網絡虛擬實驗室的設計

與傳統實驗室相比，網絡虛擬實驗室具有靈活、高效、開放以及用戶自定義等優勢，具有非常好的應用前景。因此，本文就虛擬現實技術和網絡虛擬實驗室進行了簡要概述，并就網絡虛擬實驗室的建設意義、設計思想、體系結構及基本功能等進行了分析。

【關鍵詞】交互性 虛擬實驗室 仿真

虛擬現實技術在實驗室設計中的應用，能夠有效提高實驗室應用的靈活度和高效性，促進遠程教育的發展。一些具有較強實踐要求的學科，實驗非常重要，但是因實驗設備難以操作、設備缺乏以及實驗條件限制等原因，會導致很多教學實驗無法正常開設，學生缺乏實踐機會，影響學習效果，但是虛擬現實技術的引入應用，能夠使學生獲得接近真實實驗的效果，有助于培養學生的實踐能力。

1 網絡虛擬實驗室概述

虛擬現實技術是利用計算機生成一種模擬環境，融合了多源信息的交互式的三維動態視景和實體行為的仿真技術，使用戶可以體驗虛擬的世界。虛擬現實技術在專用設備的配合下，能夠給用戶帶來觸覺、視覺以及聽覺等感官的模擬，實現人機互動，達到沉浸性以及交互性，從而給用戶帶來身臨其境的感覺。

虛擬實驗室是網絡化的虛擬實驗環境，即在網絡環境中創設一個具有可視化的三維環境，每一種實驗對象用一個可視的三維模型代表，然后通過鍵盤、鼠標或者可穿戴設備，對實驗對象、實驗環境以及過程等進行模擬和仿真，從而實現實驗目的，達到與真實實驗環境下相同的效果。

2 網絡虛擬實驗室建設的作用

（1）能夠減少設備的使用，有效緩解資金不足的現狀，避免大型儀器設備的購買和添置等，充分發揮現有儀器設備的作用，節約科研成本；

（2）能夠降低操作所帶來的風險，虛擬實驗室的構建，能夠有效避免安全問題，降低操作風險，使學生能夠放心操作，且不會對因有害氣體而對人體造成傷害；

（3）能夠打破以往實驗過程中的時間和空間限制，有助于在實驗中獲得更深刻的體驗感受，增加對實驗的理解。

3 網絡虛擬實驗室的設計方法

在運用虛擬現實技術進行網絡虛擬實驗室設計時，應掌握科學的設計方法，明確實驗室設計的基本出發點，從而對其進行體系結構設計和基本功能設計，方法如下：

3.1 基本設計思想

從學科的具體教學需要出發，建立教學實驗所需的虛擬環境，然后在各種設備或儀器的配合下，對相關實驗模型進行仿真，從而達到設計的目的。

從目前的遠程教學系統應用情況來看，主要在擴充性和交互性等方面存在較多的問題，所以本文就該問題，提出了虛擬實驗室的設計思想，具體為：該系統運用Internet進行開發，選擇使用SQL Server數據庫，C/S分布式模型，對于系統的編程則使用Java語言，客戶服務器的通信功能應用TCP/IP協議。另外，本文中虛擬實驗室的設計，在單機操作的基礎上，增加協同技術，使其能夠實現信息共享的效果，減少用戶之間的訪問沖突，使資源能夠得到充分利用。

3.2 體系結構設計

搭建虛擬實驗室體系結構，如元器件及設備等。其總體結構主要包括服務器端和客戶端。服務器端主要包括Web服務器和數據庫服務器，客戶端主要包括虛擬實驗室的運行環境，如運行模塊和操作平臺等。基于C/S的結構模型是網絡虛擬實驗室的主要框架，服務器端負責完成客戶的應用功能。虛擬實驗室的具體工作流程為：客戶端發出HTTP請求，通過HTTP服務協議Web服務器將相應的軟件傳送至用戶的瀏覽器，并生成相應的通信接口和虛擬平臺，在與數據庫連接后，將用戶所需資料傳送給用戶，從而發揮其作用。在設計的過程中，應注意如果虛擬實驗室有較強的交互性，應從用戶的具體需求出發，對其進行合理設計。

3.3 虛擬實驗室功能設計

功能是進行虛擬實驗室設計的主要目的，所以在進行虛擬實驗室設計時，主要有以下幾個方面：

（1）模擬實驗室環境，主要由大量虛擬的儀器和設備模型構成實驗對象，并通過這些模型來模擬具體的交互過程，從而達到增加學生與環境交互效果的目的；

（2）虛擬實驗室能夠給學生適當的實驗指導，從而使得學生能夠在進行實驗前，對具體的實驗操作有充分的了解，如實驗步驟、內容、以及注意事項等內容，建立文本式的指導書，方便學生隨時進行瀏覽，還可以采用動畫或視頻演示的方式，方便學生了解實驗的具體過程；

（3）網絡虛擬實驗室的管理內容應包括對信息資料的管理、服務器的管理和數據庫管理；

（4）學生在完成實驗操作后，應按照統一的格式要求完成實驗報告，并提交到指定數據庫或交給指導老師；

（5）交流與答疑，網絡虛擬實驗室應給學生與老師提供交流的平臺，可以采用延時通信如BBS和即時通信如廣播等方式來實現，能夠方便學生之間的交流與討論，同時還可以方便教師給予學生實驗指導，解決學生實驗與學習過程中存在的疑問，提高學生的學習效果。

4 結語

將虛擬現實技術引入到網絡虛擬實驗室的設計中來，能夠給學生提供一個具有交互性和真實性的虛擬實驗環境，滿足學生的求知欲和好奇心，使學生能夠獲得更為真實的體驗，從而提高學生的積極性，而且有助于學生更好地掌握教學的重點和難點，提高學生的實踐操作能力，提高實驗室教學的質量。

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作者簡介

周剛偉（1979-），男，河南省寶豐縣人。工程碩士學位。主要研究方向為計算機網絡技術、多媒體應用技術。

作者單位

平頂山工業職業技術學院 河南省平頂山市 467001