基于虛擬仿真技術的計算機網絡與維護實驗系統的設計

嚴萍

（河北醫科大學第四醫院，河北石家莊，050000）

0 引言

建設一個實體的計算機實驗室，不僅造價高昂，而且后續使用中問題諸多，對于我國大部分高校而言，殊非易事。在此背景下，虛擬仿真技術在教育領域發揮著至關重要的作用。虛擬仿真技術通過沉浸式的教學體驗，能夠提高教育質量，并通過相應地平臺實現來自不同地方、不同程度的學生之間的知識共享，特別是在有高技能教師和先進教育服務的地方，有助于提升教學質量和教學效率。

1 系統結構功能分析

1.1 系統硬件結構分析

應用虛擬仿真技術的計算機網絡與維護實驗系統，模擬真實世界的環境，并允許學生進入虛擬情景以應對實踐作業需要。在此過程中，實驗系統采用二維(2D)或完全浸入式(3D)界面，通過數據挖掘處理多用戶視角，可用作獨立的訓練工具，讓學生了解計算機網絡與維護并參與課堂學習活動，可以有效提高學生在計算機網絡與維護方面的實踐性表現[1]。因此，所設計的計算機網絡與維護虛擬實驗系統硬件結構分作主控中心平臺、智能網絡設備和組控設備三個部分。通過與當地企業的合作，把計算機網絡與維護仿真教學系統引入到三個硬件設備中，進而搭建起實驗所需的網絡環境。

1.2 系統軟件功能分析

軟件架構在計算機網絡與維護實驗系統中發揮著關鍵作用，包括管理在線用戶請求和性能以提供高質量的學習；建議并響應在線查詢，以提高虛擬培訓在現實環境中的質量并提高其成功率。為了最大限度地減少用戶和團隊成員之間的溝通問題，實驗系統提供多種課程進行教學和學習，并收集有關學生的專業知識、資格、經驗、興趣和其他因素的數據存儲在數據庫中，以備將來推薦使用。因此，所設計的系統軟件需包含以下功能：

首先，用戶登錄和管理功能。該功能模塊主要用于用戶的登錄和用戶信息的管理。在用戶登錄功能中，通過用戶ID和相應且正確的登錄密碼可以實現成功登錄；在用戶管理功能中，實現對用戶信息的錄入、存儲和修改，例如，姓名、專業、班級、學號等。具體模型如圖1所示。

圖1 用戶登錄和管理模塊模型圖

其次，安全與數據管理功能。該功能模塊用于管理員對計算機網絡與維護實驗系統的維護，以及完成計算機網絡元器件的定義工作以及設計相關數據、CAD繪圖工作、分析工程和檢驗數據、制定計劃以及規則、產品的說明以及關于多媒體文件和其他數據的添加、修正、刪除、更新升級等功能。具體模型如圖2所示。

圖2 安全與數據管理模塊模型圖

再次，數據檢索與統計功能。該功能模塊主要提供計算機網絡與維護實驗系統大數據集合和挖掘功能。由于計算機網絡與維護所涉及的教學數據較多，為了讓學生進行虛擬實驗時有更好地學習實效，數據檢索提供了“精準搜索”和“模糊查詢”的功能，使得系統數據得到最大利用，優化了學生的素材管理，縮短了資料搜集方面的時間。在此基礎上，數據統計應用大數據技術，做好學生訓練的數據整理，提供學生更加優勢的數據服務。具體模型如圖3所示。

圖3 數據檢索與統計模塊模型圖

最后，虛擬實驗功能。該功能模塊是計算機網絡與維護實驗系統的核心功能，主要使用R（RCoreTeam，2019）文本挖掘庫和RStudio工具（RStudioTeam，2019），從語義上分析文本，使用電子學習推薦架構集成，進行基于透視的知識挖掘。在輸入數據預處理完成后，挖掘的術語將保存在提議的電子學習推薦系統的存儲庫中，旨在減少缺乏視圖信息用戶提供的點以及到數據之間的關系隱藏。為了處理新用戶的請求，實驗系統從新用戶的個人資料和現有用戶的偏好中提取信息，以獲得正確的推薦，然后識別用戶對類似課程和情感的相似反饋，從而對推薦進行識別和排名。

2 系統搭建說明

2.1 系統硬件搭建

信息技術在現代生產生活中有重要作用，因此，高素質的復合型信息技術人才是我國社會主義建設所必須的基礎條件之一。專業學習中的三個成果——獲得實踐經驗；使用知識和技能；解決實際問題——只有在實驗課程中才能完全實現。特別是在信息類專業中，要培養具有動手能力的復合型人才，必須重視對學生的實驗教學。然而，計算機網絡與維護過程的模擬往往是一個非常具有挑戰性的任務，主要是由于計算機網絡與維護高水平的交互性，無論是在功能和直觀性方面，交互需要盡可能自然。因此，在搭建實驗系統硬件時，應用網絡拓撲結構，優化計算機網絡實驗的組網功能，構建全新的發展模式，并結合同步語音提示功能，促使其實現同步的優化。

從某種角度來看，基于虛擬仿真技術的實驗系統是一個需要模擬的互動過程[2]，主要涉及到的相關挑戰是，虛擬環境不能像真實環境中的物體那樣進行物理約束。這可能會導致不切實際的手部運動，同時伴隨著視覺上的干擾情況。作為實驗室課程的準備工具，即學生將在實驗室課程中進行實驗，因此，考慮到上述的挑戰，實驗系統硬件搭建的創新之處在于：允許缺乏經驗的用戶創建虛擬仿真環境；允許快速模擬實際維護過程以及評估可替代的技術過程；允許共同創造概念，因為運營商和工程師都在合作評估和改進計算機網絡維護過程，允許雙方獲得隱性知識，從而降低成本。

2.2 系統軟件搭建

所設計的系統的能夠提取計算機網絡與維護信息，并利用這些信息建立約束數據庫，然后在運行應用程序時實時部署。為了增加沉浸體驗，并為用戶提供虛擬世界中的存在感，虛擬反饋被擴展到僅僅是可視化、多模態虛擬環境，具有刺激不同感官的潛力，如視覺和觸覺。增加感官反饋可以提高用戶的效率和性能，因此，在搭建系統軟件時，將教學過程分為實驗前階段、實驗階段和實驗后階段，然后將這些階段分為五個級別來引入分段。在這種特定的方法中，學生會逐漸通過各個級別，并且在完成當前級別之前不會被授予進入下一級別的權限。例如，將實驗設計層面和數據處理層面結合在一個屏幕上，由幾個選項卡組成：背景信息；網絡協議；實驗結果以及計算過程。每個選項卡都可以隨時打開，但任何時候都只能打開一個選項卡。如果學生還沒有達到所選選項卡的級別，例如，學生想要在制作流程圖之前進行計算（數據處理級別）以獲得所需的原始數據（實驗設計級別），系統將僅指導學生達到他目前的水平。

由于虛擬仿真技術，學生在學習的過程中，結合的將是多媒體而不是單獨的文本。多媒體是指文本和動態圖形的組合，使用多媒體的學習材料，在圖形不完全用于裝飾的情況下，可以更長時間地保持學生的注意力，并且可以促進學生的主動學習和深度學習。為了更好的實現實訓效果，系統軟件通過引入解釋性圖形來解釋數據庫中提供的方法背后的原則。解釋性圖形是使無形現象變得可見和具體的視覺效果。為了支持這些方法的協議，使用了代表性和轉換圖形。代表性圖形將實驗室中使用的設備和材料可視化，而轉換圖形則通過短片將復雜的協議可視化[3]。系統軟件讓學生自己設計實驗，讓學生學習相關方法。這些設計原則是虛擬仿真系統的預實驗階段所固有的。通過為學生提供可以添加到工作流畫布的方法數據庫來應用這些原則，可以制作流程圖，提供信息并回答交互式問題，以激發學生積極尋找和處理可用信息。這種設計與在實體實驗室課程中僅向學生提供原始數據不同，能夠更加有效地幫助學生熟悉和識別與方法對應的輸出。