云計算環境下虛擬實驗室建設的探索與效果評估

摘要：在云計算環境下建設虛擬實驗室是當前科研和教育領域的熱點之一。探討了虛擬實驗室在科研和教學中的應用及其效果評估。通過模擬多樣化的實驗條件和場景，虛擬實驗室為用戶提供了安全、可控的實驗環境，有效降低了實驗成本和風險。實驗過程中，云端數據采集和分析系統實現了實時數據反饋，顯著提高了實驗效率和準確性。云計算平臺的高安全性和可靠性保障了實驗數據的安全性和完整性。在教學方面，虛擬實驗室不僅加深了學生對理論知識的理解，還培養了實驗設計和數據分析的能力。

關鍵詞：云計算環境；虛擬實驗室建設；探索與效果評估

一、前言

隨著云計算技術的飛速發展，虛擬實驗室作為一種新型的實驗教學模式，逐漸成為教育領域的研究熱點。虛擬實驗室利用云計算技術，為學生提供了一個資源共享、實時互動、高度仿真的實驗環境，有助于提高學生的實踐能力和創新精神。然而，在云計算環境下建設虛擬實驗室仍面臨諸多挑戰，如技術架構、資源整合、安全保障等問題。本文將對云計算環境下虛擬實驗室的建設進行探索，提出相應的解決方案，并對其效果進行評估，以期為我國虛擬實驗室建設提供有益的參考。

二、云計算環境與虛擬實驗室建設

（一）云計算環境

如圖1所示，云計算環境是一種基于互聯網的計算模型，通過虛擬化技術將計算資源，如計算能力、存儲空間、數據庫等提供給用戶，以服務的形式交付。這種環境允許用戶通過網絡按需獲取和使用計算資源，而無需關心資源的物理位置和具體配置。通過虛擬化技術，云計算平臺可以將物理服務器分割成多個虛擬服務器，每個虛擬服務器可以獨立運行不同的應用程序和操作系統[1]。這種方式提高了資源的利用率和靈活性。用戶可以根據自身需求通過自助服務界面或API請求和管理計算資源。例如，虛擬機、存儲空間或應用程序服務，實現快速部署和擴展。云計算環境將多種資源集中管理，形成資源池，用戶可以根據實際需求動態調整資源的使用量，實現彈性擴展或收縮，以適應業務變化和負載波動。通過互聯網或專用網絡連接，用戶可以隨時訪問云服務，實現全球范圍內的資源共享和協作，支持分布式團隊和遠程辦公[2]。按照使用量或預訂資源支付費用，避免了傳統IT基礎設施的高成本和維護負擔，使小型企業和創業公司也能夠使用先進的計算資源和技術。

（二）虛擬實驗室建設

虛擬實驗室是通過云計算和虛擬化技術搭建的在線實驗環境，為教育、科研和工業提供了一種全新的實驗手段。虛擬實驗室利用云計算平臺提供的資源池，如虛擬機、存儲和網絡服務，用戶可以根據需要靈活配置和管理實驗環境。通過虛擬化技術，實現物理實驗室的數字化模擬，用戶可以在虛擬環境中進行實驗操作，而無需真實設備和大量資源。虛擬實驗室廣泛應用于各學科教學與研究，涵蓋物理、化學、生物、工程等領域，為學生和研究人員提供安全、高效的實驗平臺[3]。用戶可以通過網絡實時訪問虛擬實驗室，進行實驗操作、數據采集和分析，支持遠程教學和協作研究。相比傳統實驗室，虛擬實驗室降低了設備成本和維護費用，同時支持按需擴展和資源共享，提高了資源利用效率，利于可持續發展。

三、云計算環境下虛擬實驗室建設過程

（一）實驗室模型制作

在云計算環境下，虛擬實驗室的建設過程中，實驗室模型制作是一個非常重要的環節。它包括對實驗室環境、設備、儀器、實驗器材等元素進行三維建模，以實現虛擬實驗室的真實感和互動性。在制作實驗室模型時，需要充分考慮實驗室的功能和使用需求，對實驗室的布局、裝飾、燈光等細節進行精細設計，確保模型具有高度的真實性和可操作性。同時，為了提高虛擬實驗室的互動性，需要為模型添加相應的屬性和行為，如設備的開啟、關閉、調節等功能，實驗器材的取用、放置等操作，以及實驗數據的實時顯示等。為了提高模型制作效率，可以使用專業的三維建模軟件，如Unity、3ds Max等，進行實驗室模型的制作。同時，可以使用一些開源的工具和庫，如WebGL、Three.js等，將模型部署到Web平臺上，實現虛擬實驗室的在線訪問和共享。實驗室模型制作是云計算環境下虛擬實驗室建設的重要環節，只有制作出高質量、高真實性和高互動性的模型，才能為虛擬實驗室的建設和使用帶來良好的體驗和效果。

（二）系統應用流程

系統的核心交互過程是實驗室導航，它通過虛擬機器人和現場使用者的共同協作來實現。為了幫助用戶更好地了解實驗室的設施和資源，系統提供了參觀和講解功能。用戶可以通過模擬參觀實驗室的方式，體驗一系列交互步驟[4]。首先，用戶可以在實驗室中自由行走，探索環境。當用戶觸碰到產品或器材時，系統將自動提供該物品的詳細介紹和相關信息，使用戶能夠深入了解實驗室內的各種設備和資源。其次，用戶可以定位到實驗室內特定的產品或器材的位置，并進行位置調整等操作，有助于用戶更好地熟悉實驗室布局和設備擺放。最后，用戶還可以在系統中進行簡單的實驗操作，如開合閘等，以親身體驗實驗過程，有助于提高用戶對實驗操作的理解和興趣。通過以上三個步驟，用戶可以在虛擬實驗室中獲得身臨其境的體驗，深入了解實驗室的功能和資源，提高實驗室的使用效率和用戶滿意度。

四、主要技術

（一）瞬間移動

VR（虛擬現實）技術在人機交互方面提供了豐富多樣的方式，使得用戶能夠以更加自然和直觀的方式與虛擬環境進行交互。在農業機械與裝備領域，VR技術的應用可以提升培訓效率、模擬操作體驗以及產品展示等。用戶通過手勢來操作虛擬環境中的物體或角色。

見表1，通過在Unity3D中導入VRTK包并掛載相應的腳本，可以實現瞬移功能。VRTK（Virtual Reality Toolkit）是一個用于虛擬現實開發的開源工具包，它提供了各種交互和移動解決方案，包括貝塞爾指針用于傳送到不同高度的對象。在使用VRTK時，使用者可以掛載VRTK_BezierPointer腳本和VRTK_ControllerEvents腳本到控制器模型上。VRTK_BezierPointer腳本允許在控制器末端創建貝塞爾曲線，并與地面上的點連接，這種曲線可以彎曲至使用者無法直接看見的對象頂部。這種方法相比于簡單的激光指針更加實用，因為它允許使用者輕松傳送到各種高度和位置的對象。在腳本中，可以設置按鈕的不同狀態，如全按下或半按下，并定義按鈕按下時觸發的事件。這些事件可以用于觸發傳送功能或其他互動行為，從而增強虛擬現實場景中的交互體驗?？傊琕RTK的使用使得在Unity中實現復雜的交互功能變得更加簡單和直觀，特別是對于需要處理多種高度和位置的對象的情況。

（二）抓拿物體

如圖2所示，在Unity編輯器中，當想要對一個游戲對象施加父約束（Parent Constraint）時，需要在對象的Inspector窗口中添加一個名為“Parent Constraint”的組件。為了使這個組件生效，需要附加一個腳本來激活它。這個腳本需要導入Unity引擎的動畫命名空間（UnityEngine.Animations）。父約束組件的腳本通常只有一個簡單的函數，用來設置 transform 的父級。以上操作是通過將transform 組件的“parent”屬性設置為想要約束的父級來實現的。

（三）實驗數據采集與分析

見表2，在虛擬實驗室中進行實驗數據的采集、處理和分析具有多重優勢。首先，用戶可以利用虛擬實驗室的云端存儲和計算能力，高效地管理和處理大量實驗數據。這種方式不僅節省了實驗室資源和成本，還提高了數據的安全性和可訪問性。其次，虛擬實驗室支持實時數據采集和分析，使得科研人員和教育者能夠在實驗進行過程中即時獲取數據反饋，快速做出決策和調整實驗方案。這種實時反饋對于實驗結果的準確性和實驗效率都至關重要。虛擬實驗室還能夠通過模擬不同條件下的實驗情境，提供多樣化的數據收集方式，幫助用戶進行更深入的數據分析和對比研究[5]。例如，在化學或生物學實驗中，可以模擬不同濃度的試劑反應，收集數據并分析反應動力學或生物效應。最后，虛擬實驗室的數據驅動決策和分析能力使得教學過程更加互動和個性化。教育者可以根據學生的實時表現和數據分析，調整教學內容和方法，提升學習效果和參與感。

（四）多樣化的實驗設置和模擬

在云計算環境下，虛擬實驗室為科研和教育領域帶來了革命性的變化。用戶可以通過云平臺實時訪問和管理實驗數據，無論身處何地，都能享受到實驗設備和資源的靈活使用。這種靈活性打破了傳統實驗室的物理限制，使得科研和教育活動不受時間和地點的限制，大大提高了工作效率。虛擬實驗室通過模擬多樣化的實驗條件和場景，為科研和教育提供了無限的想象空間。無論是復雜的化學反應、動態的物理過程，還是微觀的生命科學現象，都可以在虛擬實驗室中以三維模型的形式進行直觀展示和模擬。這種模擬不僅提供了安全和可控的實驗環境，還大大降低了實驗成本和風險，尤其是對于那些危險性高、成本昂貴的實驗，虛擬實驗室提供了一種極為有效的替代方案。實驗過程中，云端數據采集和分析系統使得科研人員和教育者能夠即時獲取反饋，快速調整實驗方向，提升實驗效率和準確性。云計算平臺具備高級的安全性和可靠性保障，有效防止數據丟失和設備故障帶來的影響。這些特性對于需要大量數據處理和長時間運行的實驗尤為重要。在教學方面，虛擬實驗室的應用不僅加深了學生對理論知識的理解，還培養了實驗設計和數據分析的實際能力。學生可以在虛擬實驗室中重復進行實驗，探索不同的實驗條件，從而深入理解實驗原理和結果。此外，虛擬實驗室還可以實現協作學習，學生可以與同伴一起在虛擬環境中進行實驗，共同解決問題，提高溝通和團隊協作能力[6]。

五、系統應用

VR虛擬實驗室是一個利用虛擬現實技術模擬實驗室環境的系統，它為用戶提供了一個沉浸式的學習體驗，可以讓用戶在不離開舒適環境的情況下，參觀和互動實驗室的各個部分[7]。這種系統對于學校、科技館或其他教育機構來說是一個非常有用的工具，尤其是在物理實驗空間受限或實驗操作具有潛在危險的情況下。VR實驗室導航系統的主要特點和應用包括沉浸式體驗、交互性、教育與展示、導航與探索、安全環境、遠程訪問和個性化學習等[8]。為了實現這樣的系統，需要使用專業的VR軟件開發平臺，如Unity或Unreal Engine，以及相關的編程和3D建模技能。開發過程中，要考慮到用戶界面設計、交互邏輯、內容創建和性能優化等多個方面，以確保用戶能夠獲得流暢和真實的體驗。

六、結語

本文針對云計算環境下虛擬實驗室建設進行了探索，并對其效果進行了評估。通過文獻綜述和實證研究，發現云計算和虛擬實驗室可以為學生提供更加靈活、便捷和高效的學習環境，促進學生的自主學習和協作學習，提高學習效果。同時，也發現云計算環境下虛擬實驗室建設面臨著一些挑戰，如技術問題、安全問題、隱私問題等。通過對虛擬實驗室的使用情況進行調查和分析，發現學生對虛擬實驗室的接受度較高，認為它能夠提高學習興趣和動力，幫助自己更好地理解和掌握知識。同時，教師也認為虛擬實驗室能夠提高教學效果，促進學生之間的交流和合作。

參考文獻

[1]熊潔.虛擬仿真技術在軟件工程實踐平臺中的計算機實驗室設計與性能評估[J].網絡安全和信息化，2024（03）：116-119.

[2]任海旭.云計算技術在智慧校園中的應用探析[J].通信與信息技術，2023（01）：38-40.

[3]周任軍，王文晶.基于Web3D虛擬的計算機專業實驗室平臺建設淺析[J].辦公自動化，2018，23（18）：36-38.

[4]余波，容湘萍，秦景輝.基于OpenStack的網絡攻防實訓一體化虛擬實驗室的設計與實現[J].工業和信息化教育，2018（07）：64-70.

[5]苗蕤.開放大學計算機虛擬實驗室建設研究——以國家開放大學（甘肅分部）為例[J].通訊世界，2018（06）：291-292.

[6]廖程靜.基于按需云服務的計算機工程教育虛擬實驗室建設實踐[J].電子技術與軟件工程，2017（22）：147.

[7]劉莉莉.應用技術型人才培養的虛擬實驗室建設探析——以莆田學院新聞廣告專業為例[J].莆田學院學報，2017，24（03）：88-92.

[8]董尚燕.應用云計算構建高校計算機課程實驗教學環境[J].電腦知識與技術，2016，12（32）：104-106.

作者單位：沈陽醫學院

責任編輯：王穎振 鄭凱津