網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案研究

王曉卉

(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧營(yíng)口115000)

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，校園網(wǎng)已經(jīng)成為高校必備的教學(xué)環(huán)境.很多教學(xué)過(guò)程和教學(xué)改革都是基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)展開(kāi)的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不例外.但近年來(lái)在實(shí)踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室不僅耗費(fèi)學(xué)校大量的資金配備，而且限制了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間，可見(jiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)不能滿足學(xué)生在信息時(shí)代的需求.而虛擬儀器和虛擬技術(shù)的迅速發(fā)展，使構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為可能，基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)已成為實(shí)踐教學(xué)研究的重要方面.

虛擬現(xiàn)實(shí)是由高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建的一種令人感到身臨其境、可以獲得與環(huán)境交互體驗(yàn)的虛擬世界.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)中的任何實(shí)驗(yàn)對(duì)象都可以看作是一個(gè)三維的、可視化的物體，學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤操作進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn).計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與儀器技術(shù)的結(jié)合使網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室得以實(shí)現(xiàn).

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室概述

1989年，美國(guó)的William Wolf教授率先提出虛擬實(shí)驗(yàn)室(Virtual Laboratory)的概念，用來(lái)描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境.美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)對(duì)其的定義為:虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)無(wú)墻的中心——研究人員能在其中從事科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)，不必顧及地理位置的限制，實(shí)現(xiàn)同行間、同事間的互動(dòng);共享儀器、設(shè)備、數(shù)據(jù)、計(jì)算資源以及數(shù)字圖書館的信息.這個(gè)定義表明，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室在Internet的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)是一個(gè)可以有邏輯上限制，但沒(méi)有物理空間限制的無(wú)墻中心，可以充分實(shí)現(xiàn)資源共享和支持協(xié)同工作環(huán)境.

典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室由客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及實(shí)驗(yàn)設(shè)備4部分組成.進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室首先要通過(guò)用戶提出實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)，系統(tǒng)校驗(yàn)用戶合法性后開(kāi)始實(shí)驗(yàn).通?？梢杂?種實(shí)驗(yàn)方法，一是用戶將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，服務(wù)器根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)始運(yùn)行虛擬軟件，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋給用戶;二是用戶自行下載虛擬軟件，直接在本地計(jì)算機(jī)運(yùn)行，這對(duì)于經(jīng)常使用仿真軟件的用戶來(lái)說(shuō)比較方便.

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)方案

從國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究成果來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立主要依托以下四方面關(guān)鍵技術(shù):

1)Java技術(shù).Java是Sun公司隨著Internet發(fā)展而出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言.由于它具有可移植性、穩(wěn)定性、健壯性和安全性等諸多特點(diǎn)，因而成為跨平臺(tái)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的規(guī)范.在可移植性上，Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)了源代碼級(jí)和二進(jìn)制級(jí)2種可移植性.此外，Java語(yǔ)言的下標(biāo)檢查機(jī)制和自動(dòng)內(nèi)存管理機(jī)制也使程序的穩(wěn)定性和安全性得以增強(qiáng).采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，同時(shí)結(jié)合VRML編程實(shí)現(xiàn)3D效果，可以增加虛擬實(shí)驗(yàn)室的逼真度和動(dòng)感.

2)Active X控件.為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要，Microsoft公司利用支持COM規(guī)范的開(kāi)發(fā)工具VB、VC++、Delphi、Builder等，將OLE技術(shù)在Internet上重定義，開(kāi)發(fā)Active X控件.使用Active X進(jìn)行開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器，即代碼復(fù)用性，這對(duì)持續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程尤為重要.同時(shí)，使用微軟的組件對(duì)象技術(shù)Active X還允許不同軟件開(kāi)發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上互相進(jìn)行通信.

3)VRML技術(shù).VRML是在Internet上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵性技術(shù).其采用三維場(chǎng)景的描述性語(yǔ)言，可以在Internet上傳輸很少的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景的瀏覽，互動(dòng)性大大增強(qiáng).可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室將VRML集成到開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以增強(qiáng)表現(xiàn)力和用戶的接受力，實(shí)現(xiàn)更好的工作環(huán)境虛擬化.

4)QuickTime VR技術(shù).實(shí)現(xiàn)平臺(tái)只需計(jì)算機(jī)，是一種實(shí)景建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).使用QTVR技術(shù)可以自行控制實(shí)驗(yàn)的順序和進(jìn)度，還可以選擇實(shí)驗(yàn)需要的環(huán)節(jié)而略過(guò)其他不必要環(huán)節(jié).QTVR不需要專門的硬件設(shè)備和配套設(shè)施，用普通的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以達(dá)到效果.為了達(dá)到更真實(shí)、更豐富、更生動(dòng)的圖像細(xì)節(jié)特征，照片、視頻或其他數(shù)字圖像創(chuàng)建虛擬環(huán)境多用QTVR.

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種異構(gòu)的解決問(wèn)題的環(huán)境，常用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無(wú)非有2種，即Client/Server體系結(jié)構(gòu)和Browser/Server體系結(jié)構(gòu).

C/S結(jié)構(gòu)充分利用客戶端和服務(wù)器端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到兩端，提高了系統(tǒng)的效率和資源共享，同時(shí)減少了網(wǎng)絡(luò)通信量，以避免頻繁的網(wǎng)絡(luò)擁塞，確保數(shù)據(jù)的一致性.因?yàn)檫@種計(jì)算模型是在客戶端體現(xiàn)交互計(jì)算和業(yè)務(wù)規(guī)則，安裝、升級(jí)、維護(hù)都有困難，在多用戶、多數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)等待時(shí)間長(zhǎng)甚至系統(tǒng)死機(jī)或崩潰的現(xiàn)象，而且在可擴(kuò)充性、可維護(hù)性、安全性、適應(yīng)性、軟件建設(shè)周期和使用周期等方面都有局限性.B/S結(jié)構(gòu)是一種由瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成的基于Web的三層體系結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)客戶端只要安裝了操作系統(tǒng)和Web瀏覽器，就可以由服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的查詢、處理和表示，系統(tǒng)版本的升級(jí)和維護(hù)也在Web服務(wù)器端進(jìn)行.B/S系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，見(jiàn)效快，采用公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，系統(tǒng)資源的冗余度小且具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性.基于WWW的B/S體系結(jié)構(gòu)徹底解決了C/S結(jié)構(gòu)的所有弊端，可以給系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者、管理者、使用者帶來(lái)很多好處.

從本質(zhì)上講，B/S結(jié)構(gòu)與C/S結(jié)構(gòu)都是以同一種請(qǐng)求和應(yīng)答方式來(lái)執(zhí)行應(yīng)用的.但C/S結(jié)構(gòu)比較適合一些中小規(guī)模的系統(tǒng)，因其具有很好的可靠性和保密性.而B/S解決了跨平臺(tái)問(wèn)題，通過(guò)瀏覽器可訪問(wèn)幾個(gè)應(yīng)用平臺(tái)，形成一對(duì)多、多對(duì)多的結(jié)構(gòu)模式.B/S結(jié)構(gòu)在硬件環(huán)境、軟件重用、程序架構(gòu)、系統(tǒng)維護(hù)、安全要求、用戶接口、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議等方面均優(yōu)于C/S結(jié)構(gòu).因此所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用B/S模式作為基本體系結(jié)構(gòu)，Microsoft公司的Window NT為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，以IIS來(lái)組建Web站點(diǎn)，以 ASP.NET技術(shù)來(lái)構(gòu)建網(wǎng)站，以實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，采用Microsoft SQL Server為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以ADO.NET訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù).

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室框架設(shè)計(jì)

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室要針對(duì)開(kāi)放性、交互性、安全可靠性和易維護(hù)性的設(shè)計(jì)原則.虛擬實(shí)驗(yàn)室的前提是開(kāi)放性，把最大的自由度和靈活性提供給學(xué)生，任何只要基于校園網(wǎng)平臺(tái)的學(xué)生都應(yīng)能進(jìn)入系統(tǒng)并進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn).虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)提供多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的互動(dòng)，互動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)實(shí)時(shí)反饋學(xué)生的操作信息.系統(tǒng)必須保證安全可靠地運(yùn)行，沒(méi)有特殊情況下需要24 h運(yùn)行，保障學(xué)生登錄上網(wǎng)后在任何時(shí)間都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn).系統(tǒng)軟件必須采用跨平臺(tái)的設(shè)計(jì)，在節(jié)約維護(hù)成本的同時(shí)便于及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室包括虛擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)3個(gè)功能模塊.負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)窗口的設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解析和處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示和反饋的是客戶端的核心——虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K.以HTML和ASP.NET技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件系統(tǒng)，發(fā)布上網(wǎng)，在控件技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合可視化開(kāi)發(fā)工具來(lái)構(gòu)建虛擬儀器.數(shù)據(jù)庫(kù)選用Microsoft SQL Server，通過(guò)IIS組建Web站點(diǎn)，訪問(wèn)服務(wù)器上的資源和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)采用ADO.NET.網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊是提供在線學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和相關(guān)理論知識(shí)的平臺(tái).在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，首先需要檢驗(yàn)用戶身份的合法性，對(duì)于新用戶，需要注冊(cè)，填寫注冊(cè)信息，注冊(cè)成功才可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn).合法用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，可以通過(guò)選擇實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容，瀏覽實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、對(duì)象和實(shí)驗(yàn)過(guò)程相關(guān)的信息，并最終進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn).虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，它對(duì)各種實(shí)驗(yàn)對(duì)象的控制是虛擬儀器技術(shù)、組件技術(shù)、編程語(yǔ)言等的綜合使用，具有人機(jī)交互性強(qiáng)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境真實(shí)的特點(diǎn)，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程后可顯示結(jié)果，提交后可評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性.

按照以上的設(shè)計(jì)方案，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該具備實(shí)驗(yàn)、管理、保存、協(xié)同工作、安全防范等功能.其中實(shí)驗(yàn)功能是網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心，任何一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)都包括目的原理、內(nèi)容步驟、具體操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告4部分.管理功能是使用戶在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)個(gè)性化實(shí)驗(yàn)，用戶可以按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的需求，對(duì)虛擬儀器和虛擬實(shí)驗(yàn)執(zhí)行添加、修改和刪除操作，而靈活性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室更能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求.保存功能一方面可以保存用戶實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的結(jié)果，另一方面可保存中斷的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，以便下次接著進(jìn)行.虛擬實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)文本的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶間的交流，對(duì)一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，多個(gè)實(shí)驗(yàn)者協(xié)作分工、共同完成是十分必要的.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的安全機(jī)制一方面可以阻止非法用戶的入侵，拒絕非法訪問(wèn)者的進(jìn)入或及時(shí)中止合法訪問(wèn)者的不當(dāng)操作;另一方面針對(duì)不同用戶賦予不同的使用權(quán)限，以維護(hù)系統(tǒng)軟、硬件和用戶知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全.

4 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立有多種方法，其實(shí)時(shí)反饋能力強(qiáng)，交互能力強(qiáng)，具有多人合作特性和智能性功能.這里研究的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方案只是一個(gè)雛形，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)程共享和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，解決了學(xué)生實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上的局限性.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)周期短，使用效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低廉，不僅可以緩解學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張的問(wèn)題，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必經(jīng)之路.

虛擬現(xiàn)實(shí)是目前國(guó)際尖端的多媒體技術(shù)重點(diǎn).隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)把虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存儲(chǔ)在服務(wù)器中，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上建立一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以不受地區(qū)、時(shí)間的限制，自己在計(jì)算機(jī)上使用瀏覽器進(jìn)行多種虛擬實(shí)驗(yàn).這種嶄新的教學(xué)形式可以將傳統(tǒng)的教學(xué)方式改為啟發(fā)引導(dǎo)式，追求教與學(xué)的合作化，以講授引導(dǎo)思維，以教導(dǎo)激發(fā)感情，并賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使以學(xué)生為中心的個(gè)別化教學(xué)、合作化教學(xué)和環(huán)境中自我探究得以真正實(shí)現(xiàn).

［1］李仁發(fā)，周祖德，李方敏，等.虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002(3):359-362.

［2］康 博.Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)新技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，1999.

［3］孫宏彬.VRML-Java遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2003(2):54-56.

［4］單美賢.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用探析［D］.南京:南京師范大學(xué)，2002.

［5］紹鵬網(wǎng).網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)研究［D］.武漢:華中師范大學(xué)，2003:30-32.

［6］呂克志.基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)及實(shí)例研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［7］白潔婷.基于Web的在線虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2009.

［8］劉惠臨.基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006(6):33-36.

［9］張 剛，羅小華，賀利芳.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008(3):55-58.