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一、虛擬實驗室的研究背景

網絡的出現改變了人類的生活方式，大大提高了人們通信的效率和速度，使得不同地域的人們可進行實時對話。作為教育本身來說，為了給社會培養更多的高質量技術人才，其教學模式必將隨著通信手段的提高進行相應的改進，如何利用internet進行網絡教學已成為近年來各國教育界的重要研究課題。其實遠程教學很早就開始了，如函授大學、電視大學等，只是由于現代的WWW技術給遠程教學提供了前所未有的交互性和巨大的資源共享潛力，遠程教學最近才得到如此重視。盡管目前人們對基于WWW的遠程教學模式還不是完全清楚，但有一點是確定的：基于WWW的遠程教學在不久的將來會成為一種重要的教育模式。作為一種教育模式，現代遠程教學應該是教師、學生、教學內容、教學媒體四要素的綜合體現，是在WWW環境中展開的教學活動的穩定結構形式。與現代教育一樣,現代遠程教育也應強調培養學生的能力、素質與創造性，要求學生能靈活地掌握知識，其教育理論和學習理論應建立在建構主義基礎上，強調以學為中心的教學模式。該教學活動應重點考慮以下三方面：要在學習過程中充分發揮學生的主動性，要能體現出學生的首創精神；要讓學生有多種機會在不同的情境下去應用他們所學的知識(將知識“外化”)；要讓學生能根據自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方案(實現自我反饋)。以上三點，即發揮首創精神、將知識外化和實現自我反饋可以說是體現以學生為中心的三個要素，是培養現代人才的必備條件。

然而，從目前的遠程課件來看，其網上素材基本分為兩類：靜態與動態。靜態素材一般是將書本、教案等以靜態的形式放于網上；動態素材一般是在靜態素材中出現的一些動畫表現。雖然后者以動畫的形式表現，但并不具備可變性，不能給學生提供真實的情景，很難達到以上的三點要求，即很難保證學生的質量。對于計算機專業來說，學生的大部分能力都是通過實驗得到的，真實的情景是現代遠程教學質量提高的關鍵。基于此,網上實驗已成為遠程教學研究的重要方面，而且已有很多成果出現。ICHIGAN大學為操作系統和高級語言課程建立了網上系統實驗室，其實驗都是基于軟件環境的，不涉及硬件模擬；PURDU大學建立了一種交互式的網上學習環境：學生可在網上做一些簡單的交互式硬件實驗，但由于其代碼是用JAVA語言編寫的，其實驗的復雜度受到一定的限制。然而，對于計算機專業來說，其中很多實驗計算量相當復雜，例如處理器設計、復雜電路設計等，要完成真實的實驗過程，這些計算量在客戶端利用APPLET在執行時間上是難以接受的。

針對目前網上實驗存在的問題，在實驗教學過程中，結合實際情況我們研究設計了《計算機組成原理》虛擬實驗室。從理論上講，《計算機組成原理》虛擬實驗室的研究是對傳統實驗教學模式的一種改革，為打破傳統模式的局限性，提高實驗教學質量，促使實驗教學由實物實驗教學向虛擬實驗教學、遠程虛擬實驗教學發展，提供了最佳解決方法。《計算機組成原理》虛擬實驗室將遠程教育的概念引入到實驗教學之中，結合強大的網絡功能，使得以虛擬現實技術為基礎的網絡虛擬實驗室資源以及虛擬實驗室儀器設備等資源的共享成為可能，它允許人們通過網絡訪問和使用自己沒有的設備資源，使得處于不同地理位置的學習者可以同時對一個實驗項目進行實驗操作，實現用戶信息的協同共享，同時可以及時的接觸到最新的儀器。

在實踐意義上，《計算機組成原理》虛擬實驗室通過網絡設施建設和實驗教育應用功能的開發、通過運用現代先進的計算機技術來改善實驗教學環境，建立與現代信息技術相融合的網絡實驗教學系統，及時更新教學內容，高效率傳播先進的科學技術，普遍提高學生實驗操作能力，從實踐中培養學生的創新能力。項目的研究和實施將極大緩解實驗設備經費、實驗教學人員不足，實驗教學內容更新緩慢等問題。極大提高學生的學習興趣和實驗操作能力，從實踐中培養學生的創新能力，并有助于校際之間、學校與科研院所之間、學校與企業之間及學校與社會之間實驗資源的交流和共享。

二、虛擬實驗室方案研究

1、功能架構

《計算機組成原理》虛擬實驗室構建了高等院校計算機組成原理的網絡實時虛擬實驗平臺，提供了運算器、控制器、靜態和動態存儲芯片、譯碼電路芯片、以及其它可編程芯片和常用的門電路邏輯芯片，可進行計算機組成原理的設計與虛擬實驗。并且在相關匯編編譯系統及監控程序的配合下，同虛擬實驗電路一起，可實現更為高級的應用。《計算機組成原理》虛擬實驗室提供了高校實驗室的相關管理功能，包括實驗資源及信息的網上，實驗演示，學生實驗報告的編寫、實驗報告的提交匯總、教師對實驗報告的批改和評分管理，以及教師在線實驗答疑等主要功能；虛擬實驗室還提供了網上理論知識測試功能，有助于提高學生或其他使用者的理論知識水平，使得學生及其他使用者在計算機組成原理的理論和實踐這兩個層面上都能夠得到較好的提高。整個虛擬實驗室通過網絡設施建設和實驗教育應用功能開發，構建一個集實驗教學、演示、操作、指導、結果提交管理為一體的數字化實驗教育環境，具體功能如圖1所示。

2、具體實現

（1）外部接口

《計算機組成原理》虛擬實驗室平臺采用易于擴展及平臺移植性好的Java語言實現，利用ASP實現實驗室的管理功能。虛擬實驗室平臺可運行于安裝Java虛擬機的各種平臺，管理系統則需要IIS的支持。

《計算機組成原理》虛擬實驗室主要用于高校計算機組成原理實驗，面向廣大學生和教師，其頂層圖如圖2所示：

（2）內部接口

《計算機組成原理》虛擬實驗室基于硬件和軟件虛擬的特殊性質，采用了多種結構以支持電路的實驗設計和有效運行，從總體上主要劃分為三大模塊：虛擬時鐘、電路芯片、電路板連線。由虛擬電路板對三大模塊進行協調配合運行。虛擬時鐘和電路芯片采用線程結構以提高運行的實時性，通過連線進行邏輯信號的實時傳送，以實現與真實電路相同的效果。

三、結論

在虛擬實驗室中通過鼠標的點擊及拖曳操作，用戶可以方便地進行虛擬、仿真實驗。虛擬實驗室具有透明性、互動操作性、資源共享性、用戶自主性、可擴展性、安全性等特點，能真正突破地域和時間的限制，達到遠程實驗教學的目的，它在教育、科研等領域中具有廣闊的應用前景，是實驗教學改革的一個新發展方向，也是今后遠程教育發展的主流與趨勢。

參考文獻：

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