研究與設計網絡布線虛擬實驗室

高麗

摘 要：綜合布線課程是學校樓宇專業比較重要的基礎專業課程，但現實教學中存在著實訓場地受限、實訓設備有限、授課時間不夠、實訓經費不足、學生操作時有潛在的危險等問題。本文針對中職學校綜合布線課程實訓的特點及基本原理進行研究，利用計算機的相應功能，設計一套計算機網絡虛擬實驗系統。設計計算機網絡虛擬實驗室的目的是解決中職學校綜合布線實驗操作問題，因此需要了解該課程在中職學校開設的情況，并進行分析，了解需求，這樣才能根據實際情況設計虛擬實驗室系統，更好地服務教學。

關鍵詞：計算機 網絡布線 虛擬實驗室

隨著國家對中等職業教育的不斷重視，中等職業教育處在迅速發展階段，學校的招生規模不斷擴大。招生人數的增多直接導致學校的教學設備嚴重不足，往往2～3個學生使用一臺設備，而教師授課的時間是受限的，這就使得學生的練習時間大大縮短，影響學生對知識的掌握情況。同時，一些昂貴的或者易損的設備數量又是有限的，比如綜合布線課程中的光線切割機，一臺設備就要數萬元，一般一個學校也就一臺左右。在此類實驗中，往往只能教師演示，或者個別學生操作，大部分學生無法直接參與。這些綜合布線傳統教學中普遍存在的問題會使教學效果大打折扣。這不得不讓我們思考，有什么更好的方式可以避免傳統綜合布線教學中弊端的出現。

作為一名中等職業學校的老師，從事綜合布線課程教學已經多年，在教學過程中，也深受以上限制困擾。綜合布線技術作為十分重要的專業知識，學校在智能樓宇自動化專業的能力模塊中，要求學生了解綜合布線系統的概念及常見材料和器件、布線在國際和國內的最新標準、綜合布線的設計實施還有完工后的測試與驗收，還要求學生能夠完成一個典型綜合布線實例。因此從這些問題出發，結合計算機技術，希望以虛擬現實技術來妥善地解決綜合布線教學中出現的問題。

一、中職網絡布線虛擬實驗室系統需求

1.虛擬實驗系統不“虛擬”

該網絡布線課程虛擬實驗系統其實是虛擬和非虛擬相結合的模式，有別于其他虛擬實驗室只有虛擬部分，更有利于教學的需要。該系統是由硬件部分和軟件部分構成。

（1）虛擬實驗室系統硬件方面。

①需要一臺能處理大量模擬操作數據的高性能電腦，WebGL基礎下的網頁編輯對顯卡要求較高。

②需要一個計算機房，大約50臺電腦，作為虛擬實驗室系統操作機房，機房內需一臺服務器，用來處理數據。

③網絡布線實訓室最好和計算機房靠近，這樣學生模擬操作結束后就可直接進入實訓場地操作。

（2）虛擬實驗室系統軟件方面。

①需要虛擬儀器及虛擬場景能用于進行網絡布線虛擬實驗操作。

②需要相應的操作系統軟件來完成實驗操作。該虛擬實驗室由網絡綜合布線數據分析、總結、存儲這些過程組成并將這一系列的過程可視化，可操作。

2.虛擬實驗室的場景設計及工具說明

三種實驗設計于綜合布線虛擬實驗室系統中。一種是仿真墻虛擬實驗，另一種是現實生活建筑場景虛擬實驗，第三種是管理間子系統實驗。 主要構建了兩個場景，一是兩室一廳居室場景，模擬水平子系統實驗；另一個是上下兩層的垂直解剖場景，模擬垂直子系統實驗。

PVC線槽、PVC線管、雙絞線、集線器、配線架、電腦、電話模塊及面板、管卡等工具，以工具欄的形式出現在綜合布線的虛擬設備中。學生只需通過鼠標或鍵盤直接點擊工具欄中的各工具就可以在虛擬場景中靈活地使用，達到實訓的目的。

二、本虛擬實驗室平臺的設計

1.虛擬實驗室的優勢

作為一名中職綜合布線課程的老師，從學生需求和教學角度分析，設計該虛擬實驗室能有以下優勢。

（1）學生的學習興趣得到提高。大部分學生都喜歡操作計算機，學生通過靈活地自主操作，充分發揮他們的靈動性，能更多地激發出學生對綜合布線這門課程的興趣。

（2）實訓操作中存在的問題能有效地解決。比如受限的場地、有限的設備、過高的費用。通過模擬實訓環境，學生猶如置身于實訓環境中，對于發現的問題能及時解決，在實訓時能避免出現問題，更快更高效地完成實訓操作。

（3）學生的創新能力、問題意識、動手能力被有效地激發。相對于枯燥的理論學習，學生們更喜歡通過實訓來學習。根據以往的經驗，實訓課上，即使平時學習較差的學生，也能很投入地進行操作，更別說和計算機相結合來完成綜合布線的教學要求。

（4）學校實訓經費能有效地節約。傳統實訓室需要配置較多的設備，利用率不高不說，還存在維護成本高的問題，虛擬實驗室恰恰能有效地避免這些問題。它只要利用學校現有的計算機機房，讓學生有“身臨其境”的感覺。

2.本虛擬實驗系統的UI設計

UI即User Interface（用戶界面）的簡稱。通俗地講就是系統的操作界面，一個好的UI，可以使虛擬實驗室變得有特色、有亮點，還能讓軟件的操作變得方便、靈活。綜合布線虛擬實驗系統的控制UI設計如下。

該UI包括以下幾個部分：菜單欄、工具欄和登錄界面。

（1）菜單欄包括：文件、編輯、視圖、水平子系統、垂直子系統、工具、幫助七個部分。

（2）工具欄包括：PVC線槽、PVC線管、雙絞線、集線器、配線架、電腦、電話模塊及面板，管卡。

（3）登錄界面包含用戶名和密碼，主要是對實驗者身份的一個認證，便于記錄。

虛擬實驗系統的操作UI設計：該UI是提供實驗者操作的界面，實驗者在這個界面完成虛擬實驗、在線學習等功能。

3.本虛擬實驗過程設計

過去在操作虛擬實驗時采用的是以下方式。

（1）通過鼠標或者鍵盤點擊 “進入”虛擬實驗室。

（2）在相應的操作界面，通過鼠標或鍵盤點擊、拖動、添加虛擬元件等操作方式來完成實驗提出的相應要求。

（3）取得實驗成果，完成歸納總結。

本實驗系統的優勢在于，在完成以上步驟后，還有不“虛擬”的部分，在前面實驗的基礎上，在綜合布線實訓室進行操作驗證。虛擬實驗室和實訓室相結合，和一體化工作室相類似。

本虛擬實驗過程設計如下。

學生進入—虛擬實驗室機房—熟悉實驗內容—開始實驗—得到實驗結果—歸納總結實驗—實訓設備操作—學生離開。

整個系統以TCP/IP為網絡通信協議，采用C/S體系結構，建立了虛擬的實驗室系統。利用3DMAX搭建虛擬場景，模擬現實環境，制作工具欄中的虛擬器件。利用C++語言設計前端的實驗操作平臺，主題框架界面采用SDI單文檔結構視圖。學生可選擇實驗場景，并在場景中對虛擬器件進行動態地添加、屬性編輯等動作，就可隨時隨地進行綜合布線的相關實驗。實驗結束后，系統會根據學生的實驗操作結果，生成一份實驗報告，包括耗材的使用情況；在實驗操作過程中，學生操作是否符合流程，行業規范，并產生相應的提示。它所營造的實驗環境形象逼真，交互功能強大，盡可能使實驗取得真實的效果。

三、虛擬實驗室開發的技術難點

本虛擬三維實驗室是基于WebGL為基礎，采用JavaScript腳本語言開發的系統，這在國內還是首次嘗試，沒有“前車”可以借鑒，碰到的技術難點包括：如何場景搭建、如何建立三維模型、如何模型設定、如何材質設定、如何攝像機控制、如何場景邊界檢測、如何繪制不連續線段以及如何搭建UI結構八個方面。

四、小結

任何實踐系統都必須經過大量的實踐才能不斷改進與完善，這樣就導致虛擬實驗的復雜性逐漸加大。我們要盡可能確保虛擬實驗室在系統簡單易學易操作的基礎上，盡量實現系統的穩定性、可靠性、安全性與兼容性之間的有機平衡，將實驗室系統的作用發揮到最大化程度。

（作者單位：杭州第一技師學院）