網(wǎng)絡(luò)互動型機械工程虛擬實驗室的構(gòu)建

呂 紅，趙 媛，張 杰，王麗娜

（海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實驗部，山東 煙臺 264001）

虛擬實驗室（Virtual laboratory）[1]是指由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括相應(yīng)實驗環(huán)境、有關(guān)的實驗儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗信息資源等。

基于校園網(wǎng)，構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)，使學(xué)生共享一個虛擬空間，達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。虛擬實驗室徹底打破空間、時間的限制，為學(xué)生提供了生動、逼真的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，可以極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破實驗教學(xué)的重點、難點，在培養(yǎng)學(xué)生的實際操作技能方面起到積極作用[2]。

1 虛擬實驗平臺的構(gòu)建目標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)互動型機械工程虛擬實驗教學(xué)平臺構(gòu)建的總體目標(biāo)是建立一種新型網(wǎng)絡(luò)互動型實驗教學(xué)模式，指導(dǎo)教師能夠通過網(wǎng)絡(luò)對實驗教學(xué)過程進行管理，對實驗項目進行設(shè)置，通過網(wǎng)絡(luò)論壇對學(xué)生進行輔導(dǎo)，對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行檢查；學(xué)生能通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)，能夠?qū)W習(xí)相關(guān)的仿真軟件，能夠掌握實驗儀器設(shè)備的功能及操作規(guī)程，能夠自主地進行實驗并通過網(wǎng)絡(luò)平臺上傳實驗報告[3]。

虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計原則，包括：

1）開放性 基于校園網(wǎng)，任何學(xué)生只要在接入校園網(wǎng)的任一終端上，便能使用虛擬實驗系統(tǒng)，學(xué)生可方便地在網(wǎng)上進行任一專業(yè)、任一課程的實驗學(xué)習(xí)并及時獲取與實驗教學(xué)及管理有關(guān)的各種信息。

2）交互性 學(xué)生可以通過做虛擬實驗來提高實際操作能力，并且虛擬實驗可以給出交互信息，對學(xué)生的操作實時作出反饋。

3）易于維護 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)為每個實驗室提供了一個維護自己的實驗內(nèi)容、實驗管理、發(fā)布信息的界面，圖形、聲音、動畫等采用標(biāo)準(zhǔn)格式，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序采用跨平臺的設(shè)計原則[4]，因此才便于維護管理和普及應(yīng)用。

4）安全性與可靠性 系統(tǒng)運行一定要安全可靠，要求全天候工作，學(xué)生在任何時候都可以登錄校園網(wǎng)使用，網(wǎng)絡(luò)管理員定期對網(wǎng)絡(luò)進行維護，對主要數(shù)據(jù)進行備份。

2 虛擬實驗室建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)《軍隊院校基礎(chǔ)實驗室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（試行）中要求：實驗室應(yīng)具備開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和虛擬實驗的條件，應(yīng)有配套虛擬實驗軟件和實驗輔助教學(xué)軟件以及支持實驗室開放的管理系統(tǒng)。依據(jù)這一文件精神建設(shè)的《機械工程虛擬實驗室》，以校園網(wǎng)為依托，具備實驗學(xué)習(xí)、虛擬實驗、實驗報告和公告答疑等4種功能。根據(jù)軍隊院校的人才培養(yǎng)方案確定機械工程虛擬實驗室由機械設(shè)計、機械制造和工程材料及技術(shù)測量3個實驗室組成，界面如圖1所示。

1）機械設(shè)計虛擬實驗室 包含機構(gòu)運動簡圖繪制實驗、漸開線直齒圓柱齒輪范成實驗和減速器拆裝實驗等3類實驗項目。

2）機械制造虛擬實驗室 包含冷加工方法認(rèn)知、熱加工方法認(rèn)知、典型零件加工工藝編制以及數(shù)控加工編程等4類實驗項目。

3）工程材料及技術(shù)測量虛擬實驗室 包含金相試樣制備、金相顯微組織觀察與分析、金屬材料的硬度實驗和沖擊實驗等4類實驗項目。

圖1 機械工程虛擬實驗室界面Fig.1 Interface of the mechanical engineering virtual laboratory

3 虛擬平臺具體設(shè)計

在虛擬實驗平臺構(gòu)建中，采用三層B/S結(jié)構(gòu)，前臺用戶顯示層基于JSP和Servlet實現(xiàn)，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯層基于JavaBean組件實現(xiàn)，后臺數(shù)據(jù)庫基于SQL Server實現(xiàn)。

基于B/S的三層體系結(jié)構(gòu)，有如下優(yōu)點：1）允許合理劃分三層功能，使其在邏輯上保持相對獨立，從而使整個系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)更為清晰，提高系統(tǒng)的可維護性和擴展性[4]；2）三層結(jié)構(gòu)中，各層可以并行開發(fā)，各層也可以選擇各自最合適的開發(fā)語言，并且對于每一層處理邏輯的開發(fā)和維護也會更加容易；3）集中管理的優(yōu)勢。所有服務(wù)器程序都運行于服務(wù)器上，對系統(tǒng)升級更新、服務(wù)器的配置修改、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)等功能都可以直接在服務(wù)器端完成，獨立于客戶端。

3.1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)Fig.2 System level structure

系統(tǒng)表現(xiàn)層完成信息的展示、接收用戶輸入的數(shù)據(jù)或提交的實驗報告等功能，主要用JSP實現(xiàn)，HTML用于表現(xiàn)頁面布局，JavaScript用于交互時的數(shù)據(jù)檢查、頁面特效等需要在客戶端完成的一些功能。

業(yè)務(wù)邏輯層采用Java編寫的JavaBean組件來實現(xiàn)，用于封裝對數(shù)據(jù)庫的操作，并完成業(yè)務(wù)處理邏輯，這樣在表現(xiàn)層只需要簡單的調(diào)用就即可得到所需要的數(shù)據(jù)[5]。

數(shù)據(jù)邏輯層完成在SQL Server數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表的設(shè)計，以及數(shù)據(jù)的合理存儲。

3.2 服務(wù)器設(shè)計方案

在整個互動型虛擬實驗教學(xué)平臺中，服務(wù)器是核心，因此在設(shè)計中需要綜合考慮各方面因素，包括操作系統(tǒng)的兼容性、開發(fā)難易程度、軟件的可擴展、重用性及平臺的安全性等。

3.2.1 服務(wù)器的運行環(huán)境

環(huán)境配置所需軟件：Microsoft Windows 2000 Server、JDK 1.4或以上版本、Tomcat5.0 或以上版本、Rational Rose、JSP（Java Server Page）編程語言。另外，網(wǎng)頁制作軟件Dreamweaver CS3用來實現(xiàn)系統(tǒng)各個界面的布局設(shè)計，3DMAX等用來實現(xiàn)實驗過程的動態(tài)模擬演示，內(nèi)嵌Realplay播放器用來實現(xiàn)操作過程和數(shù)據(jù)處理過程的演示，Microsoft SQL Server用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理。

3.2.2 服務(wù)器處理過程

Web服務(wù)器基于JSP容器來處理所有向JSP頁面發(fā)出的請求。為了處理頁面中的JSP元素，容器要把JSP頁面轉(zhuǎn)化成Servlet，所有的JSP元素都被轉(zhuǎn)換成實現(xiàn)相應(yīng)動態(tài)行為的Java代碼，編譯后成為擴展名.class的JSP頁面實現(xiàn)類，再由Servlet引擎運行，最后將執(zhí)行結(jié)果返回到Web服務(wù)器[6]，Web服務(wù)器再將結(jié)果返回到客戶端瀏覽器上。如果在上述過程中JSP引擎發(fā)現(xiàn)JSP文件已經(jīng)運行并且產(chǎn)生了JSP頁面實現(xiàn)類，則直接運行該JSP頁面實現(xiàn)類。這就是載入一次可以重復(fù)執(zhí)行的技術(shù)。采用JSP、JavaBean、SQL Server實現(xiàn)的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫連接是最重要的部分。本文所研究的數(shù)據(jù)庫連接基于 JDBC（Java DataBase Connectivity）。SQL Server數(shù)據(jù)庫帶有JDBC驅(qū)動程序，Java程序通過JDBC驅(qū)動程序與數(shù)據(jù)庫相連。JSP只要將JDBC驅(qū)動程序類加載到應(yīng)用程序的Java虛擬機中，就可以使用該驅(qū)動程序來建立連接。

3.2.3 三維仿真模型的建立

在虛擬實驗平臺中，實驗過程的三維仿真演示非常重要，筆者基于 VRML（Virtual Reality Modeling Language， 虛擬現(xiàn)實建模語言）與3DMAX相結(jié)合的方式來搭建此模型。

VRML中提供了視點Viewpoint節(jié)點，這個節(jié)點允許為用戶設(shè)置一個理想點的位置和方向[7]，通過不斷改變視點的位置和方向可以達(dá)到不斷改變對象位置和方向相似的動畫效果。用戶可以從該點來觀察場景，在第一個新的觀察點，瀏覽器獲得的圖像就像是使用一部虛擬的取景器在屏幕上播放一樣。替身在虛擬空間中的移動，就使得取景器不斷地調(diào)整其位置和朝向。當(dāng)Viewpoint節(jié)點是Transform節(jié)點的子節(jié)點時，視點的方位是在Transform節(jié)點的坐標(biāo)系內(nèi)，如果坐標(biāo)移動，則視點也隨著移動。當(dāng)在虛擬平臺中移動時，可以把時間傳感器觸發(fā)的fraction changed事件值傳遞到旋轉(zhuǎn)節(jié)點和位置節(jié)點以產(chǎn)生新的視點和位置[7]，然后把新產(chǎn)生的視點方向傳遞到視點（Viewpoint）節(jié)點中就會改變原先的值，從而產(chǎn)生三維立體動畫效果，如圖3所示。

圖3 減速器拆裝仿真效果Fig.3 Disassembly and assembly simulation effects of the reducer

4 實際教學(xué)意義

結(jié)合本院實驗教學(xué)的實際，虛擬實驗室的構(gòu)建主要解決了傳統(tǒng)機械工程實驗教學(xué)體系中存在的以下不足：1）實驗耗時長、花費大、學(xué)員實驗時間很難安排；2）學(xué)員實驗前缺乏對操作過程和結(jié)果的預(yù)見性；3）對具有危險性的實驗操作缺乏心理準(zhǔn)備，稍微不慎會造成設(shè)備損壞甚至人員受傷；4）實驗流程多為教員先講，學(xué)員再做，大部分學(xué)員只是進行觀摩及實驗數(shù)據(jù)的記錄，動手能力得不到提高，教學(xué)效率低。

5 結(jié)束語

通過虛擬實驗室可以使學(xué)員在實驗前就能更好地了解實驗的目的和原理，掌握實驗方法和儀器的使用，提高學(xué)員的興趣以及對專業(yè)知識的感性認(rèn)識，并且在節(jié)約實驗經(jīng)費，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量等方面具有積極的作用。通過在實際教學(xué)中的應(yīng)用表明，將網(wǎng)絡(luò)、虛擬技術(shù)[8]融入到實驗教學(xué)體系中，對于實驗教學(xué)的改革具有重要的意義。

[1]宋向軍.虛擬實驗室在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實驗技術(shù)與管理，2005，22（1）:35-37.SONG Xiang-jun.The application prospect of virtual laboratory inuniversity’s experiment teaching[J].Experimental Technology and Management，2005，22（1）:35-37.

[2]聶濱，曾照芳.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的醫(yī)學(xué)實驗室的構(gòu)建研究[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2006（1）:11-13.NIE Bin，ZENG Zhao-fang.Construction of virtual medical laboratory based on virtual reality technology[J].Northwest Medical Education，2006（1）:11-13.

[3]王新剛，陳霞，余潔.關(guān)于虛擬實踐教學(xué)環(huán)境構(gòu)建的探討[J].教育與職業(yè)，2007（5）:160-161.WANG Xin-gang， CHEN Xia， YU Jie.Study on environment construction of the virtual experiment teaching[J].Education and Vocation，2007（5）:160-161.

[4]姜淑敏，楊洋，馮巍.機械基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)交互式虛擬實驗室的研究與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2005（9）:17-19.JIANG Shu-min， YANG Yang， FENG Wei.Study and realization on virtual laboratory of mechanical fundamentals based on local-internet[J].Research and Exploration in Laboratory， 2005（9）:17-19.

[5]諶志群，曾文華，丁穎.基于Web的虛擬實驗系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002，22（6）:53-56.CHEN Zhi-qun， ZENG Wen-hua， DING Ying.Research and realize on web based virtual experiment systems[J].Journal of Hangzhou Institute of Electronic Engneering，2002，22（6）:53-56.

[6]鄭耿忠.基于Web的電路協(xié)同虛擬實驗室研究及實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2006（21）:4111-41114.ZHENG Geng-zhong.Design and implementofcircuit cooperate virtual laboratory based on web [J].Computer Engineering and Design， 2006（21）:4111-4114.

[7]劉怡，張洪定，崔欣.虛擬現(xiàn)實VRML程序設(shè)計[M].天津:南開大學(xué)出版社，2007:1-3.

[8]柳蛟.基于SOA的企業(yè)服務(wù)總線的研究與實現(xiàn)[J].陜西電力,2010，38（9）:38-42.LIU Jiao.Research and implementation of SOA based enterprise service bus[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（9）:38-42.