網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計

與傳統(tǒng)實驗室相比，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有靈活、高效、開放以及用戶自定義等優(yōu)勢，具有非常好的應用前景。因此，本文就虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室進行了簡要概述，并就網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的建設(shè)意義、設(shè)計思想、體系結(jié)構(gòu)及基本功能等進行了分析。

【關(guān)鍵詞】交互性 虛擬實驗室 仿真

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗室設(shè)計中的應用，能夠有效提高實驗室應用的靈活度和高效性，促進遠程教育的發(fā)展。一些具有較強實踐要求的學科，實驗非常重要，但是因?qū)嶒炘O(shè)備難以操作、設(shè)備缺乏以及實驗條件限制等原因，會導致很多教學實驗無法正常開設(shè)，學生缺乏實踐機會，影響學習效果，但是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入應用，能夠使學生獲得接近真實實驗的效果，有助于培養(yǎng)學生的實踐能力。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機生成一種模擬環(huán)境，融合了多源信息的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的仿真技術(shù)，使用戶可以體驗虛擬的世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在專用設(shè)備的配合下，能夠給用戶帶來觸覺、視覺以及聽覺等感官的模擬，實現(xiàn)人機互動，達到沉浸性以及交互性，從而給用戶帶來身臨其境的感覺。

虛擬實驗室是網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗環(huán)境，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中創(chuàng)設(shè)一個具有可視化的三維環(huán)境，每一種實驗對象用一個可視的三維模型代表，然后通過鍵盤、鼠標或者可穿戴設(shè)備，對實驗對象、實驗環(huán)境以及過程等進行模擬和仿真，從而實現(xiàn)實驗目的，達到與真實實驗環(huán)境下相同的效果。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室建設(shè)的作用

（1）能夠減少設(shè)備的使用，有效緩解資金不足的現(xiàn)狀，避免大型儀器設(shè)備的購買和添置等，充分發(fā)揮現(xiàn)有儀器設(shè)備的作用，節(jié)約科研成本；

（2）能夠降低操作所帶來的風險，虛擬實驗室的構(gòu)建，能夠有效避免安全問題，降低操作風險，使學生能夠放心操作，且不會對因有害氣體而對人體造成傷害；

（3）能夠打破以往實驗過程中的時間和空間限制，有助于在實驗中獲得更深刻的體驗感受，增加對實驗的理解。

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計方法

在運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室設(shè)計時，應掌握科學的設(shè)計方法，明確實驗室設(shè)計的基本出發(fā)點，從而對其進行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和基本功能設(shè)計，方法如下：

3.1 基本設(shè)計思想

從學科的具體教學需要出發(fā)，建立教學實驗所需的虛擬環(huán)境，然后在各種設(shè)備或儀器的配合下，對相關(guān)實驗模型進行仿真，從而達到設(shè)計的目的。

從目前的遠程教學系統(tǒng)應用情況來看，主要在擴充性和交互性等方面存在較多的問題，所以本文就該問題，提出了虛擬實驗室的設(shè)計思想，具體為：該系統(tǒng)運用Internet進行開發(fā)，選擇使用SQL Server數(shù)據(jù)庫，C/S分布式模型，對于系統(tǒng)的編程則使用Java語言，客戶服務(wù)器的通信功能應用TCP/IP協(xié)議。另外，本文中虛擬實驗室的設(shè)計，在單機操作的基礎(chǔ)上，增加協(xié)同技術(shù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享的效果，減少用戶之間的訪問沖突，使資源能夠得到充分利用。

3.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

搭建虛擬實驗室體系結(jié)構(gòu)，如元器件及設(shè)備等。其總體結(jié)構(gòu)主要包括服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端主要包括Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，客戶端主要包括虛擬實驗室的運行環(huán)境，如運行模塊和操作平臺等?；贑/S的結(jié)構(gòu)模型是網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的主要框架，服務(wù)器端負責完成客戶的應用功能。虛擬實驗室的具體工作流程為：客戶端發(fā)出HTTP請求，通過HTTP服務(wù)協(xié)議Web服務(wù)器將相應的軟件傳送至用戶的瀏覽器，并生成相應的通信接口和虛擬平臺，在與數(shù)據(jù)庫連接后，將用戶所需資料傳送給用戶，從而發(fā)揮其作用。在設(shè)計的過程中，應注意如果虛擬實驗室有較強的交互性，應從用戶的具體需求出發(fā)，對其進行合理設(shè)計。

3.3 虛擬實驗室功能設(shè)計

功能是進行虛擬實驗室設(shè)計的主要目的，所以在進行虛擬實驗室設(shè)計時，主要有以下幾個方面：

（1）模擬實驗室環(huán)境，主要由大量虛擬的儀器和設(shè)備模型構(gòu)成實驗對象，并通過這些模型來模擬具體的交互過程，從而達到增加學生與環(huán)境交互效果的目的；

（2）虛擬實驗室能夠給學生適當?shù)膶嶒炛笇В瑥亩沟脤W生能夠在進行實驗前，對具體的實驗操作有充分的了解，如實驗步驟、內(nèi)容、以及注意事項等內(nèi)容，建立文本式的指導書，方便學生隨時進行瀏覽，還可以采用動畫或視頻演示的方式，方便學生了解實驗的具體過程；

（3）網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的管理內(nèi)容應包括對信息資料的管理、服務(wù)器的管理和數(shù)據(jù)庫管理；

（4）學生在完成實驗操作后，應按照統(tǒng)一的格式要求完成實驗報告，并提交到指定數(shù)據(jù)庫或交給指導老師；

（5）交流與答疑，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應給學生與老師提供交流的平臺，可以采用延時通信如BBS和即時通信如廣播等方式來實現(xiàn)，能夠方便學生之間的交流與討論，同時還可以方便教師給予學生實驗指導，解決學生實驗與學習過程中存在的疑問，提高學生的學習效果。

4 結(jié)語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計中來，能夠給學生提供一個具有交互性和真實性的虛擬實驗環(huán)境，滿足學生的求知欲和好奇心，使學生能夠獲得更為真實的體驗，從而提高學生的積極性，而且有助于學生更好地掌握教學的重點和難點，提高學生的實踐操作能力，提高實驗室教學的質(zhì)量。

參考文獻

[1]陳治宇.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學中的應用[J].蘭州文理學院學報（自然科學版），2013，27（02）：103-106.

[2]苑思楠，張玉坤.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的城市街道網(wǎng)絡(luò)空間認知實驗[J].天津大學學報（社會科學版），2012，14（03）：228-234.

[3]王平，劉星含，劉欣亮.基于虛擬現(xiàn)實的計算機認知實驗平臺開發(fā)[J].福建電腦， 2016，32（02）：12-13.

[4]萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗平臺的設(shè)計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011，16（03）：386-389.

[5]王新海，李偉光，許英.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學實驗教學中的應用[J].廣州化工，2014，14（13）：214-215.

作者簡介

周剛偉（1979-），男，河南省寶豐縣人。工程碩士學位。主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體應用技術(shù)。

作者單位

平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 河南省平頂山市 467001