網絡互動型機械工程虛擬實驗室的構建

呂 紅，趙 媛，張 杰，王麗娜

（海軍航空工程學院 基礎實驗部，山東 煙臺 264001）

虛擬實驗室（Virtual laboratory）[1]是指由網絡技術、計算機技術、虛擬現實技術等生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統，包括相應實驗環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等。

基于校園網，構建虛擬實驗系統，使學生共享一個虛擬空間，達到提升教學效果的目的。虛擬實驗室徹底打破空間、時間的限制，為學生提供了生動、逼真的實驗學習環境，學生能夠成為虛擬環境的一名參與者，可以極大地調動學生的學習積極性，突破實驗教學的重點、難點，在培養學生的實際操作技能方面起到積極作用[2]。

1 虛擬實驗平臺的構建目標

網絡互動型機械工程虛擬實驗教學平臺構建的總體目標是建立一種新型網絡互動型實驗教學模式，指導教師能夠通過網絡對實驗教學過程進行管理，對實驗項目進行設置，通過網絡論壇對學生進行輔導，對實驗結果數據進行檢查；學生能通過網絡遠程登錄系統，能夠學習相關的仿真軟件，能夠掌握實驗儀器設備的功能及操作規程，能夠自主地進行實驗并通過網絡平臺上傳實驗報告[3]。

虛擬實驗系統的設計原則，包括：

1）開放性 基于校園網，任何學生只要在接入校園網的任一終端上，便能使用虛擬實驗系統，學生可方便地在網上進行任一專業、任一課程的實驗學習并及時獲取與實驗教學及管理有關的各種信息。

2）交互性 學生可以通過做虛擬實驗來提高實際操作能力，并且虛擬實驗可以給出交互信息，對學生的操作實時作出反饋。

3）易于維護 虛擬實驗教學系統為每個實驗室提供了一個維護自己的實驗內容、實驗管理、發布信息的界面，圖形、聲音、動畫等采用標準格式，網絡應用程序采用跨平臺的設計原則[4]，因此才便于維護管理和普及應用。

4）安全性與可靠性 系統運行一定要安全可靠，要求全天候工作，學生在任何時候都可以登錄校園網使用，網絡管理員定期對網絡進行維護，對主要數據進行備份。

2 虛擬實驗室建設內容

根據《軍隊院校基礎實驗室建設標準》（試行）中要求：實驗室應具備開展網絡教學和虛擬實驗的條件，應有配套虛擬實驗軟件和實驗輔助教學軟件以及支持實驗室開放的管理系統。依據這一文件精神建設的《機械工程虛擬實驗室》，以校園網為依托，具備實驗學習、虛擬實驗、實驗報告和公告答疑等4種功能。根據軍隊院校的人才培養方案確定機械工程虛擬實驗室由機械設計、機械制造和工程材料及技術測量3個實驗室組成，界面如圖1所示。

1）機械設計虛擬實驗室 包含機構運動簡圖繪制實驗、漸開線直齒圓柱齒輪范成實驗和減速器拆裝實驗等3類實驗項目。

2）機械制造虛擬實驗室 包含冷加工方法認知、熱加工方法認知、典型零件加工工藝編制以及數控加工編程等4類實驗項目。

3）工程材料及技術測量虛擬實驗室 包含金相試樣制備、金相顯微組織觀察與分析、金屬材料的硬度實驗和沖擊實驗等4類實驗項目。

圖1 機械工程虛擬實驗室界面Fig.1 Interface of the mechanical engineering virtual laboratory

3 虛擬平臺具體設計

在虛擬實驗平臺構建中，采用三層B/S結構，前臺用戶顯示層基于JSP和Servlet實現，系統的業務邏輯層基于JavaBean組件實現，后臺數據庫基于SQL Server實現。

基于B/S的三層體系結構，有如下優點：1）允許合理劃分三層功能，使其在邏輯上保持相對獨立，從而使整個系統的邏輯結構更為清晰，提高系統的可維護性和擴展性[4]；2）三層結構中，各層可以并行開發，各層也可以選擇各自最合適的開發語言，并且對于每一層處理邏輯的開發和維護也會更加容易；3）集中管理的優勢。所有服務器程序都運行于服務器上，對系統升級更新、服務器的配置修改、系統的數據備份和恢復等功能都可以直接在服務器端完成，獨立于客戶端。

3.1 系統層次結構

系統的層次結構如圖2所示。

圖2 系統層次結構Fig.2 System level structure

系統表現層完成信息的展示、接收用戶輸入的數據或提交的實驗報告等功能，主要用JSP實現，HTML用于表現頁面布局，JavaScript用于交互時的數據檢查、頁面特效等需要在客戶端完成的一些功能。

業務邏輯層采用Java編寫的JavaBean組件來實現，用于封裝對數據庫的操作，并完成業務處理邏輯，這樣在表現層只需要簡單的調用就即可得到所需要的數據[5]。

數據邏輯層完成在SQL Server數據庫中數據表的設計，以及數據的合理存儲。

3.2 服務器設計方案

在整個互動型虛擬實驗教學平臺中，服務器是核心，因此在設計中需要綜合考慮各方面因素，包括操作系統的兼容性、開發難易程度、軟件的可擴展、重用性及平臺的安全性等。

3.2.1 服務器的運行環境

環境配置所需軟件：Microsoft Windows 2000 Server、JDK 1.4或以上版本、Tomcat5.0 或以上版本、Rational Rose、JSP（Java Server Page）編程語言。另外，網頁制作軟件Dreamweaver CS3用來實現系統各個界面的布局設計，3DMAX等用來實現實驗過程的動態模擬演示，內嵌Realplay播放器用來實現操作過程和數據處理過程的演示，Microsoft SQL Server用來實現數據的管理。

3.2.2 服務器處理過程

Web服務器基于JSP容器來處理所有向JSP頁面發出的請求。為了處理頁面中的JSP元素，容器要把JSP頁面轉化成Servlet，所有的JSP元素都被轉換成實現相應動態行為的Java代碼，編譯后成為擴展名.class的JSP頁面實現類，再由Servlet引擎運行，最后將執行結果返回到Web服務器[6]，Web服務器再將結果返回到客戶端瀏覽器上。如果在上述過程中JSP引擎發現JSP文件已經運行并且產生了JSP頁面實現類，則直接運行該JSP頁面實現類。這就是載入一次可以重復執行的技術。采用JSP、JavaBean、SQL Server實現的系統中，數據庫連接是最重要的部分。本文所研究的數據庫連接基于 JDBC（Java DataBase Connectivity）。SQL Server數據庫帶有JDBC驅動程序，Java程序通過JDBC驅動程序與數據庫相連。JSP只要將JDBC驅動程序類加載到應用程序的Java虛擬機中，就可以使用該驅動程序來建立連接。

3.2.3 三維仿真模型的建立

在虛擬實驗平臺中，實驗過程的三維仿真演示非常重要，筆者基于 VRML（Virtual Reality Modeling Language， 虛擬現實建模語言）與3DMAX相結合的方式來搭建此模型。

VRML中提供了視點Viewpoint節點，這個節點允許為用戶設置一個理想點的位置和方向[7]，通過不斷改變視點的位置和方向可以達到不斷改變對象位置和方向相似的動畫效果。用戶可以從該點來觀察場景，在第一個新的觀察點，瀏覽器獲得的圖像就像是使用一部虛擬的取景器在屏幕上播放一樣。替身在虛擬空間中的移動，就使得取景器不斷地調整其位置和朝向。當Viewpoint節點是Transform節點的子節點時，視點的方位是在Transform節點的坐標系內，如果坐標移動，則視點也隨著移動。當在虛擬平臺中移動時，可以把時間傳感器觸發的fraction changed事件值傳遞到旋轉節點和位置節點以產生新的視點和位置[7]，然后把新產生的視點方向傳遞到視點（Viewpoint）節點中就會改變原先的值，從而產生三維立體動畫效果，如圖3所示。

圖3 減速器拆裝仿真效果Fig.3 Disassembly and assembly simulation effects of the reducer

4 實際教學意義

結合本院實驗教學的實際，虛擬實驗室的構建主要解決了傳統機械工程實驗教學體系中存在的以下不足：1）實驗耗時長、花費大、學員實驗時間很難安排；2）學員實驗前缺乏對操作過程和結果的預見性；3）對具有危險性的實驗操作缺乏心理準備，稍微不慎會造成設備損壞甚至人員受傷；4）實驗流程多為教員先講，學員再做，大部分學員只是進行觀摩及實驗數據的記錄，動手能力得不到提高，教學效率低。

5 結束語

通過虛擬實驗室可以使學員在實驗前就能更好地了解實驗的目的和原理，掌握實驗方法和儀器的使用，提高學員的興趣以及對專業知識的感性認識，并且在節約實驗經費，提高人才培養質量等方面具有積極的作用。通過在實際教學中的應用表明，將網絡、虛擬技術[8]融入到實驗教學體系中，對于實驗教學的改革具有重要的意義。

[1]宋向軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理，2005，22（1）:35-37.SONG Xiang-jun.The application prospect of virtual laboratory inuniversity’s experiment teaching[J].Experimental Technology and Management，2005，22（1）:35-37.

[2]聶濱，曾照芳.基于虛擬現實技術的醫學實驗室的構建研究[J].西北醫學教育，2006（1）:11-13.NIE Bin，ZENG Zhao-fang.Construction of virtual medical laboratory based on virtual reality technology[J].Northwest Medical Education，2006（1）:11-13.

[3]王新剛，陳霞，余潔.關于虛擬實踐教學環境構建的探討[J].教育與職業，2007（5）:160-161.WANG Xin-gang， CHEN Xia， YU Jie.Study on environment construction of the virtual experiment teaching[J].Education and Vocation，2007（5）:160-161.

[4]姜淑敏，楊洋，馮巍.機械基礎網絡交互式虛擬實驗室的研究與實現[J].實驗室研究與探索，2005（9）:17-19.JIANG Shu-min， YANG Yang， FENG Wei.Study and realization on virtual laboratory of mechanical fundamentals based on local-internet[J].Research and Exploration in Laboratory， 2005（9）:17-19.

[5]諶志群，曾文華，丁穎.基于Web的虛擬實驗系統研究與實現[J].杭州電子工業學院學報，2002，22（6）:53-56.CHEN Zhi-qun， ZENG Wen-hua， DING Ying.Research and realize on web based virtual experiment systems[J].Journal of Hangzhou Institute of Electronic Engneering，2002，22（6）:53-56.

[6]鄭耿忠.基于Web的電路協同虛擬實驗室研究及實現[J].計算機工程與設計，2006（21）:4111-41114.ZHENG Geng-zhong.Design and implementofcircuit cooperate virtual laboratory based on web [J].Computer Engineering and Design， 2006（21）:4111-4114.

[7]劉怡，張洪定，崔欣.虛擬現實VRML程序設計[M].天津:南開大學出版社，2007:1-3.

[8]柳蛟.基于SOA的企業服務總線的研究與實現[J].陜西電力,2010，38（9）:38-42.LIU Jiao.Research and implementation of SOA based enterprise service bus[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（9）:38-42.