基于虛擬現實的冶金工程專業學生實訓平臺研究

徐本軍，薛 鑫，毛小浩

（貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025）

冶金工程專業，需要具備冶金物理化學、鋼鐵冶金和有色金屬冶金等方面的知識，是一門以實驗為基礎的科學，可以在企事業單位進行專業的科學研究、工程設計和生產技術管理等，因此，在冶金工程專業中，實踐課程占有特殊的地位，尤其是冶金工程專業中的《鋼冶金》《鐵冶金》《鋅冶金》等學科，需要讓學生在實踐過程中，了解現場工藝及設備，從而加深理論的理解及應用，否則極易影響學生發展[1]。尤其是近年來，冶金工程專業，受到環境、效益、產能過剩等因素影響，企業不景氣，導致該專業學生實習尤為困難，出現學生專業知識扎實，但是應用能力不強、創新意識淡薄、能力較差等現象，與用人單位的實際要求，存在較大差距，從而形成惡性循環，對企業招聘人才和大學生就業產生雙重影響[2]。為了解決上述存在的問題，改變冶金工程專業現狀，提出采用虛擬現實技術，形成虛擬場景、視頻等多媒體，展現冶金現場工藝及設備，通過虛擬實驗的方式，提高學生的綜合能力。為此提出基于虛擬現實的冶金工程專業學生實訓平臺研究這一課題。

1 基于虛擬現實的冶金工程專業學生實訓平臺研究

1.1 設計實訓平臺框架

考慮冶金工程專業學生，對實訓平臺真實性的需求，需要采用虛擬現實技術，提高學生的應用知識的能力和實際動力能力[3]。所以，利用asp.net+C 語言編寫程序，編寫實訓平臺；MsSql2000 數據庫，存儲冶金工程專業實訓信息，讓平臺具有可視化、交互性、資源共享、安全性等特點。

此次設計的冶金工程專業學生實訓平臺，從邏輯上分為了實訓門戶層、服務應用層、核心服務層、服務支撐層、數據庫層等五層。其中實訓門戶層，是平臺與客戶端的聯系，通過實訓門戶，讓客戶端與平臺中的服務端具有交互功能，根據學生發送的請求，將服務層的信息，反饋給學生。服務應用層負責應用邏輯的實現，需要驗證登錄人員信息，防止合法用戶非法資源訪問。核心服務層主要負責調取數據庫信息，處理平臺日常訪問事務。服務支撐層支撐著平臺的運轉，在不更改數據庫信息情況下，調整平臺框架。數據庫層存儲冶金工程專業實訓數據。

此時，根據圖1 所示的冶金工程專業學生實訓平臺框架，需要部署核心服務層中的虛擬實訓環境，促使平臺具有實際動手操作功能。

1.2 基于虛擬現實建立實訓平臺虛擬實訓環境

在圖1 所示的冶金工程專業學生實訓平臺框架基礎上，采用虛擬現實技術，設計平臺虛擬實訓環境，還需采用虛擬現實中的virtools.flash 技術，與asp.net+C 語言編寫程序相結合，開發虛擬實訓空間，讓教師可以根據在線視頻語音，隨時知道學生實訓，減少學生錯誤操作，鞏固學生學習的理論知識。學生也可以根據實訓過程，得到實訓體悟，并且實時反饋給教師，從而得到更好的指導。此次設計虛擬實訓環境拓撲結構，采用了WEB 的B/S 模式，通過internet 網絡，形成虛擬實驗時，實現實訓平臺的虛擬現實環境。該方式構建的虛擬實驗環境，具有成本低，環境生動、逼真等特點。在教師組織學生實訓時，只需要學生從客戶端，如筆記本、ipad、手機等，通過互聯網連接，登錄虛擬實訓平臺，即可進入虛擬實驗環境。在這個虛擬實驗環境中，學生可以“真實”地操作實驗設備，根據教師的指點，進行實驗。當學生進入虛擬實驗環境后，教師可以開啟用戶權限，觀看每一名學生的操作過程，通過在線語音，糾正學生實訓操作步驟，提高實訓教學效率。

此外，此次設計的虛擬實訓環境拓撲結構，還可以自主登錄實訓平臺，進行自主實驗練習，只需要學生在實訓平臺，發送實驗請求，選擇自己需要進行的實驗項目，調整實驗環境，即可進行實驗。當學生處于異地時，學生所進行的實驗數據，可以存儲在客戶端。當實驗為多人合作實驗時，平臺可以設置同步實驗時間，并將實驗數據，實時存入服務器端的數據庫。發生斷電等突發事件，平臺也可以返回斷電前一刻，等來電后，繼續進行實驗。

綜合上述兩節設計的實訓平臺框架和實訓環境拓撲結構，可以發現，平臺數據庫在實訓平臺中，占據十分重要的地位，因此，需要設計實訓平臺數據庫。

1.3 構建實訓平臺數據庫

基于上述兩節設計的實訓平臺框架和實訓環境拓撲結構，構建滿足實訓平臺框架和實訓環境拓撲結構的數據庫。所以，采用一系列的表單，構成實訓平臺數據庫，記錄和保存教師實訓管理，以及學生實訓的實訓數據和統計數據。建立的實訓平臺數據庫，可以幫助教師，直接掌握學生詳細信息，對學生進行實訓授權，既可以增加實訓平臺的信息安全，還可以查看學生實訓狀況。安排學生的實訓課程，降低平臺的用戶并發量，避免平臺出現崩潰現象。在實訓環境中，學生可以根據實訓項目，從數據庫中，選擇相應的實訓時間材料，以及以往的實訓數據，完成實訓。

2 平臺測試

采用對比實驗的方式，以冶金工程專業學生為實驗對象，驗證此次研究的冶金工程專業學生實訓平臺。并將此次研究的冶金工程專業學生實訓平臺，記為A 平臺；傳統冶金工程專業學生實訓平臺，記為B 平臺。確定平臺運行環境和測試頁面，改變平臺用戶并發數，對比測試兩組平臺功能和性能。

2.1 實驗準備

此次實驗，選擇的實驗對象為某區域高校的冶金工程專業學生，該專業學生約為1000 人，需要同時使用實訓平臺，進行專業實際應用能力訓練。考慮學生專業排課問題，則不會出現1000人同時使用平臺的現象，因此，將該高校冶金工程專業學生，每天使用實訓平臺的人數設置為500 人。因此，兩組平臺需要滿足500 人同時使用實訓平臺，且不會出現平臺崩潰現象。

基于上述分析內容，計算平臺使用用戶的平均并發用戶數以及并發用戶數峰值。為此，假設平臺使用者數為n ，用戶訪問時間為n ，平臺被訪問時間為T ，則平均并發用戶數C 以及并發用戶數峰值 'C 分別為：

基于（1）式計算得到的用戶使用人數，為保證實驗的嚴謹性，考慮此次設計的冶金工程專業學生實訓平臺，以及傳統冶金工程專業學生實訓平臺特點，設置兩組平臺通用運行環境，如表1 所示。

表1 平臺運行環境

基于表1 所示的平臺運行環境，采用Xenu Link Sleuth1.3 測試平臺的運行功能，檢測平臺各項功能是否處于正常運行狀態，連接頁面是否正確，功能鍵是否正常；Apache Jemeter2.3 測試平臺性能，檢測平臺頁面響應時間，是否處于正常運行狀態；Pangolin3.0 測試平臺安全性能，查看是否存在非法入侵，以及平臺網絡堵塞現象。

根據Xenu Link Sleuth、Apache Jemeter和Pangolin檢測結果，此次對比實驗選擇的兩組平臺，皆處于正常運行狀態，可以進行平臺對比測試實驗。

2.2 實驗結果

2.2.1 平臺功能測試

基于此次實驗設置的實驗參數，在此次實驗設置的路標1 所示的實驗環境中，采用Xenu Link Sleuth 軟件，分別檢測兩組平臺的登錄頁面、平臺首頁、實訓管理頁面、實驗課程維護頁面和學生授權頁面等平臺頁面功能，查看兩組平臺，連接下一頁面的連接情況，以及顯示頁面是否正確。

2.2.2 平臺性能測試

基于第一組實驗結果，進行第二組實驗，采用Apache Jemeter 軟件，測試平臺性能。基于學生最大登錄平臺人數，將平臺的用戶并發數從50 設置到500，檢測兩組平臺，隨著用戶并發數的增加，所有頁面總共響應時間的變化，從而驗證兩組平臺性能，其測試結果，如表3 所示。

表3 平臺性能測試結果

從表3 中可以看出，當用戶并發數為50 時，A 平臺所有頁面總共響應時間，較B 平臺少3s ；當用戶并發數為200 時，A 平臺所有頁面總共響應時間，較B 平臺少30s ；當用戶并發數為500 時，A平臺所有頁面總共響應時間，較B 平臺少95s。由此可見，此次研究的冶金工程專業學生實訓平臺，用戶并發數達到峰值時，平臺所有頁面總共響應時間，也未曾達到1min，因此，具有較快的響應速度。

綜合上述兩組實驗結果可知，此次研究的冶金工程專業學生實訓平臺，平臺頁面功能完善，可以承受較多的用戶并發數，具有較快的響應速度。

3 結束語

綜上所述，此次研究冶金工程專業學生實訓平臺，充分利用虛擬現實技術，讓平臺具有與生產現場保持一致性、準確性和可控性的特點，達到訓練學生實際操作能力。但是，此次研究的冶金工程專業學生實訓平臺，未曾考慮平臺的安全性能。因此，在今后的研究中，還需深入研究平臺的安全性能，避免平臺本身因素，影響學生實訓效果。