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虚拟仿真实验教学中多维数据可视化系统优化设计

2020-10-22唐珊

现代电子技术 2020年20期
关键词:虚拟仿真实验优化设计实验教学

唐珊

摘  要: 针对传统虚拟仿真实验教学中多维数据可视化系统画面转换准确率低这一问题进行优化设计。虚拟仿真教学硬件系统由学生端和服务器端两部分组成,数据库管理模块中的虚拟电源为集成电路芯片提供稳定电流,信号发生器确保服务器端的逻辑电路可以识别到一定的脉冲信号,使用浏览器和服务器相结合的架构模式构建软件结构。为检测系统效果,与传统优化系统进行实验对比,结果表明,虚拟仿真实验教学中多维数据可视化系统的画面转换准确率高于传统系统。

关键词: 虚拟仿真实验; 实验教学; 多维数据; 可视化系统; 优化设计; 对比验证

中图分类号: TN919?34; TP399                   文献标识码: A                      文章编号: 1004?373X(2020)20?0168?03

Optimization design of multidimensional data visualization system in virtual

simulation experiment teaching

TANG Shan1,2

(1. Xuzhou University of Technology, Xuzhou 221000, China; 2. Macau University of Science and Technology, Macau 999078, China)

Abstract: In allusion to the problem that the traditional multi?dimensional data visualization system in the virtual simulation experiment teaching has low accuracy of image conversion, an optimization design is conducted. The virtual simulation teaching hardware system is composed of the student end and the server end. The virtual power supply in the database management module is used to provide a stable current for the integrated circuit chip. The signal generator is used to ensure that the logic circuit of the server side can recognize a certain pulse signal. The architectural pattern combined with the server and browser is used to construct the software structure. The comparison of the system and the traditional optimization system is carried out to detect the system effect. The results show that the multi?dimensional data visualization system in the virtual simulation experiment teaching has higher image conversion accuracy than that of the traditional system.

Keywords: virtual simulation experiment; experiment teaching; multidimensional data; visualization system; optimization design; comparison validation

0  引  言

虚拟仿真实验教学方式是通过计算机科学技术构建出一个感知虚拟的环境,虚拟环境和当今社会人类的生活环境相似,具有视觉、听觉、触觉等多种功能。虚拟环境通过交互设备和虚拟环境内的实体相互作用让实验者在虚拟环境中有和真实生活环境一样的感觉,并且可以进行一些简单的操作[1]。近年来,因为虚拟仿真实验教学可以减少实验仪器的使用和实验场地的限制,并且可以得出正确的实验结果等特点,虚拟仿真实验教学已经在模拟驾驶训练、室内设计等方面得到了广泛的应用[2]。为了拓宽虚拟仿真实验教学技术的应用领域,本文对虚拟仿真实验教学中的多维数据可视化系统进行优化设计,让这一技术更加超前[3]。

虚拟仿真实验教学的多维数据可视化是通过计算机技术将虚拟环境需要的信息映射为可识别的图形、图像、视频、动画、文字这五大基本要素,操作者对构建的虚拟仿真环境的组成数据进行交互分析[4]。多维数据可视化系统的存在意义是让虚拟仿真实验教学环境可以更准确地体现实验结果,将一些复杂的数据体现转化为条理清晰的图表形式,简化虚拟仿真实验教学操作的过程。

1  基于虚拟仿真教学中多维数据可视化系统硬件优化

本文优化的虚拟仿真教学中的多维数据可视化硬件系统可以通过计算机技术构建虚拟环境,并结合多维数据构建出新的虚拟仿真教学环境,与传统的虚拟仿真教学系统不同的是操作者可以通过个人网络进入虚拟仿真教学系统[5]。虚拟仿真教学硬件系统由学生端和服务器端两部分组成,学生端由虚拟实验平台来显示。服务器端根据数据库管理模块和系统管理模块为学生端提供虚拟平台,优化后的硬件系统如图1所示。

数据库管理模块中的虚拟电源为集成电路芯片提供稳定电流,信号发生器是确保服务器端的逻辑电路可以识别到一定的脉冲信号,脉冲信号分持续高波和持续低波[6]两种波形信号。持续高波为学生端行为正确的脉冲信号,持续低波为学生端在虚拟环境错误操作的脉冲信号,这样就可以进行逻辑判定。服务器端的两种显示器选取清晰的LED显示器来显示结果。服务器端的另一部分系统管理模块主要是记录各种操作者的信息和每次学生端面对不同的问题进行处理的方案、教师评语,经过一段固定时间会对系统管理模块进行更新补充,这样就可以提高虚拟仿真实验教学系统的教学质量[7]。

虚拟仿真实验多维数据可视化硬件系统平台是由虚拟元器零件布局设置、电路连线和实验仿真模拟控制脉冲信号等部分彼此相互传递组成一个完整的虚拟仿真实验教学平台。多维数据可视化系统的结构图如图2所示。

电路连线设计采用迷宫算法,其特点是提高电路输送信息效率,为集成电路芯片接触提供快速的信息交换[8]。电路工作时迷宫算法可以维持虚拟仿真实验教学的运行环境。实验仿真模拟控制是在虚拟元器零件布局设置、电路设计的连接后,建立一个基本的虚拟仿真实验教学环境的基础上,通过实验仿真控制监测操作者在虚拟仿真实验教学环境中的操作,如果发生短路、环境错误等意外可以及时紧急处理并将信号传递给脉冲信号进行后台维修[9]。

服务器端依据多维数据可视化技术编码模拟了教师职能录入的信息,比如教师教学素养,知识储备、学生选课安排与操作者交流的衔接处理等内容。多维数据可视化技术可以实现三维场景的变化,可以为同一实验的不同操作者提供不同的场景,深化操作者对教学的体会,增加虚拟仿真实验教学的真实性[10]。服务器端搭建模型如图3所示。

服务器端可以设置虚拟仿真实验教学的信息类型、数量和网络规模的连通性需求等一些基本要求,可视化硬件要及时进行更新处理,这样客户端操作者就可以根据服务器端给出的一些必须要求,在虚拟仿真实验环境中进行操作。

2  虚拟仿真教学中多维数据可视化系统软件优化

虚拟仿真教学实验中多维数据可视化系统软件部分的优化是对虚拟仿真实验教学系统硬件系统的进一步升级,优化后操作者可以随时随地进入系统进行学习,也可以在系统中查找个人在虚拟仿真实验教学中的操作评价、操作过程、实验成绩、实验安排,以便操作者发现自身的不足。

软件系统是浏览器和服务器相结合的架构模式,具有极高的扩展性和兼容性,可以进行信息分布式处理,有效降低虚拟仿真实验教学环境资源的成本,并提高系统性能。为了提高学校管理的要求,对虚拟仿真实验教学多维数据可视化系统进行优化,具体系统配置环境如图4所示。

图4显示本方案的虚拟仿真实验教学多维数据可视化系统由五大分布组成。数据库的设计是系统设计的基础,只有存在一定的操作者和实验教学,才能让这个虚拟仿真实验发挥作用,本文对于这些基本信息存储筛选操作是由数据库概念模型E?R模型完成[11]。

E?R模型主要分三类用户,系统管理员、教师、操作者,建立学生排课表、实验安排表、成绩查询表、学生基本信息表。系统的安全设计等级设为三级。第一级为提取的数据信息数据库概念模型E?R图,第二级为数据库概念模型中的数据进行加密存储到云端,最高级别为进行自定义算法加密存储到数据库系统中,定期系统管理者会对数据库中的数据进行分析更新和备份。具体操作结构如图5所示。

3  实验研究

本文对虚拟仿真实验教学多维数据可视化系统进行了性能和功能的多方面测试,来检验优化后的虚拟仿真实验教学系统的运行情况。功能测试是对虚拟仿真实验教学环境的可视化效果进行测试,性能测试是对虚拟仿真实验教学环境的画面转变方面的测试。

功能模块测试是当操作者学习时,监测虚拟仿真实验教学环境是否会和真实教学过程具有相同的过程。经过多个操作者不同的操作实验得出虚拟仿真实验教学的多维数据可视化操作环境可以有条理地进行每一步操作,运行得到实验结果。效果测试是点击不同操作实验过程的操作点,可以准确地出现每个操作者操作实验的过程,多维数据可视化的效果让教师端清晰明了地观察到操作者的学习误区,可以实现虚拟仿真实验教学多维数据可视化系统的预期效果。测试工具如图6所示。数字电路与逻辑设计是在虚拟仿真实验教学环境中让虚拟的实验仪器和设备更具有真实性,让虚拟仿真实验教学多维数据可视化环境更贴切真实教学环境。教学环境画面测试在操作环境中随着操作次数的增加,页面需要不断地进行画面转变,所以测试主要是检测虚拟仿真实验教学操作环境是否会出现白屏或者卡屏的情况。本文测试选取外加工具测试,工具可以自动对虚拟仿真教学系统中的操作视频进行检测,如出现白屏或者卡屏,测试工具就会发出红色灯,如画面正常会显示绿色信号灯。为了避免偶然性本次实验采取100次操作者的实验过程。测试结果如图7所示。

图中,经过多次测试虚拟仿真实验教学环境出现画面转换停留平均为1.5 s,为正常现象,如果超过3 s,则证明虚拟仿真实验教学多维数据可视化系统存在问题。因此,本文优化的虚拟仿真实验教学多维数据可视化系统可以构建一个更加严谨的教学虚拟环境。

4  结  语

本文通过增加虚拟仿真实验教学多维数据的管理模式,优化了学生端进入系统时的验证方式,通过多维数据可视化方法提高了虚拟仿真教学实验过程的严谨性,降低了教学过程中出现画面白屏的概率。相信随着科技的发展,虚拟仿真实验教学多维数据可视化系统会有更加飞跃的进步,这样才能将虚拟实验教学提高到更高的层次。

参考文献

[1] 周志光,余佳珺,郭智勇,等.平行坐标轴动态排列的地理空间多维数据可视分析[J].中国图象图形学报,2019,24(6):956?968.

[2] 钱义先,任志君.虚拟仿真的可视化物理光学课堂教学探索[J].物理通报,2018(7):22?25.

[3] 董彦佼.多关联性VRML协同虚拟现实仿真系统的实现[J].计算机仿真,2019,36(5):372?376.

[4] 余厚洪.基于“可视化”的秘书学课程教学论析[J].档案管理,2018(1):73?75.

[5] 張志勇.高中数学可视化教学:原则、途径与策略—基于GeoGebra平台[J].数学通报,2018,57(7):21?24.

[6] 夏忠.画数学,为学生提供可视化的思维路径[J].教学与管理,2017(11):47?49.

[7] 王亚彭,王红,李德胜,等.高中地理教学领域研究的可视化分析基于科学知识图谱的方法[J].中学地理教学参考,2017(18):48?51.

[8] 凌一洲.从美的发生到美的体验、美的创造:利用可视化实验室实现美育渗透的探索[J].化学教学,2017(12):10?13.

[9] 张丽敏,高晶,李务斌,等.微服务环境下容器编排可视化实践研究[J].计算机工程与科学,2019,41(8):1366?1373.

[10] 斯琴,范哲超.我国高等职业教育创业教育研究热点的可视化分析[J].中国职业技术教育,2017(4):86?90.

[11] 余厚洪.基于“可视化”的秘书学课程教学论析[J].档案管理,2018(1):73?75.

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