一種基于虛擬現實的計算機實驗室管理模式研究

曹利

摘 要：計算機是一門實踐性很強的課程，實驗教學也是學生教育的重要環節，因此許多高職院校都成立了專業的計算機實驗室，能夠實現計算機網絡、系統組成原理、操作系統等多門課程實驗教學。由于計算機實驗室設備多，使用對象也比較復雜，因此傳統的人工管理模式已經不適用，文章在計算機實驗室管理中引入虛擬現實技術，實現硬件設備的3D建模，將所有的設備、人員信息錄入到系統中，該系統不僅能夠通過電腦登錄，還可以通過智能手機登錄，實現實驗室設備、人員、課程等信息加工和處理，具有重要的作用和意義。

關鍵詞：虛擬現實；實驗室；人機交互；3D建模

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）07-0132-03

Abstract： The computer is a very practical course， and the experiment teaching is an important link of the education of students in higher vocational colleges， so many higher vocational schoolshave set up a professional computer lab， computer network system， whichcan realize the principle， operating system and other experimental courses teaching. Because the computer laboratory equipmentis so many and the use of the object is so complex that the traditional manual management mode is not suitable.This paper introduced the virtual reality technology in computer lab management， and implemented 3D model of hardware， which can input all the equipment， personnel information into the system，and the system can not only login through the computer， but also login through the intelligent mobile phone，processing the information of laboratory equipment， personnel and courses， and it plays an important role and significance.

Keywords： virtual reality； laboratory； human-computer interaction； 3D modeling

一、概述

實驗教學作為高職院校的一項重要工作，其可以有力支撐理論教學，培養實踐型、創新型和應用型人才。計算機實驗室作為實驗教學的重要場所，其擁有的設備不僅包括顯示器、鍵盤、鼠標、主機、服務器、交換機、路由器等，同時還包括各類型的教學輔助設備，比如液晶電視墻、電腦桌、電腦椅等，這些設備數量多、種類復雜，使用對象也很多，管理起來非常復雜和困難[1]。計算機實驗室作為實踐型人才的培養場所，其不僅是現代化信息技術的重要體現，同時還滲透了許多先進的管理方法和理念，促進了實驗室管理手段的不斷豐富和變革。

本文為了提高計算機實驗室管理的效率，構建一個開放的、共享的、自動的實驗室管理系統，引入了虛擬現實技術，該技術能夠利用3D建模、人機交互、機器學習、云計算等建立一個并發性的管理系統，錄入計算機設備信息，實時統計實驗室的使用人數、時間、設備運行狀態等。

二、虛擬現實技術

虛擬現實是一種集成多媒體、人機交互、設備建模的信息技術，能夠實現計算機機器學習、模式識別、圖像處理，是計算機發展到一定階段的高科技產物。虛擬現實能夠實時跟蹤用戶手勢，感知用戶的邏輯業務操作，然后生成一個虛擬的、沉浸的操作環境，整合多種信息技術，將其輸出到視頻顯示器中，同時可以配合語音輸出到播放器，具有重要的作用。目前，虛擬現實技術經過多年的發展，已經在很多領域得到普及，比如可以應用到古跡文物保護、工業制造裝配、娛樂游戲、旅游展覽、飛行訓練，形成了一個強大的科研教學、工業設計、精工制造平臺[2]。我國作為一個強大的歷史古國，文化古跡眾多，利用虛擬現實可以實現對文化古跡的復原，把數字化的虛擬影像提供給參觀者，不僅可以使其清晰地看到文字解說，同時還可以重構古跡文物。工業制造裝配流程復雜，如果采用傳統的模式將會耗費巨大的人力物力資源，因此可以利用虛擬現實提供輔助信息，預先裝配一個產品，查看是否存在運行故障，這樣就可以實現工業制造的裝配操作。虛擬現實可以讓位于不同地點的玩家進入到一個仿真的環境中，以虛擬替身為操作對象，實現對網絡游戲的操作。

三、基于虛擬現實的計算機實驗室管理模式研究

（一）計算機實驗室管理需求分析

計算機實驗室管理的設備非常多，使用的學生和教師分布于不同的院系、年級，因此管理起來非常復雜，本文針對計算機實驗室管理人員、使用人員進行調研，導出了計算機實驗室的邏輯業務需求，將其劃分為四個關鍵功能，分別是系統管理功能、教學服務管理功能、簽到打卡管理功能、設備管理功能，詳細描述如下：

1. 系統管理功能

系統管理主要完成用戶對象、設備對象等基礎數據管理，同時可以完成系統使用權限的設置、賦予功能。系統用戶管理可以為用戶分配密碼、錄入個人信息，分配賬戶的角色權限，保障系統用戶的合法性和和合規性。比如，當系統新添加一個用戶時，可以錄入該用戶的姓名、編號、性別、年級、院系，設置這個用戶的角色，選擇教師、學生、管理員等；如果一個賬戶不再使用，可以及時地刪除該用戶信息，避免賬戶濫用，保障賬戶的安全性。

2. 設備管理功能

計算機實驗室中的設備很多，包括計算機組成設備、教學輔助設備，這些設備在使用過程中，由于設備自身制造固有的原因，使用一段時間之后就會產生問題，需要維護或更換，因此設備管理需要滿足添加、刪除、修改、查詢功能，同時還要讓用戶能夠申請使用設備，記錄設備的維護次數，保證設備處于正常使用狀態。

3. 教學服務管理功能

計算機實驗室最為關鍵的功能就是教學服務，以便提高學生的實踐能力、創新能力，具有重要的作用和意義。教學服務管理功能可以上傳、審批學生的實驗報告，實驗報告是學生根據實踐操作結果體會撰寫的文件，能夠總結計算機實踐操作。學生上傳實驗報告之后，教師就可以批閱實驗報告，同時也可以幫助學生預約實驗室，保障實驗室的科學利用，優化學生的資源配置，具有重要的作用和意義。

4. 簽到打卡管理功能

計算機實驗室的適用對象多為教師和學生，學生人數非常多，為了提高計算機實驗室管理效率，實驗室管理引入了簽到打卡管理，簽到打卡可以利用指紋記錄上課學生，同時也可以針對學生進行統計分析，實時監控學生的出勤率，保證學生均可以參與實踐訓練。

（二）虛擬現實在計算機實驗室管理中的應用

計算機實驗室管理引入虛擬現實技術，充分地利用先進的云計算、多媒體、人工智能技術實現實驗室人員、設備精細化管理。計算機實驗室管理采用虛擬現實技術，該技術引入云計算技術，能夠實現信息的分布式存儲，可以描述不同運算規則之間的數據交換[3]。實驗室管理系統允許應用程序之間共享數據資源，分散了代碼單元操作，能夠利用XML等技術實現企業數據交換，實現一個跨平臺、跨操作、跨語言的應用軟件。虛擬現實技術秉承著軟件就是服務的原則，順應計算機軟件開發的潮流，引入了先進的分布式計算、透明化存儲技術，進一步改進了軟件資源共享處理能力[4]。計算機實驗室管理系統架構設計如圖1所示。

虛擬現實最為關鍵的技術就是渲染環境、手勢交互[4]。渲染環境可以利用計算機軟件生成，這些軟件可以構建多種對象，比如在網絡教學中的實驗室現場環境，可以生成路由器、交換機、服務器、網線、終端等。手勢交互就是識別用戶的動作，目前常見的手勢交互技術包括圖像處理、特征識別，這樣就可以在自然環境下根據用戶需求生成一個對象，取代了傳統電腦的鼠標操作，更好地模擬自然環境，創建一種沉浸感[5]。虛擬現實是一個能夠提供高并發、易擴展、高可用的分布式搜索引擎，能夠為系統提供一個易于查詢和共享的接口，成為了一種電信級大數據解決方案的關鍵工具。虛擬現實應用特性包括多租戶支持、分布式、高可用性、全文搜索和索引機制。虛擬現實提供了一個單一架構和服務的數據中心，為用戶提供定制化服務，可以支持多個索引間的數據隔離，從底層支持多用戶技術。如果多個節點處于同一個網段下，可以設置相同的集群名稱，組成一個分布式的集群，設計一個良好的橫向擴展模式。虛擬現實采用無中心化的集群設計模式，集群中的中央節點發生故障之后，虛擬現實能夠遴選出一個新的節點，將這個新的中央節點進行分片，實現數據遷移操作，保證用戶數據的安全訪問。虛擬現實引入了索引、索引類型、Mapping和數據類型，具有關系型數據庫的優勢，但是豐富和擴展了許多功能，并且利用索引機制實現異構數據的存儲，具有重要的作用和意義。

基于虛擬現實的計算機實驗室管理系統采用先進的云計算、MapReduce、Hadoop等技術，能夠實現數據采集抽取、清洗轉換、加載存儲、提供應用，能夠實現數據可視化顯示、標準化體系建設，實現信息加工和服務。數據采集抽取功能可以從組網設備、操作系統設備等一系列軟硬件系統中獲取數據資源，將這些信息保存到數據倉庫。清洗轉換可以針對采集到的實驗室管理數據進行分析，利用歸一化方法實現數據的清洗轉換，刪除許多的噪聲數據或無用數據。加載存儲由兩個關鍵程序組成，數據中心設計和建設完成之后，可以將數據裝載到中心存儲器，數據加載存儲需要大量的時間進行裝載操作，能夠為用戶提供一個強大的數據加載引擎，按照變動的操作實現信息加工。實驗管理系統為用戶提供一個報表撰寫、存儲加工、分析應用和直接查詢的操作，將這些操作通過后臺進行分析，具體的實驗室管理數據應用包括三個非常關鍵的環節，首先實驗室管理數據需要以維度的模式展現出來，實現信息加工、存儲和訪問；其次，實驗室管理數據中心需要涵蓋原子數據，利用原子數據構建強大的操作。

3D建模是本文提出系統的一個重要功能。3D建模能夠利用特征提取、模式匹配等關鍵技術，為計算機實驗室的每一個設備提供3D模型，用戶可以通過該模型查看相關的信息運行情況。3D建模過程中，首先就是利用機器學習技術實現特征提取，發現設備的關鍵特征，特征提取完畢之后，圖像識別就可以將這些特征與模式庫中保存的信息進行匹配，匹配也是模式搜索、對比的過程。圖像識別可以設置一個模式匹配操作閾值，比如可以利用相似度作為度量，然后設置一個閾值，閾值設置完畢之后就可以進行對比，如果相似度超過規定閾值，則判定模式匹配成功。目前，模式匹配最常用的算法為BM算法，這個算法是精確字符串匹配算法的改進，引入了模糊匹配的關鍵功能，能夠從右向左進行數據比較，同時利用了啟發式的比較規則，也即是壞字符規則和好后綴規則，來決定向右跳躍的距離。BM算法實現模式匹配速度快，并發性好，更加適用于當前的不動產登記系統，具有重要的作用。模式匹配成功之后，圖像識別能將機器語言轉換為人們的自然語言，這樣就可以使用語義分析技術，將識別的結果提供給人們，幫助人們進行決策，比如下達下一步操作指令等。語義分析過程中，系統需要審查識別出來的每一個字符，針對字符進行編譯，編譯可以按照系統規定的運算實現邏輯處理，翻譯為自然語言，實現人機交互。

四、結束語

計算機實驗室管理采用人工模式、半自動化模式已經較為落后，因此可以引入虛擬現實技術，將實驗室中的設備進行建模，構建一個虛擬的實驗室，實現信息交互和管理。基于虛擬現實的計算機實驗室管理系統可以有效解決當前管理模式中存在的問題，提高了設備的可維護性，進一步提高系統的開放性、共享性和自動化，實現計算機實驗室管理的智能化，利用現代化的計算機信息技術提高實驗室工作效率及管理水平。

參考文獻：

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