徐本軍，薛 鑫，毛小浩

（貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

冶金工程專業(yè)，需要具備冶金物理化學(xué)、鋼鐵冶金和有色金屬冶金等方面的知識(shí)，是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，可以在企事業(yè)單位進(jìn)行專業(yè)的科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)管理等，因此，在冶金工程專業(yè)中，實(shí)踐課程占有特殊的地位，尤其是冶金工程專業(yè)中的《鋼冶金》《鐵冶金》《鋅冶金》等學(xué)科，需要讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中，了解現(xiàn)場(chǎng)工藝及設(shè)備，從而加深理論的理解及應(yīng)用，否則極易影響學(xué)生發(fā)展[1]。尤其是近年來(lái)，冶金工程專業(yè)，受到環(huán)境、效益、產(chǎn)能過(guò)剩等因素影響，企業(yè)不景氣，導(dǎo)致該專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)尤為困難，出現(xiàn)學(xué)生專業(yè)知識(shí)扎實(shí)，但是應(yīng)用能力不強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)淡薄、能力較差等現(xiàn)象，與用人單位的實(shí)際要求，存在較大差距，從而形成惡性循環(huán)，對(duì)企業(yè)招聘人才和大學(xué)生就業(yè)產(chǎn)生雙重影響[2]。為了解決上述存在的問(wèn)題，改變冶金工程專業(yè)現(xiàn)狀，提出采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，形成虛擬場(chǎng)景、視頻等多媒體，展現(xiàn)冶金現(xiàn)場(chǎng)工藝及設(shè)備，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，提高學(xué)生的綜合能力。為此提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研究這一課題。

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研究

1.1 設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架

考慮冶金工程專業(yè)學(xué)生，對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)真實(shí)性的需求，需要采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提高學(xué)生的應(yīng)用知識(shí)的能力和實(shí)際動(dòng)力能力[3]。所以，利用asp.net+C 語(yǔ)言編寫程序，編寫實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；MsSql2000 數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)冶金工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)信息，讓平臺(tái)具有可視化、交互性、資源共享、安全性等特點(diǎn)。

此次設(shè)計(jì)的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，從邏輯上分為了實(shí)訓(xùn)門戶層、服務(wù)應(yīng)用層、核心服務(wù)層、服務(wù)支撐層、數(shù)據(jù)庫(kù)層等五層。其中實(shí)訓(xùn)門戶層，是平臺(tái)與客戶端的聯(lián)系，通過(guò)實(shí)訓(xùn)門戶，讓客戶端與平臺(tái)中的服務(wù)端具有交互功能，根據(jù)學(xué)生發(fā)送的請(qǐng)求，將服務(wù)層的信息，反饋給學(xué)生。服務(wù)應(yīng)用層負(fù)責(zé)應(yīng)用邏輯的實(shí)現(xiàn)，需要驗(yàn)證登錄人員信息，防止合法用戶非法資源訪問(wèn)。核心服務(wù)層主要負(fù)責(zé)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)信息，處理平臺(tái)日常訪問(wèn)事務(wù)。服務(wù)支撐層支撐著平臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在不更改數(shù)據(jù)庫(kù)信息情況下，調(diào)整平臺(tái)框架。數(shù)據(jù)庫(kù)層存儲(chǔ)冶金工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)。

此時(shí)，根據(jù)圖1 所示的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架，需要部署核心服務(wù)層中的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，促使平臺(tái)具有實(shí)際動(dòng)手操作功能。

1.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)建立實(shí)訓(xùn)平臺(tái)虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境

在圖1 所示的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架基礎(chǔ)上，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)平臺(tái)虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，還需采用虛擬現(xiàn)實(shí)中的virtools.flash 技術(shù)，與asp.net+C 語(yǔ)言編寫程序相結(jié)合，開發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)空間，讓教師可以根據(jù)在線視頻語(yǔ)音，隨時(shí)知道學(xué)生實(shí)訓(xùn)，減少學(xué)生錯(cuò)誤操作，鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。學(xué)生也可以根據(jù)實(shí)訓(xùn)過(guò)程，得到實(shí)訓(xùn)體悟，并且實(shí)時(shí)反饋給教師，從而得到更好的指導(dǎo)。此次設(shè)計(jì)虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用了WEB 的B/S 模式，通過(guò)internet 網(wǎng)絡(luò)，形成虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。該方式構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，具有成本低，環(huán)境生動(dòng)、逼真等特點(diǎn)。在教師組織學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)，只需要學(xué)生從客戶端，如筆記本、ipad、手機(jī)等，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，登錄虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，即可進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生可以“真實(shí)”地操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)教師的指點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，教師可以開啟用戶權(quán)限，觀看每一名學(xué)生的操作過(guò)程，通過(guò)在線語(yǔ)音，糾正學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作步驟，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率。

此外，此次設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還可以自主登錄實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)練習(xí)，只需要學(xué)生在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，發(fā)送實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，選擇自己需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，調(diào)整實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生處于異地時(shí)，學(xué)生所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以存儲(chǔ)在客戶端。當(dāng)實(shí)驗(yàn)為多人合作實(shí)驗(yàn)時(shí)，平臺(tái)可以設(shè)置同步實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)存入服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)。發(fā)生斷電等突發(fā)事件，平臺(tái)也可以返回?cái)嚯娗耙豢蹋葋?lái)電后，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

綜合上述兩節(jié)設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架和實(shí)訓(xùn)環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，占據(jù)十分重要的地位，因此，需要設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 構(gòu)建實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)

基于上述兩節(jié)設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架和實(shí)訓(xùn)環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建滿足實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架和實(shí)訓(xùn)環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)。所以，采用一系列的表單，構(gòu)成實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄和保存教師實(shí)訓(xùn)管理，以及學(xué)生實(shí)訓(xùn)的實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。建立的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以幫助教師，直接掌握學(xué)生詳細(xì)信息，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)授權(quán)，既可以增加實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的信息安全，還可以查看學(xué)生實(shí)訓(xùn)狀況。安排學(xué)生的實(shí)訓(xùn)課程，降低平臺(tái)的用戶并發(fā)量，避免平臺(tái)出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象。在實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，從數(shù)據(jù)庫(kù)中，選擇相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)時(shí)間材料，以及以往的實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)訓(xùn)。

2 平臺(tái)測(cè)試

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，以冶金工程專業(yè)學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證此次研究的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。并將此次研究的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，記為A 平臺(tái)；傳統(tǒng)冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，記為B 平臺(tái)。確定平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境和測(cè)試頁(yè)面，改變平臺(tái)用戶并發(fā)數(shù)，對(duì)比測(cè)試兩組平臺(tái)功能和性能。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)，選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某區(qū)域高校的冶金工程專業(yè)學(xué)生，該專業(yè)學(xué)生約為1000 人，需要同時(shí)使用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，進(jìn)行專業(yè)實(shí)際應(yīng)用能力訓(xùn)練?？紤]學(xué)生專業(yè)排課問(wèn)題，則不會(huì)出現(xiàn)1000人同時(shí)使用平臺(tái)的現(xiàn)象，因此，將該高校冶金工程專業(yè)學(xué)生，每天使用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的人數(shù)設(shè)置為500 人。因此，兩組平臺(tái)需要滿足500 人同時(shí)使用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，且不會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)崩潰現(xiàn)象。

基于上述分析內(nèi)容，計(jì)算平臺(tái)使用用戶的平均并發(fā)用戶數(shù)以及并發(fā)用戶數(shù)峰值。為此，假設(shè)平臺(tái)使用者數(shù)為n ，用戶訪問(wèn)時(shí)間為n ，平臺(tái)被訪問(wèn)時(shí)間為T ，則平均并發(fā)用戶數(shù)C 以及并發(fā)用戶數(shù)峰值 'C 分別為：

基于（1）式計(jì)算得到的用戶使用人數(shù)，為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，考慮此次設(shè)計(jì)的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以及傳統(tǒng)冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)特點(diǎn)，設(shè)置兩組平臺(tái)通用運(yùn)行環(huán)境，如表1 所示。

表1 平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境

基于表1 所示的平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境，采用Xenu Link Sleuth1.3 測(cè)試平臺(tái)的運(yùn)行功能，檢測(cè)平臺(tái)各項(xiàng)功能是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，連接頁(yè)面是否正確，功能鍵是否正常；Apache Jemeter2.3 測(cè)試平臺(tái)性能，檢測(cè)平臺(tái)頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間，是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)；Pangolin3.0 測(cè)試平臺(tái)安全性能，查看是否存在非法入侵，以及平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象。

根據(jù)Xenu Link Sleuth、Apache Jemeter和Pangolin檢測(cè)結(jié)果，此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)選擇的兩組平臺(tái)，皆處于正常運(yùn)行狀態(tài)，可以進(jìn)行平臺(tái)對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 平臺(tái)功能測(cè)試

基于此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置的路標(biāo)1 所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，采用Xenu Link Sleuth 軟件，分別檢測(cè)兩組平臺(tái)的登錄頁(yè)面、平臺(tái)首頁(yè)、實(shí)訓(xùn)管理頁(yè)面、實(shí)驗(yàn)課程維護(hù)頁(yè)面和學(xué)生授權(quán)頁(yè)面等平臺(tái)頁(yè)面功能，查看兩組平臺(tái)，連接下一頁(yè)面的連接情況，以及顯示頁(yè)面是否正確。

2.2.2 平臺(tái)性能測(cè)試

基于第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)，采用Apache Jemeter 軟件，測(cè)試平臺(tái)性能?；趯W(xué)生最大登錄平臺(tái)人數(shù)，將平臺(tái)的用戶并發(fā)數(shù)從50 設(shè)置到500，檢測(cè)兩組平臺(tái)，隨著用戶并發(fā)數(shù)的增加，所有頁(yè)面總共響應(yīng)時(shí)間的變化，從而驗(yàn)證兩組平臺(tái)性能，其測(cè)試結(jié)果，如表3 所示。

表3 平臺(tái)性能測(cè)試結(jié)果

從表3 中可以看出，當(dāng)用戶并發(fā)數(shù)為50 時(shí)，A 平臺(tái)所有頁(yè)面總共響應(yīng)時(shí)間，較B 平臺(tái)少3s ；當(dāng)用戶并發(fā)數(shù)為200 時(shí)，A 平臺(tái)所有頁(yè)面總共響應(yīng)時(shí)間，較B 平臺(tái)少30s ；當(dāng)用戶并發(fā)數(shù)為500 時(shí)，A平臺(tái)所有頁(yè)面總共響應(yīng)時(shí)間，較B 平臺(tái)少95s。由此可見，此次研究的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，用戶并發(fā)數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，平臺(tái)所有頁(yè)面總共響應(yīng)時(shí)間，也未曾達(dá)到1min，因此，具有較快的響應(yīng)速度。

綜合上述兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此次研究的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，平臺(tái)頁(yè)面功能完善，可以承受較多的用戶并發(fā)數(shù)，具有較快的響應(yīng)速度。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，此次研究冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓平臺(tái)具有與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)保持一致性、準(zhǔn)確性和可控性的特點(diǎn)，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際操作能力。但是，此次研究的冶金工程專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，未曾考慮平臺(tái)的安全性能。因此，在今后的研究中，還需深入研究平臺(tái)的安全性能，避免平臺(tái)本身因素，影響學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果。