曹劍文

摘 要：針對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)所暴露的問題，文章設(shè)計了一種交互式虛擬實驗室管理系統(tǒng)，介紹其系統(tǒng)功能，重點分析了其開發(fā)平臺，以及虛擬實現(xiàn)技術(shù)在虛擬實驗室管理系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用，對于進一步提高虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：交互式；虛擬實驗室；管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）29-0007-02

隨著我國高等教育逐漸由精英式教育轉(zhuǎn)向大眾式教育，高校的招生規(guī)模急劇膨脹，導(dǎo)致很多高校出現(xiàn)了師生比嚴(yán)重不足的現(xiàn)象，由此帶來的嚴(yán)重問題是很多實踐課程無法開設(shè)，主要原因是由于老師人手不足，導(dǎo)致動手實踐實驗課程無法開設(shè)，很多實驗課程都是走馬觀花式的演示性教學(xué)，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和電子信息技術(shù)的發(fā)展，一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗室教學(xué)系統(tǒng)逐漸得到了廣泛的研究。本研究課題主要設(shè)計了一種交互式虛擬實驗室管理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)轉(zhuǎn)為基于計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的虛擬實驗教學(xué)。這將極大地降低教師的教學(xué)工作壓力和工作量，有助于推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

交互式虛擬實驗室管理系統(tǒng)是一種基于計算機網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實管理技術(shù)，融合了計算機、電子通信、測試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬建模等技術(shù)，是一種新興的實驗室管理系統(tǒng)。結(jié)合具體的設(shè)計方案來說，交互式虛擬實驗室管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有以下幾類。

1.1 實驗室設(shè)備管理

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是依托實驗設(shè)備進行教學(xué)的，在實驗教學(xué)過程中必然要對實驗設(shè)備進行管理；同樣，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的交互式虛擬實驗室管理系統(tǒng)，也要對實驗設(shè)備進行管理。實驗設(shè)備的管理主要體現(xiàn)在對實驗設(shè)備的工作狀態(tài)、工作參數(shù)進行實時監(jiān)測與管理，實驗設(shè)備的維護管理以及對實驗設(shè)備的故障診斷管理。

1.2 實驗室門禁管理

實驗室門禁管理主要是指依托虛擬門禁識別技術(shù)，實現(xiàn)對整個實驗室的進出權(quán)限分類管理，這里既包括不同權(quán)限的人可以出入不同的實驗室，也包括不同時間對不同的實驗室進行統(tǒng)一的門禁管理。對實驗室實施門禁管理是實現(xiàn)虛擬實驗管理的一個重要方面。

1.3 實驗室耗材管理

一方面，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)對實驗耗材的動態(tài)跟蹤記錄，確保整個虛擬實驗教學(xué)過程的順利實施；另一方面，通過對實驗室耗材的管理也能夠提高學(xué)生在進行虛擬實驗教學(xué)過程中對耗材的高效利用。

1.4 實驗過程管理

作為虛擬實驗教學(xué)的最為重要的一個方面，就是對虛擬實驗過程進行管理。學(xué)生利用專門開發(fā)的虛擬過程控制軟件進行實驗教學(xué)，就好像身臨其境處于真實的實驗室中在做實驗一樣，具有很強的真實性和客觀性，因此，如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)加強對實驗過程的管理，是交互式實現(xiàn)實驗室管理系統(tǒng)的一個重要功能。

2 交互式虛擬實驗室管理的設(shè)計應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計平臺

2.1.1 開發(fā)平臺

目前對于基于WEB的大型分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)平臺主要是MS.NET平臺，在此平臺上很多組件開發(fā)已經(jīng)很成熟了，因此，考慮到本管理系統(tǒng)的開發(fā)成本，開發(fā)平臺選用.NET平臺。

.NET是唯一從一開始就是為XML Web服務(wù)創(chuàng)建的開發(fā)環(huán)境，通過允許應(yīng)用程序通過Internet溝通和共享數(shù)據(jù)，XML Web服務(wù)使業(yè)務(wù)能夠從Internet轉(zhuǎn)換為用于集成和傳送它們的核心商業(yè)價值的真正平臺。.NET為XML Web服務(wù)提供簡單、靈活、基于標(biāo)準(zhǔn)的模型，允許開發(fā)人員從新的和現(xiàn)有的代碼匯編應(yīng)用程序，而與平臺、編程語言或?qū)ο竽Ｐ蜔o關(guān)。

2.1.2 開發(fā)語言的選擇

這里考慮到選用的平臺是.NET平臺，而在該平臺上C#.net語言具有很大的開發(fā)靈活性和兼容性，因此，該系統(tǒng)的開發(fā)語言選用C#語言。

C#編程語言是由微軟公司的Anders Hejlsberg和Scott Willamette領(lǐng)導(dǎo)的開發(fā)小組專門為.NET平臺設(shè)計的語言，它可以使程序員移植到.NET上。這種移植對于廣大程序員來說是比較容易的，因為C#從C，C++和Java發(fā)展而來，它采用了這三種語言最優(yōu)秀的特點，并加入了它自己的特性。C#是事件的驅(qū)動的，完全面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言，我們可以使用集成開發(fā)環(huán)境來編寫C#程序。

2.1.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的選擇

本研究課題根據(jù)從數(shù)據(jù)庫的簡單易用性、功能完善性、性能穩(wěn)定和成本等方面進行考慮，最后選擇了SQL Server數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫平臺，其理由主要是：

①性能價格比高。

②易于安裝、使用和管理。

③可伸縮性和可用性，因此使用起來非常方便。

④高性能設(shè)計，可充分利用WindowsNT的優(yōu)勢。

⑤系統(tǒng)管理先進，支持Windows圖形化管理工具，支持本地和遠程的系統(tǒng)管理和配置。

⑥支持對稱多處理器結(jié)構(gòu)、存儲過程、ODBC，并具有自主的SQL語言。SQL Server以其內(nèi)置的數(shù)據(jù)復(fù)制功能、強大的管理工具、與Internet的緊密集成和開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為廣大的用戶、開發(fā)人員和系統(tǒng)集成商提供了一個出眾的數(shù)據(jù)庫平臺。

2.2 虛擬實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用

要實現(xiàn)虛擬實驗過程和虛擬實驗室管理，必須借助于三維建模和虛擬重建技術(shù)。為此，要按以下步驟實時虛擬實現(xiàn)技術(shù)在虛擬實驗室管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.2.1 三維建模

借助于Solid Works三維建模軟件對虛擬實驗室管理系統(tǒng)中所涉及到的各個對象進行建模，包括實驗設(shè)備，實驗儀器，實驗耗材，甚至到實驗室的黑板、燈、桌椅等都要進行建模，以增強虛擬實驗教學(xué)的真實感。

2.2.2 場景重建

利用場景組態(tài)軟件將之前構(gòu)建的三維模型進行場景布置，從而重建出與真實實驗室完全一致的實驗場景，這有利于提高學(xué)生在進行虛擬實驗教學(xué)過程中的身臨其境感，也從側(cè)面提高了整個虛擬實驗室管理系統(tǒng)的管理直觀性。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與通信

利用底層傳感器實現(xiàn)對被測對象數(shù)據(jù)的采集，并經(jīng)過數(shù)據(jù)整理、濾波等操作，將數(shù)據(jù)傳入到虛擬實驗室管理系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫進行存儲；另一方面，當(dāng)虛擬實驗教學(xué)過程中需要用到這些參數(shù)時，再利用數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行實時通信和訪問，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的虛擬化采集與訪問。

2.2.4 虛擬現(xiàn)實的響應(yīng)

在整個虛擬實驗室管理系統(tǒng)中，基于虛擬操作實現(xiàn)的響應(yīng)，必須依托VRML技術(shù)，這是一種在網(wǎng)絡(luò)中面向虛擬技術(shù)的工具，通過對VRML的編程開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實動作響應(yīng)自定義等功能，因而能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬技術(shù)對現(xiàn)實操作的響應(yīng)。

3 結(jié) 語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，其應(yīng)用于虛擬實驗教學(xué)也呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的虛擬實驗室管理系統(tǒng)正在逐漸被廣大高校師生所認(rèn)可，它能夠極大的降低傳統(tǒng)實驗室教學(xué)所帶來的壓力，同時由于該虛擬實現(xiàn)技術(shù)是基于計算機系統(tǒng)實現(xiàn)的，因此很容易就能夠?qū)崿F(xiàn)人手一機，對于進一步提高實驗教學(xué)效果具有非常積極的意義。本研究課題主要從交互式虛擬實驗室管理系統(tǒng)的功能入手，詳細設(shè)計了其開發(fā)平臺與虛擬實現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，對于虛擬實現(xiàn)技術(shù)在虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

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