交互式虛擬實驗室管理系統設計應用分析

曹劍文

摘 要：針對傳統的實驗教學所暴露的問題，文章設計了一種交互式虛擬實驗室管理系統，介紹其系統功能，重點分析了其開發平臺，以及虛擬實現技術在虛擬實驗室管理系統中的設計應用，對于進一步提高虛擬現實技術在虛擬實驗教學管理系統中的應用具有較好的指導意義。

關鍵詞：交互式；虛擬實驗室；管理系統

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：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向大眾式教育，高校的招生規模急劇膨脹，導致很多高校出現了師生比嚴重不足的現象，由此帶來的嚴重問題是很多實踐課程無法開設，主要原因是由于老師人手不足，導致動手實踐實驗課程無法開設，很多實驗課程都是走馬觀花式的演示性教學，嚴重影響了教學效果。隨著計算機網絡通信技術的發展和電子信息技術的發展，一種基于虛擬現實技術的實驗室教學系統逐漸得到了廣泛的研究。本研究課題主要設計了一種交互式虛擬實驗室管理系統，將傳統的實驗教學轉為基于計算機網絡實現的虛擬實驗教學。這將極大地降低教師的教學工作壓力和工作量，有助于推動虛擬現實技術的發展和應用。

1 系統功能設計

交互式虛擬實驗室管理系統是一種基于計算機網絡通信實現的虛擬現實管理技術，融合了計算機、電子通信、測試技術、網絡通信、虛擬建模等技術，是一種新興的實驗室管理系統。結合具體的設計方案來說，交互式虛擬實驗室管理系統主要實現的功能有以下幾類。

1.1 實驗室設備管理

傳統的實驗教學是依托實驗設備進行教學的，在實驗教學過程中必然要對實驗設備進行管理；同樣，基于虛擬現實技術實現的交互式虛擬實驗室管理系統，也要對實驗設備進行管理。實驗設備的管理主要體現在對實驗設備的工作狀態、工作參數進行實時監測與管理，實驗設備的維護管理以及對實驗設備的故障診斷管理。

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，實現對整個實驗室的進出權限分類管理，這里既包括不同權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一的門禁管理。對實驗室實施門禁管理是實現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，利用數據庫技術實現對實驗耗材的動態跟蹤記錄，確保整個虛擬實驗教學過程的順利實施；另一方面，通過對實驗室耗材的管理也能夠提高學生在進行虛擬實驗教學過程中對耗材的高效利用。

1.4 實驗過程管理

作為虛擬實驗教學的最為重要的一個方面，就是對虛擬實驗過程進行管理。學生利用專門開發的虛擬過程控制軟件進行實驗教學，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，如何利用虛擬現實技術加強對實驗過程的管理，是交互式實現實驗室管理系統的一個重要功能。

2 交互式虛擬實驗室管理的設計應用

2.1 系統設計平臺

2.1.1 開發平臺

目前對于基于WEB的大型分布式網絡應用軟件管理系統的開發，開發平臺主要是MS.NET平臺，在此平臺上很多組件開發已經很成熟了，因此，考慮到本管理系統的開發成本，開發平臺選用.NET平臺。

.NET是唯一從一開始就是為XML Web服務創建的開發環境，通過允許應用程序通過Internet溝通和共享數據，XML Web服務使業務能夠從Internet轉換為用于集成和傳送它們的核心商業價值的真正平臺。.NET為XML Web服務提供簡單、靈活、基于標準的模型，允許開發人員從新的和現有的代碼匯編應用程序，而與平臺、編程語言或對象模型無關。

2.1.2 開發語言的選擇

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靈活性和兼容性，因此，該系統的開發語言選用C#語言。

C#編程語言是由微軟公司的Anders Hejlsberg和Scott Willamette領導的開發小組專門為.NET平臺設計的語言，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發展而來，它采用了這三種語言最優秀的特點，并加入了它自己的特性。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。

2.1.3 關系數據庫的選擇

本研究課題根據從數據庫的簡單易用性、功能完善性、性能穩定和成本等方面進行考慮，最后選擇了SQL Server數據庫作為系統的數據庫平臺，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高性能設計，可充分利用WindowsNT的優勢。

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

⑥支持對稱多處理器結構、存儲過程、ODBC，并具有自主的SQL語言。SQL Server以其內置的數據復制功能、強大的管理工具、與Internet的緊密集成和開放的系統結構為廣大的用戶、開發人員和系統集成商提供了一個出眾的數據庫平臺。

2.2 虛擬實現技術應用

要實現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。為此，要按以下步驟實時虛擬實現技術在虛擬實驗室管理系統中的應用。

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中所涉及到的各個對象進行建模，包括實驗設備，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的真實感。

2.2.2 場景重建

利用場景組態軟件將之前構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，這有利于提高學生在進行虛擬實驗教學過程中的身臨其境感，也從側面提高了整個虛擬實驗室管理系統的管理直觀性。

2.2.3 數據采集與通信

利用底層傳感器實現對被測對象數據的采集，并經過數據整理、濾波等操作，將數據傳入到虛擬實驗室管理系統的中心數據庫進行存儲；另一方面，當虛擬實驗教學過程中需要用到這些參數時，再利用數據庫訪問技術對這些數據進行實時通信和訪問，從而實現對數據的虛擬化采集與訪問。

2.2.4 虛擬現實的響應

在整個虛擬實驗室管理系統中，基于虛擬操作實現的響應，必須依托VRML技術，這是一種在網絡中面向虛擬技術的工具，通過對VRML的編程開發，能夠實現系統和數據庫、因特網、虛擬現實動作響應自定義等功能，因而能夠實現虛擬技術對現實操作的響應。

3 結 語

隨著虛擬現實技術的發展和應用，其應用于虛擬實驗教學也呈現出廣闊的應用前景。基于虛擬現實技術實現的虛擬實驗室管理系統正在逐漸被廣大高校師生所認可，它能夠極大的降低傳統實驗室教學所帶來的壓力，同時由于該虛擬實現技術是基于計算機系統實現的，因此很容易就能夠實現人手一機，對于進一步提高實驗教學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的功能入手，詳細設計了其開發平臺與虛擬實現技術的應用，對于虛擬實現技術在虛擬實驗教學系統中的應用具有較好的指導借鑒意義。

參考文獻：

[1] 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）.

[2] 高欽和，蔣威，管文良.基于軟件的PLC虛擬實驗系統的實現[J].實驗室研究與探索，2007，（12）.

[3] 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）.

[4] 王志堅.基于虛擬現實技術的現代教育探索[J].常州工程職業技術學院學報，2007，（3）.