虛擬仿真實驗教學中多維數據可視化系統優化設計

唐珊

摘? 要： 針對傳統虛擬仿真實驗教學中多維數據可視化系統畫面轉換準確率低這一問題進行優化設計。虛擬仿真教學硬件系統由學生端和服務器端兩部分組成，數據庫管理模塊中的虛擬電源為集成電路芯片提供穩定電流，信號發生器確保服務器端的邏輯電路可以識別到一定的脈沖信號，使用瀏覽器和服務器相結合的架構模式構建軟件結構。為檢測系統效果，與傳統優化系統進行實驗對比，結果表明，虛擬仿真實驗教學中多維數據可視化系統的畫面轉換準確率高于傳統系統。

關鍵詞： 虛擬仿真實驗; 實驗教學; 多維數據; 可視化系統; 優化設計; 對比驗證

中圖分類號： TN919?34; TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）20?0168?03

Optimization design of multidimensional data visualization system in virtual

simulation experiment teaching

TANG Shan1，2

（1. Xuzhou University of Technology， Xuzhou 221000， China; 2. Macau University of Science and Technology， Macau 999078， China）

Abstract： In allusion to the problem that the traditional multi?dimensional data visualization system in the virtual simulation experiment teaching has low accuracy of image conversion， an optimization design is conducted. The virtual simulation teaching hardware system is composed of the student end and the server end. The virtual power supply in the database management module is used to provide a stable current for the integrated circuit chip. The signal generator is used to ensure that the logic circuit of the server side can recognize a certain pulse signal. The architectural pattern combined with the server and browser is used to construct the software structure. The comparison of the system and the traditional optimization system is carried out to detect the system effect. The results show that the multi?dimensional data visualization system in the virtual simulation experiment teaching has higher image conversion accuracy than that of the traditional system.

Keywords： virtual simulation experiment; experiment teaching; multidimensional data; visualization system; optimization design; comparison validation

0? 引? 言

虛擬仿真實驗教學方式是通過計算機科學技術構建出一個感知虛擬的環境，虛擬環境和當今社會人類的生活環境相似，具有視覺、聽覺、觸覺等多種功能。虛擬環境通過交互設備和虛擬環境內的實體相互作用讓實驗者在虛擬環境中有和真實生活環境一樣的感覺，并且可以進行一些簡單的操作[1]。近年來，因為虛擬仿真實驗教學可以減少實驗儀器的使用和實驗場地的限制，并且可以得出正確的實驗結果等特點，虛擬仿真實驗教學已經在模擬駕駛訓練、室內設計等方面得到了廣泛的應用[2]。為了拓寬虛擬仿真實驗教學技術的應用領域，本文對虛擬仿真實驗教學中的多維數據可視化系統進行優化設計，讓這一技術更加超前[3]。

虛擬仿真實驗教學的多維數據可視化是通過計算機技術將虛擬環境需要的信息映射為可識別的圖形、圖像、視頻、動畫、文字這五大基本要素，操作者對構建的虛擬仿真環境的組成數據進行交互分析[4]。多維數據可視化系統的存在意義是讓虛擬仿真實驗教學環境可以更準確地體現實驗結果，將一些復雜的數據體現轉化為條理清晰的圖表形式，簡化虛擬仿真實驗教學操作的過程。

1? 基于虛擬仿真教學中多維數據可視化系統硬件優化

本文優化的虛擬仿真教學中的多維數據可視化硬件系統可以通過計算機技術構建虛擬環境，并結合多維數據構建出新的虛擬仿真教學環境，與傳統的虛擬仿真教學系統不同的是操作者可以通過個人網絡進入虛擬仿真教學系統[5]。虛擬仿真教學硬件系統由學生端和服務器端兩部分組成，學生端由虛擬實驗平臺來顯示。服務器端根據數據庫管理模塊和系統管理模塊為學生端提供虛擬平臺，優化后的硬件系統如圖1所示。

數據庫管理模塊中的虛擬電源為集成電路芯片提供穩定電流，信號發生器是確保服務器端的邏輯電路可以識別到一定的脈沖信號，脈沖信號分持續高波和持續低波[6]兩種波形信號。持續高波為學生端行為正確的脈沖信號，持續低波為學生端在虛擬環境錯誤操作的脈沖信號，這樣就可以進行邏輯判定。服務器端的兩種顯示器選取清晰的LED顯示器來顯示結果。服務器端的另一部分系統管理模塊主要是記錄各種操作者的信息和每次學生端面對不同的問題進行處理的方案、教師評語，經過一段固定時間會對系統管理模塊進行更新補充，這樣就可以提高虛擬仿真實驗教學系統的教學質量[7]。

虛擬仿真實驗多維數據可視化硬件系統平臺是由虛擬元器零件布局設置、電路連線和實驗仿真模擬控制脈沖信號等部分彼此相互傳遞組成一個完整的虛擬仿真實驗教學平臺。多維數據可視化系統的結構圖如圖2所示。

電路連線設計采用迷宮算法，其特點是提高電路輸送信息效率，為集成電路芯片接觸提供快速的信息交換[8]。電路工作時迷宮算法可以維持虛擬仿真實驗教學的運行環境。實驗仿真模擬控制是在虛擬元器零件布局設置、電路設計的連接后，建立一個基本的虛擬仿真實驗教學環境的基礎上，通過實驗仿真控制監測操作者在虛擬仿真實驗教學環境中的操作，如果發生短路、環境錯誤等意外可以及時緊急處理并將信號傳遞給脈沖信號進行后臺維修[9]。

服務器端依據多維數據可視化技術編碼模擬了教師職能錄入的信息，比如教師教學素養，知識儲備、學生選課安排與操作者交流的銜接處理等內容。多維數據可視化技術可以實現三維場景的變化，可以為同一實驗的不同操作者提供不同的場景，深化操作者對教學的體會，增加虛擬仿真實驗教學的真實性[10]。服務器端搭建模型如圖3所示。

服務器端可以設置虛擬仿真實驗教學的信息類型、數量和網絡規模的連通性需求等一些基本要求，可視化硬件要及時進行更新處理，這樣客戶端操作者就可以根據服務器端給出的一些必須要求，在虛擬仿真實驗環境中進行操作。

2? 虛擬仿真教學中多維數據可視化系統軟件優化

虛擬仿真教學實驗中多維數據可視化系統軟件部分的優化是對虛擬仿真實驗教學系統硬件系統的進一步升級，優化后操作者可以隨時隨地進入系統進行學習，也可以在系統中查找個人在虛擬仿真實驗教學中的操作評價、操作過程、實驗成績、實驗安排，以便操作者發現自身的不足。

軟件系統是瀏覽器和服務器相結合的架構模式，具有極高的擴展性和兼容性，可以進行信息分布式處理，有效降低虛擬仿真實驗教學環境資源的成本，并提高系統性能。為了提高學校管理的要求，對虛擬仿真實驗教學多維數據可視化系統進行優化，具體系統配置環境如圖4所示。

圖4顯示本方案的虛擬仿真實驗教學多維數據可視化系統由五大分布組成。數據庫的設計是系統設計的基礎，只有存在一定的操作者和實驗教學，才能讓這個虛擬仿真實驗發揮作用，本文對于這些基本信息存儲篩選操作是由數據庫概念模型E?R模型完成[11]。

E?R模型主要分三類用戶，系統管理員、教師、操作者，建立學生排課表、實驗安排表、成績查詢表、學生基本信息表。系統的安全設計等級設為三級。第一級為提取的數據信息數據庫概念模型E?R圖，第二級為數據庫概念模型中的數據進行加密存儲到云端，最高級別為進行自定義算法加密存儲到數據庫系統中，定期系統管理者會對數據庫中的數據進行分析更新和備份。具體操作結構如圖5所示。

3? 實驗研究

本文對虛擬仿真實驗教學多維數據可視化系統進行了性能和功能的多方面測試，來檢驗優化后的虛擬仿真實驗教學系統的運行情況。功能測試是對虛擬仿真實驗教學環境的可視化效果進行測試，性能測試是對虛擬仿真實驗教學環境的畫面轉變方面的測試。

功能模塊測試是當操作者學習時，監測虛擬仿真實驗教學環境是否會和真實教學過程具有相同的過程。經過多個操作者不同的操作實驗得出虛擬仿真實驗教學的多維數據可視化操作環境可以有條理地進行每一步操作，運行得到實驗結果。效果測試是點擊不同操作實驗過程的操作點，可以準確地出現每個操作者操作實驗的過程，多維數據可視化的效果讓教師端清晰明了地觀察到操作者的學習誤區，可以實現虛擬仿真實驗教學多維數據可視化系統的預期效果。測試工具如圖6所示。數字電路與邏輯設計是在虛擬仿真實驗教學環境中讓虛擬的實驗儀器和設備更具有真實性，讓虛擬仿真實驗教學多維數據可視化環境更貼切真實教學環境。教學環境畫面測試在操作環境中隨著操作次數的增加，頁面需要不斷地進行畫面轉變，所以測試主要是檢測虛擬仿真實驗教學操作環境是否會出現白屏或者卡屏的情況。本文測試選取外加工具測試，工具可以自動對虛擬仿真教學系統中的操作視頻進行檢測，如出現白屏或者卡屏，測試工具就會發出紅色燈，如畫面正常會顯示綠色信號燈。為了避免偶然性本次實驗采取100次操作者的實驗過程。測試結果如圖7所示。

圖中，經過多次測試虛擬仿真實驗教學環境出現畫面轉換停留平均為1.5 s，為正?，F象，如果超過3 s，則證明虛擬仿真實驗教學多維數據可視化系統存在問題。因此，本文優化的虛擬仿真實驗教學多維數據可視化系統可以構建一個更加嚴謹的教學虛擬環境。

4? 結? 語

本文通過增加虛擬仿真實驗教學多維數據的管理模式，優化了學生端進入系統時的驗證方式，通過多維數據可視化方法提高了虛擬仿真教學實驗過程的嚴謹性，降低了教學過程中出現畫面白屏的概率。相信隨著科技的發展，虛擬仿真實驗教學多維數據可視化系統會有更加飛躍的進步，這樣才能將虛擬實驗教學提高到更高的層次。

參考文獻

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