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网络虚拟实验室的设计

2017-03-06周刚伟

电子技术与软件工程 2017年1期
关键词:虚拟实验室交互性仿真

与传统实验室相比,网络虚拟实验室具有灵活、高效、开放以及用户自定义等优势,具有非常好的应用前景。因此,本文就虚拟现实技术和网络虚拟实验室进行了简要概述,并就网络虚拟实验室的建设意义、设计思想、体系结构及基本功能等进行了分析。

【关键词】交互性 虚拟实验室 仿真

虚拟现实技术在实验室设计中的应用,能够有效提高实验室应用的灵活度和高效性,促进远程教育的发展。一些具有较强实践要求的学科,实验非常重要,但是因实验设备难以操作、设备缺乏以及实验条件限制等原因,会导致很多教学实验无法正常开设,学生缺乏实践机会,影响学习效果,但是虚拟现实技术的引入应用,能够使学生获得接近真实实验的效果,有助于培养学生的实践能力。

1 网络虚拟实验室概述

虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境,融合了多源信息的交互式的三维动态视景和实体行为的仿真技术,使用户可以体验虚拟的世界。虚拟现实技术在专用设备的配合下,能够给用户带来触觉、视觉以及听觉等感官的模拟,实现人机互动,达到沉浸性以及交互性,从而给用户带来身临其境的感觉。

虚拟实验室是网络化的虚拟实验环境,即在网络环境中创设一个具有可视化的三维环境,每一种实验对象用一个可视的三维模型代表,然后通过键盘、鼠标或者可穿戴设备,对实验对象、实验环境以及过程等进行模拟和仿真,从而实现实验目的,达到与真实实验环境下相同的效果。

2 网络虚拟实验室建设的作用

(1)能夠减少设备的使用,有效缓解资金不足的现状,避免大型仪器设备的购买和添置等,充分发挥现有仪器设备的作用,节约科研成本;

(2)能够降低操作所带来的风险,虚拟实验室的构建,能够有效避免安全问题,降低操作风险,使学生能够放心操作,且不会对因有害气体而对人体造成伤害;

(3)能够打破以往实验过程中的时间和空间限制,有助于在实验中获得更深刻的体验感受,增加对实验的理解。

3 网络虚拟实验室的设计方法

在运用虚拟现实技术进行网络虚拟实验室设计时,应掌握科学的设计方法,明确实验室设计的基本出发点,从而对其进行体系结构设计和基本功能设计,方法如下:

3.1 基本设计思想

从学科的具体教学需要出发,建立教学实验所需的虚拟环境,然后在各种设备或仪器的配合下,对相关实验模型进行仿真,从而达到设计的目的。

从目前的远程教学系统应用情况来看,主要在扩充性和交互性等方面存在较多的问题,所以本文就该问题,提出了虚拟实验室的设计思想,具体为:该系统运用Internet进行开发,选择使用SQL Server数据库,C/S分布式模型,对于系统的编程则使用Java语言,客户服务器的通信功能应用TCP/IP协议。另外,本文中虚拟实验室的设计,在单机操作的基础上,增加协同技术,使其能够实现信息共享的效果,减少用户之间的访问冲突,使资源能够得到充分利用。

3.2 体系结构设计

搭建虚拟实验室体系结构,如元器件及设备等。其总体结构主要包括服务器端和客户端。服务器端主要包括Web服务器和数据库服务器,客户端主要包括虚拟实验室的运行环境,如运行模块和操作平台等。基于C/S的结构模型是网络虚拟实验室的主要框架,服务器端负责完成客户的应用功能。虚拟实验室的具体工作流程为:客户端发出HTTP请求,通过HTTP服务协议Web服务器将相应的软件传送至用户的浏览器,并生成相应的通信接口和虚拟平台,在与数据库连接后,将用户所需资料传送给用户,从而发挥其作用。在设计的过程中,应注意如果虚拟实验室有较强的交互性,应从用户的具体需求出发,对其进行合理设计。

3.3 虚拟实验室功能设计

功能是进行虚拟实验室设计的主要目的,所以在进行虚拟实验室设计时,主要有以下几个方面:

(1)模拟实验室环境,主要由大量虚拟的仪器和设备模型构成实验对象,并通过这些模型来模拟具体的交互过程,从而达到增加学生与环境交互效果的目的;

(2)虚拟实验室能够给学生适当的实验指导,从而使得学生能够在进行实验前,对具体的实验操作有充分的了解,如实验步骤、内容、以及注意事项等内容,建立文本式的指导书,方便学生随时进行浏览,还可以采用动画或视频演示的方式,方便学生了解实验的具体过程;

(3)网络虚拟实验室的管理内容应包括对信息资料的管理、服务器的管理和数据库管理;

(4)学生在完成实验操作后,应按照统一的格式要求完成实验报告,并提交到指定数据库或交给指导老师;

(5)交流与答疑,网络虚拟实验室应给学生与老师提供交流的平台,可以采用延时通信如BBS和即时通信如广播等方式来实现,能够方便学生之间的交流与讨论,同时还可以方便教师给予学生实验指导,解决学生实验与学习过程中存在的疑问,提高学生的学习效果。

4 结语

将虚拟现实技术引入到网络虚拟实验室的设计中来,能够给学生提供一个具有交互性和真实性的虚拟实验环境,满足学生的求知欲和好奇心,使学生能够获得更为真实的体验,从而提高学生的积极性,而且有助于学生更好地掌握教学的重点和难点,提高学生的实践操作能力,提高实验室教学的质量。

参考文献

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[5]王新海,李伟光,许英.虚拟现实技术在化学实验教学中的应用[J].广州化工,2014,14(13):214-215.

作者简介

周刚伟(1979-),男,河南省宝丰县人。工程硕士学位。主要研究方向为计算机网络技术、多媒体应用技术。

作者单位

平顶山工业职业技术学院 河南省平顶山市 467001

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