唐珊

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)畫(huà)面轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確率低這一問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。虛擬仿真教學(xué)硬件系統(tǒng)由學(xué)生端和服務(wù)器端兩部分組成，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊中的虛擬電源為集成電路芯片提供穩(wěn)定電流，信號(hào)發(fā)生器確保服務(wù)器端的邏輯電路可以識(shí)別到一定的脈沖信號(hào)，使用瀏覽器和服務(wù)器相結(jié)合的架構(gòu)模式構(gòu)建軟件結(jié)構(gòu)。為檢測(cè)系統(tǒng)效果，與傳統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的畫(huà)面轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 多維數(shù)據(jù); 可視化系統(tǒng); 優(yōu)化設(shè)計(jì); 對(duì)比驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34; TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)構(gòu)建出一個(gè)感知虛擬的環(huán)境，虛擬環(huán)境和當(dāng)今社會(huì)人類(lèi)的生活環(huán)境相似，具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種功能。虛擬環(huán)境通過(guò)交互設(shè)備和虛擬環(huán)境內(nèi)的實(shí)體相互作用讓實(shí)驗(yàn)者在虛擬環(huán)境中有和真實(shí)生活環(huán)境一樣的感覺(jué)，并且可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的操作[1]。近年來(lái)，因?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以減少實(shí)驗(yàn)儀器的使用和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，并且可以得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等特點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)在模擬駕駛訓(xùn)練、室內(nèi)設(shè)計(jì)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]。為了拓寬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，本文對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓這一技術(shù)更加超前[3]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多維數(shù)據(jù)可視化是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將虛擬環(huán)境需要的信息映射為可識(shí)別的圖形、圖像、視頻、動(dòng)畫(huà)、文字這五大基本要素，操作者對(duì)構(gòu)建的虛擬仿真環(huán)境的組成數(shù)據(jù)進(jìn)行交互分析[4]。多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的存在意義是讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境可以更準(zhǔn)確地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)體現(xiàn)轉(zhuǎn)化為條理清晰的圖表形式，簡(jiǎn)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作的過(guò)程。

1? 基于虛擬仿真教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)硬件優(yōu)化

本文優(yōu)化的虛擬仿真教學(xué)中的多維數(shù)據(jù)可視化硬件系統(tǒng)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，并結(jié)合多維數(shù)據(jù)構(gòu)建出新的虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，與傳統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)不同的是操作者可以通過(guò)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)[5]。虛擬仿真教學(xué)硬件系統(tǒng)由學(xué)生端和服務(wù)器端兩部分組成，學(xué)生端由虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)顯示。服務(wù)器端根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊和系統(tǒng)管理模塊為學(xué)生端提供虛擬平臺(tái)，優(yōu)化后的硬件系統(tǒng)如圖1所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊中的虛擬電源為集成電路芯片提供穩(wěn)定電流，信號(hào)發(fā)生器是確保服務(wù)器端的邏輯電路可以識(shí)別到一定的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)分持續(xù)高波和持續(xù)低波[6]兩種波形信號(hào)。持續(xù)高波為學(xué)生端行為正確的脈沖信號(hào)，持續(xù)低波為學(xué)生端在虛擬環(huán)境錯(cuò)誤操作的脈沖信號(hào)，這樣就可以進(jìn)行邏輯判定。服務(wù)器端的兩種顯示器選取清晰的LED顯示器來(lái)顯示結(jié)果。服務(wù)器端的另一部分系統(tǒng)管理模塊主要是記錄各種操作者的信息和每次學(xué)生端面對(duì)不同的問(wèn)題進(jìn)行處理的方案、教師評(píng)語(yǔ)，經(jīng)過(guò)一段固定時(shí)間會(huì)對(duì)系統(tǒng)管理模塊進(jìn)行更新補(bǔ)充，這樣就可以提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)質(zhì)量[7]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多維數(shù)據(jù)可視化硬件系統(tǒng)平臺(tái)是由虛擬元器零件布局設(shè)置、電路連線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)仿真模擬控制脈沖信號(hào)等部分彼此相互傳遞組成一個(gè)完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電路連線(xiàn)設(shè)計(jì)采用迷宮算法，其特點(diǎn)是提高電路輸送信息效率，為集成電路芯片接觸提供快速的信息交換[8]。電路工作時(shí)迷宮算法可以維持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的運(yùn)行環(huán)境。實(shí)驗(yàn)仿真模擬控制是在虛擬元器零件布局設(shè)置、電路設(shè)計(jì)的連接后，建立一個(gè)基本的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真控制監(jiān)測(cè)操作者在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中的操作，如果發(fā)生短路、環(huán)境錯(cuò)誤等意外可以及時(shí)緊急處理并將信號(hào)傳遞給脈沖信號(hào)進(jìn)行后臺(tái)維修[9]。

服務(wù)器端依據(jù)多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)編碼模擬了教師職能錄入的信息，比如教師教學(xué)素養(yǎng)，知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)生選課安排與操作者交流的銜接處理等內(nèi)容。多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的變化，可以為同一實(shí)驗(yàn)的不同操作者提供不同的場(chǎng)景，深化操作者對(duì)教學(xué)的體會(huì)，增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)性[10]。服務(wù)器端搭建模型如圖3所示。

服務(wù)器端可以設(shè)置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息類(lèi)型、數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的連通性需求等一些基本要求，可視化硬件要及時(shí)進(jìn)行更新處理，這樣客戶(hù)端操作者就可以根據(jù)服務(wù)器端給出的一些必須要求，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行操作。

2? 虛擬仿真教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)軟件優(yōu)化

虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)軟件部分的優(yōu)化是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)，優(yōu)化后操作者可以隨時(shí)隨地進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以在系統(tǒng)中查找個(gè)人在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的操作評(píng)價(jià)、操作過(guò)程、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)安排，以便操作者發(fā)現(xiàn)自身的不足。

軟件系統(tǒng)是瀏覽器和服務(wù)器相結(jié)合的架構(gòu)模式，具有極高的擴(kuò)展性和兼容性，可以進(jìn)行信息分布式處理，有效降低虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境資源的成本，并提高系統(tǒng)性能。為了提高學(xué)校管理的要求，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，具體系統(tǒng)配置環(huán)境如圖4所示。

圖4顯示本方案的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)由五大分布組成。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有存在一定的操作者和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，才能讓這個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)揮作用，本文對(duì)于這些基本信息存儲(chǔ)篩選操作是由數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型E?R模型完成[11]。

E?R模型主要分三類(lèi)用戶(hù)，系統(tǒng)管理員、教師、操作者，建立學(xué)生排課表、實(shí)驗(yàn)安排表、成績(jī)查詢(xún)表、學(xué)生基本信息表。系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)等級(jí)設(shè)為三級(jí)。第一級(jí)為提取的數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型E?R圖，第二級(jí)為數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)到云端，最高級(jí)別為進(jìn)行自定義算法加密存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，定期系統(tǒng)管理者會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析更新和備份。具體操作結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3? 實(shí)驗(yàn)研究

本文對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進(jìn)行了性能和功能的多方面測(cè)試，來(lái)檢驗(yàn)優(yōu)化后的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。功能測(cè)試是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的可視化效果進(jìn)行測(cè)試，性能測(cè)試是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的畫(huà)面轉(zhuǎn)變方面的測(cè)試。

功能模塊測(cè)試是當(dāng)操作者學(xué)習(xí)時(shí)，監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境是否會(huì)和真實(shí)教學(xué)過(guò)程具有相同的過(guò)程。經(jīng)過(guò)多個(gè)操作者不同的操作實(shí)驗(yàn)得出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多維數(shù)據(jù)可視化操作環(huán)境可以有條理地進(jìn)行每一步操作，運(yùn)行得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。效果測(cè)試是點(diǎn)擊不同操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地出現(xiàn)每個(gè)操作者操作實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，多維數(shù)據(jù)可視化的效果讓教師端清晰明了地觀察到操作者的學(xué)習(xí)誤區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的預(yù)期效果。測(cè)試工具如圖6所示。數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)是在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中讓虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備更具有真實(shí)性，讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化環(huán)境更貼切真實(shí)教學(xué)環(huán)境。教學(xué)環(huán)境畫(huà)面測(cè)試在操作環(huán)境中隨著操作次數(shù)的增加，頁(yè)面需要不斷地進(jìn)行畫(huà)面轉(zhuǎn)變，所以測(cè)試主要是檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作環(huán)境是否會(huì)出現(xiàn)白屏或者卡屏的情況。本文測(cè)試選取外加工具測(cè)試，工具可以自動(dòng)對(duì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中的操作視頻進(jìn)行檢測(cè)，如出現(xiàn)白屏或者卡屏，測(cè)試工具就會(huì)發(fā)出紅色燈，如畫(huà)面正常會(huì)顯示綠色信號(hào)燈。為了避免偶然性本次實(shí)驗(yàn)采取100次操作者的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖中，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境出現(xiàn)畫(huà)面轉(zhuǎn)換停留平均為1.5 s，為正?，F(xiàn)象，如果超過(guò)3 s，則證明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)存在問(wèn)題。因此，本文優(yōu)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)可以構(gòu)建一個(gè)更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)虛擬環(huán)境。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文通過(guò)增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)的管理模式，優(yōu)化了學(xué)生端進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)的驗(yàn)證方式，通過(guò)多維數(shù)據(jù)可視化方法提高了虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性，降低了教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)畫(huà)面白屏的概率。相信隨著科技的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)會(huì)有更加飛躍的進(jìn)步，這樣才能將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高到更高的層次。

參考文獻(xiàn)

[1] 周志光，余佳珺，郭智勇，等.平行坐標(biāo)軸動(dòng)態(tài)排列的地理空間多維數(shù)據(jù)可視分析[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2019，24（6）：956?968.

[2] 錢(qián)義先，任志君.虛擬仿真的可視化物理光學(xué)課堂教學(xué)探索[J].物理通報(bào)，2018（7）：22?25.

[3] 董彥佼.多關(guān)聯(lián)性VRML協(xié)同虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2019，36（5）：372?376.

[4] 余厚洪.基于“可視化”的秘書(shū)學(xué)課程教學(xué)論析[J].檔案管理，2018（1）：73?75.

[5] 張志勇.高中數(shù)學(xué)可視化教學(xué)：原則、途徑與策略—基于GeoGebra平臺(tái)[J].數(shù)學(xué)通報(bào)，2018，57（7）：21?24.

[6] 夏忠.畫(huà)數(shù)學(xué)，為學(xué)生提供可視化的思維路徑[J].教學(xué)與管理，2017（11）：47?49.

[7] 王亞彭，王紅，李德勝，等.高中地理教學(xué)領(lǐng)域研究的可視化分析基于科學(xué)知識(shí)圖譜的方法[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2017（18）：48?51.

[8] 凌一洲.從美的發(fā)生到美的體驗(yàn)、美的創(chuàng)造：利用可視化實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)美育滲透的探索[J].化學(xué)教學(xué)，2017（12）：10?13.

[9] 張麗敏，高晶，李務(wù)斌，等.微服務(wù)環(huán)境下容器編排可視化實(shí)踐研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2019，41（8）：1366?1373.

[10] 斯琴，范哲超.我國(guó)高等職業(yè)教育創(chuàng)業(yè)教育研究熱點(diǎn)的可視化分析[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2017（4）：86?90.

[11] 余厚洪.基于“可視化”的秘書(shū)學(xué)課程教學(xué)論析[J].檔案管理，2018（1）：73?75.