高校虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)用研究*

管雪梅，戴天虹，王鐵濱

(東北林業(yè)大學(xué))

0 引言

高等教育特別是工科教育效果與實(shí)驗(yàn)手段息息相關(guān)，它使學(xué)生更好地感受、理解知識(shí)，讓枯燥的理論變得易于理解．但限于條件原因，且資源嚴(yán)重分配不足，大大限制了實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和應(yīng)用．且技術(shù)更新速度快，實(shí)驗(yàn)儀器購買速度很難跟上這個(gè)步伐．即便是較新的設(shè)備，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制也可能無法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需求．另外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容千篇一律，將學(xué)生的思維限定在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高．

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是指采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果．無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時(shí)通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)．這將大大提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)用率，省事、節(jié)省經(jīng)費(fèi)，且達(dá)到或超越教學(xué)預(yù)期效果．

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

1．1 概念

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常是一種基于Web技術(shù)、VR(Virtual Reality)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化．虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)架如圖1所示．

圖1 虛擬平臺(tái)建設(shè)框圖

在系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)室將原有的各種儀器(具有網(wǎng)絡(luò)功能的)搭建在計(jì)算機(jī)上，通過Internet網(wǎng)與學(xué)生的客戶端進(jìn)行連接，學(xué)生可以將數(shù)據(jù)采集卡等采集到的信息傳送到遠(yuǎn)程的實(shí)驗(yàn)室，從而由物理儀器進(jìn)行接收處理．

1．2 設(shè)計(jì)原則

通用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總的來說需要遵循以下的原則:

(1)通用性．此平臺(tái)的建設(shè)最好能針對(duì)多門課程，多個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)，節(jié)省成本，達(dá)到資源共享的目的．

(2)交互性．此平臺(tái)要能夠反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，反應(yīng)需求，隨時(shí)進(jìn)行應(yīng)用，更好的促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力的提高．

(3)共享性．此平臺(tái)要支持多人同時(shí)訪問，能夠支持隨時(shí)隨地的訪問．實(shí)現(xiàn)全校虛擬實(shí)驗(yàn)資源的整合，并應(yīng)涵蓋主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境的搭建實(shí)現(xiàn)資源的發(fā)布共享和管理．

(4)安全性．此平臺(tái)需要有一套安全機(jī)制來保證平臺(tái)和在其基礎(chǔ)上構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全性．

1．3 設(shè)計(jì)構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，經(jīng)可行性分析，確定的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為由虛擬實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成的系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示．

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，它分成網(wǎng)絡(luò)部分、實(shí)驗(yàn)室儀器連接部分和客戶端開發(fā)等幾部分組成，具體以常用的波形發(fā)生器為例來說明．

2．1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

受LabVIEW的限制，采取了TCP協(xié)議作為開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，在TCP對(duì)話中通過三次握手建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，雙機(jī)TCP通信的流程圖如圖3所示．

2．1．1 儀器連接設(shè)計(jì)

(1)通過配置NI-VISA控制USB設(shè)備

當(dāng)進(jìn)行USB通信時(shí)，VISA提供了兩類函數(shù)供LabVIEW調(diào)用，USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備．USB INSTR設(shè)備是符合USB測試和測量類型(USBTMC)的設(shè)備，可以通過使用USB INSTR類函數(shù)進(jìn)行控制．針對(duì)這些設(shè)備，用戶只需借助“VISA打開”、“VISA關(guān)閉”、“VISA讀取”和“VISA編寫”等函數(shù)，采用與GPIB儀器一樣的通信手段即可．

圖3 雙機(jī)TCP通信的流程圖

(2)將示波器連接到計(jì)算機(jī)

①在計(jì)算機(jī)上載入VISA驅(qū)動(dòng)程序．驅(qū)動(dòng)程序位于示波器附帶的合適光盤上，或從Tektronix softwarefinder(軟件查找)網(wǎng)頁(www．tektronix．com)下載．

②使用合適的USB電纜將示波器連接到計(jì)算機(jī)，如圖4所示．

圖4 用USB電纜將示波器連接到計(jì)算機(jī)

③按下示波器面板的“Utility”按鈕．

④選擇“輔助功能頁面”，旋轉(zhuǎn)通用旋鈕a選擇I/O．

⑤如果使用USB，則系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行設(shè)置．

2．2 客戶端

面板上有“波形顯示”“信號(hào)類型”、“頻率”、“幅值”、“端口”等選項(xiàng)，可根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置．其中，信號(hào)類型可選擇4種波形:正弦波、三角波、方波、鋸齒波．前面板見圖5，程序框圖見圖6．

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在客戶端的前面板上輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，單擊運(yùn)行按鈕，右面的波形顯示控件顯示了相應(yīng)的正弦波，如圖7所示．

圖5 客戶端前面板

圖6 客戶端程序框圖

圖7 系統(tǒng)客戶端運(yùn)行圖

在服務(wù)器端輸入與客戶端對(duì)應(yīng)的IP地址，單擊運(yùn)行后出現(xiàn)圖8．

服務(wù)器端通過配置的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)，再利用TekVISA軟件，能在實(shí)驗(yàn)室的示波器上觀察到如圖9所示的波形．

對(duì)這3個(gè)圖像進(jìn)行分析比較，最后發(fā)現(xiàn)在誤差允許范圍內(nèi)基本一致．測試結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從遠(yuǎn)程客戶端輸入?yún)?shù)能在示波器顯示波形的功能，初步達(dá)到遠(yuǎn)程控制示波器的功能，這對(duì)于大型遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展具有重大的意義．

圖8 系統(tǒng)服務(wù)器運(yùn)行圖

圖9 示波器顯示波形

［1］ Schmitt T G，Thomas M，Ettrich N．Analysis and Modeling of F1ooding in urban Drainage system［J］．Journal of Hydrology，2004，29(9):300-311．

［2］ Waller J C，F(xiàn)oster N．Training via the web:a virtual instrument［J］．Computers ＆ ducation，2000，35(2):161-167．

［3］ 毛義梅，張晶．基于GPIB接口總線的虛擬儀器設(shè)計(jì)［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22(4):281-282．

［4］ 李曼．基于RS-232/485串行通信面向機(jī)械量測量的虛擬儀器［J］．西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013．

［5］ 丘京松．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用［J/OL］．http://www．cmr．com．cn/distance/wangluo/013．htm．