基于網絡的虛擬實驗室平臺研究

摘 要：針對傳統實驗室管理中存在的問題與不足，文章詳細探討了基于網絡的虛擬實驗室平臺設計研究，分析了該平臺系統的主要功能，并重點硬件設計和軟件設計兩個角度給出了該平臺系統的設計與實現方案，對于進一步提高虛擬實驗室管理和教學以及虛擬現實技術在遠程網絡教學中的應用水平具有較好的指導借鑒意義。

關鍵詞：網絡化管理；虛擬化；實驗室平臺；虛擬現實技術

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0072-02

隨著高校招生規模的逐漸擴大，高校實踐教學凸顯出的最大問題之一就是師資力量不足，無法滿足廣大學生的動手實踐需求，使得很多學生對于動手實踐實驗僅僅停留在演示性實驗的階段，極大的限制了實踐教學效果。隨著網絡遠程教學模式的普及，急需一種基于網絡平臺的虛擬實踐教學系統，在這樣的背景下，基于網絡的虛擬實驗室平臺開始受到各個高校實驗管理部門的重視和研究。

本研究課題主要從系統的設計構成給出基于網絡的虛擬實驗室平臺的設計方案與應用模式，以期能夠從中找到可供借鑒與指導的虛擬實驗手段和管理系統的應用經驗，并以此和廣大同行分享。

1 系統總體設計

1.1 功能設計

基于網絡的虛擬實驗室平臺主要是為了實現對實驗室的遠程虛擬化管理，因此從功能設計上來說，該平臺系統主要實現以下功能。

1.1.1 實驗室的用戶管理

所有實驗室工作管理人員都實行用戶注冊登錄制，只有經過審核通過的用戶才能夠登陸到該遠程平臺上，并實現平臺內的信息共享。這樣就能夠實現對所有實驗室工作人員的統一管理，比如考勤、文件共享或信息上傳下達等。

1.1.2 實驗設備的遠程管理

對所有實驗室內的實驗儀器及實驗設備進行登記，以實現對所有實驗設備的遠程管理，主要包括對實驗設備的運行記錄、養護記錄，以及實驗設備原料等耗材的使用、消耗情況的統計記錄，以便于對實驗室設備及時養護或更新設備狀態，進而確保實驗的順利進行。

1.1.3 實驗的虛擬過程管理

基于網絡的虛擬實驗室平臺，最大的特點就是能夠借助于虛擬現實技術實現遠程實驗，及借助于計算機技術對虛擬實驗實施過程管理，使得操作者如同身臨其境一樣進行實驗操作，極大的提高了教學的情境效果。

1.1.4 遠程虛擬實驗管理

該虛擬實驗室平臺能夠模擬實驗管理，即實現遠程的虛擬化實驗教學，能夠同時對多臺計算機終端進行管控，實現多臺計算機終端同時作業虛擬實驗，從而實現虛擬實驗教學的遠程化管理。

1.2 運行模式設計

基于網絡的虛擬實驗室平臺采用四層業務體系結構，使得用戶只需要通過瀏覽器即可輕松完成和實現豐富的實驗室管理等多種功能，簡單易用，大大縮短了信息系統建立周期，節省管理費用；集中管理、統一維護、分類有序存放信息數據，使得系統維護、升級、擴充更方便，并且可針對實驗室的各項開設實驗內容的特點迅速做出相應的系統調整和變化，極大的適應了用戶在不同環境和條件下的需求。

出于簡化設計任務的目的，并且實現獨立運行操作，并沒有實現四層架構，而是采用簡化后的兩層架構，即客戶端（前臺的信息瀏覽）——數據庫（后臺的信息管理），這樣的信息管理模式同樣能夠實現不同的教學信息的分類管理，對于用戶信息、教學信息、專業課程設置等功能模塊的添加、刪除一樣可以很方便的實現，并且這樣的設計結構的最大優勢就在于簡化了整個軟件的設計流程，同時增強了系統軟件的獨立性和對網站的依賴性。

2 基于網絡的虛擬實驗室平臺的設計與實現

2.1 虛擬實驗室平臺的硬件設計

2.1.1 平臺架構層次設計

基于網絡的虛擬實驗室平臺系統的整體架構包括展現層、核心功能層、訪問控制層等三個系統層次，以及賬號數據庫，審計數據庫等數據支撐數據庫以及外部接口模塊組成。架構如下：

①展現層：用來提供必要的用戶接口，包括資源訪問入口，行為審計視圖，報表統計視圖等，用來與用戶進行實時的交互。

②核心功能層：包含了虛擬實驗平臺的核心工功能，主要有實驗資源管理，認證管理，授權管理，虛擬實驗管理以及敏感管控系統等。

③訪問控制層：包含了登陸管理，訪問策略管理，以及通信接口適配器。

④認證數據庫：用于存放用戶的身份認證數據，包括口令，證書，及授權數據。

⑤審計數據庫：用于存放操作審計數據，敏感管控的安全控制數據。

⑥外部接口：用于和其他的業務系統進行數據交互。

2.1.2 實驗平臺業務流設計

基于網絡的虛擬實驗室平臺，要能夠完成上述分析的各項功能，除了要對平臺的架構層次進行設計外，還必須要對平臺的業務流進行設計。從該平臺的主要實現功能來分析，業務流主要設計如下：

①表現層：主要用來反映操作者的操作意圖，通過對程序按鈕的定義，或者對虛擬實驗過程中的虛擬動作的設置，以三維建模的直觀形式表現操作者的操作意圖。

②驅動層：利用VRML虛擬現實工具對圖形進行編程，以驅動操作者操作過程的腳本程序，實現虛擬動作對相關操作的響應和反饋。

③接口層：通過所設計的專用接口實現表現層的操作意圖或者三維模型操作，與后臺數據庫系統中的數據信息的鏈接，從而快速訪問數據庫系統，實現虛擬操作過程中的相關數據信息的實時更新。

④虛擬層：主要是指實現各項操作動作以及對各項操作動作進行響應的虛擬情景的函數，這也是虛擬場景通過計算機操作實現、驅動并訪問相關數據信息的關鍵“引擎”。

2.2 虛擬實驗室平臺的軟設計

2.2.1 開發軟件的選擇

C#編程語言是由微軟公司專門為.NET平臺設計的語言，C#是事件的驅動的，完全面向對象的可視化編程語言，我們可以使用集成開發環境來編寫C#程序。使用IDE，程序員可以方便的建立、運行、測試和調試C#程序，這就將開發一個可用程序的時間減少到不用IDE開發時所用時間的一小部分。

2.2.2 虛擬現實開發技術的選擇

考慮到該虛擬實驗室平臺的通用性，以及后期功能的擴展升級，選用目前主流的虛擬現實技術VRML。VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現實建模語言。是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構的三維世界的場景建模語言，也具有平臺無關性，是目前Internet上基于WWW的三維互動網站制作的主流語言，本質上是一種面向Web，面向對象的三維造型語言，而且它是一種解釋性語言。VRML的對象稱為結點，子結點的集合可以構成復雜的景物。結點可以通過實例得到復用，對它們賦以名字，進行定義后，即可建立動態的VR（虛擬世界）。

2.2.3 軟件流程分析

①用戶首先登陸到系統，驗證身份之后，用戶在系統賦予的權限內使用和管理虛擬實驗室平臺的系統資源。

②如果是學生用戶，則可以進行虛擬實驗的選擇，系統平臺會自動根據學生所選擇的實驗給出實驗介紹、實驗原理、實驗設備介紹、實驗步驟等文檔。

③學生用戶采用計算機進行虛擬實驗過程，在虛擬實驗操作過程中系統自動對虛擬實驗過程中涉及到的數據進行采編、反饋和存儲，對于需要學生用戶輸入的程序指令，系統自動進行語法檢查、格式檢查和單步調試測試等，確保虛擬實驗的順利完成。

④對于老師，除了同樣具有虛擬實驗操作外，還具備系統資源管理功能，比如檢查當前實驗設備的狀態，檢查實驗耗材的消耗情況等。

3 結 語

本研究課題提出了一種基于網絡的虛擬實驗室平臺系統，給出了該平臺構成的系統架構方案，并且從軟硬件兩個角度給出了虛擬實驗室平臺的實現方案，對于進一步提高基于網絡的遠程實踐教學水平，以及利用虛擬現實技術實現的遠程教育的應用水平，都有很好的指導借鑒意義。依據本研究課題所設計的遠程虛擬實驗室平臺已經投入實際的應用，從應用的效果來看，該平臺系統具有較好的穩定性和可靠性，值得推廣應用。

參考文獻：

[1] 周鵬，李芳.“數字電路”虛擬實驗通用開發平臺中的關鍵技術[J].實驗室研究與探索，2008，（1）.

[2] 王景陽，陳綱，曾旭東.山地城鎮建設研究中低成本虛擬現實系統的配置方案[J].實驗技術與管理，2008，（3）.

[3] 郭葆鋒.建設設計中的虛擬現實[J].華僑大學學報（自然科學版），2001，（3）.

[4] 張剛，羅小華，賀利芳.構建網絡虛擬實驗室技術研究[J].實驗室研究與探索，2008，（3）.