占比例最高,据相关调研[5]可知,其2014年市场占有率最高达到90.1%。VMware公司在虚拟化和云计算基础架构领域处于全球领先地位,其下的应用虚拟化产品ThinApp是一款应用极为广泛的应用虚拟化工具,它主要以消除应用程序冲突和简化管理为目标而设计,可降低应用程序交付的成本或复杂性。 作为VMware View的一个关键组件,ThinApp可将应用程序兼容到虚拟桌面环境中,并有助于减少桌面应用程序和映像的管理负担[6]。其特性非常适合应用于计算机实验室软件管理。然而,作为大学生计算机应用能力培养主要阵地的计算机实验室,在实验软件管理中存在的矛盾也与日俱增,其中标准化的矛盾、快速部署分发的矛盾、兼容性的矛盾尤为突出。

采用VMware的ThinApp来定制和快速发布实验软件将给实验软件管理带来极大便利。其包含的关键步骤为:准备必备环境、安装ThinApp软件、打包应用程序、发布ThinApp应用程序。本文以安装射手影音播放器为例进行阐述:

(1)准备必备环境。首先由于ThinApp是VMware View桌面虚拟化的一个组件,计算机实验室需要有部署了VMware View桌面虚拟化环境的服务器集群,将服务器集群中的文件服务器加入到域中并创建存放ThinApp虚拟化程序包的共享文件夹。

(2)安装ThinApp软件。通过VMware View部署一台虚拟机,并在其上安装射手影音播放器和ThinApp软件。

(3)打包应用程序。运行之前安装好的ThinApp扫描虚拟机上的已装软件,在扫描到射手影音播放器后按照提示对其进行打包,打包完成后会生成射手影音播放器.exe和射手影音播放器.MSI两个文件于Bin目录中,并将其存放到第一步中创建的共享文件夹下。

(4)发布ThinApp应用程序。在浏览器中打开VMware View Administrator的管理页面,扫描新加入的软件射手影音播放器。扫描获取完毕后就能对其进行管理和分发,可以分配到桌面池或者单独的虚拟机桌面,如图1所示。

分发完成后,通过计算机实验室的PC或瘦客户端登录到分配了虚拟软件的虚拟桌面上,就能找到已分发的射手影音播放器,点击射手影音播放器图标即可立即使用。这时,用户也许并没有察觉到这是通过应用程序虚拟化所发布的软件,因为在体验上和本地使用射手影音播放器基本没有区别;而之前打包所用的虚拟机是Windows7 系统,用户可能使用Windows XP的虚拟机,但虚拟软件的运行却没有任何冲突。这正是应用程序虚拟化所具有的优势。

4 结语

应用程序虚拟化为计算机实验室软件管理带来了极大便利,对于一些常规软件可以做到集中、规范化管理。但是在实际使用中发现并不是所有应用程序都可以进行虚拟化,有些应用程序过于依赖本地环境,或对一些底层硬件环境有特殊需求,或只能依靠直接调用某些定制的操作系统参数才能正常运行。特别是一些计算机辅助设计软件和视频编辑软件,如AutoCAD等。因此,应用程序虚拟化并不是万能的,需要对其适用性作进一步研究。并且,应用的虚拟化虽然使得克隆以及部署应用变得非常简单,但是随之而来也会带来一些版权、许可等方面的问题。因此,应出台相应措施,从技术和法规两方面入手,使应用程序虚拟化更健康的发展。

参考文献

[1]艾华丽.应用程序虚拟化在机房管理中的应用[J].经营管理者,2009(21):330.

[2]付平武.微软App-V在计算机实验室管理中的应用[J].软件,2013(4):85-87.

[3]杨娴.云计算环境下的应用虚拟化的研究[J].软件,2012(4):74-77.

[4]飞雪散花.谁是绿色工具的打造之王[J].电脑迷,2011(1):28-29.

[5]中国产业信息.2015-2022年中国虚拟化市场专项调研及发展趋势预测报告[EB/OL].http://www.chyxx.com/research/201506/323173.html.