基于VR的開放式計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室探究

關(guān)鍵詞：VR；計算機網(wǎng)絡(luò)；虛擬實驗室

中圖法分類號：G647 文獻標識碼：A

1概述

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是基于VR虛擬技術(shù)所構(gòu)建的一個網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)平臺，基本可以理解為將當前的實驗室環(huán)境進行數(shù)字化改建，通過網(wǎng)絡(luò)平臺讓學(xué)生在虛擬實驗室中進行實驗，其優(yōu)勢如下。

（1）減少了實驗室的建設(shè)成本與費用。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室基于VR技術(shù)為學(xué)生帶來虛擬仿真學(xué)習體驗，在網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室中不需要使用真實的實驗儀器、設(shè)備及相關(guān)材料，能夠通過程序?qū)懭氲姆绞街圃斐霈F(xiàn)實環(huán)境中沒有的儀器和設(shè)備，也可以通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室與其他網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室共享大型科學(xué)儀器，以有效避免設(shè)備材料的重復(fù)購置，同時減少了儀器設(shè)備的維護維修費用，節(jié)約了實驗室的建設(shè)成本與維護成本。

（2）實驗室不受時間、空間限制。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室最大的特點在于不受時間和空間的限制，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是構(gòu)建在虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺上的實驗室，而虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺可以搭建在任何有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中。只要將設(shè)定好的數(shù)據(jù)和環(huán)境應(yīng)用正確的算法進行模擬，就可以打造出所需的實驗室環(huán)境，不僅保障了實驗環(huán)境的多樣性，也能夠隨時隨地為學(xué)生提供實驗教學(xué)，進而科學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

（3）彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室與普通實驗室不同，在實驗環(huán)節(jié)、場地、設(shè)備等方面都可以彌補傳統(tǒng)實驗室中的不足。其不僅可以打造出平時實驗室中無法使用的大型機械設(shè)備，也可以給學(xué)生創(chuàng)造出各種模擬場景，讓學(xué)生在實際的模擬場景中進行模擬情境實驗，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，同時可以減少各種危險設(shè)備的使用，提高學(xué)生實驗容錯率，為學(xué)生參加真實實驗打下良好基礎(chǔ)。

（4）塑造沉浸式學(xué)習體驗。開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，除了能夠應(yīng)用各種先進儀器設(shè)備打造高仿真的實驗環(huán)境，還可以構(gòu)建多樣化的實驗場景，如根據(jù)學(xué)生未來的工作環(huán)境打造實驗場景，讓學(xué)生在模擬情境中進行實驗，帶來沉浸性體驗，幫助學(xué)生沉浸于實驗環(huán)境中，以獲得良好的實驗學(xué)習成果，同時可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，讓實驗教學(xué)成為一種游戲、劇本，給學(xué)生帶來新奇的學(xué)習體驗，從而進一步提高學(xué)生的學(xué)習自主性和學(xué)習積極性。

2基于VR技術(shù)的開放式網(wǎng)絡(luò)實驗室建設(shè)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室可采用B/S（Browser/Server）模式，以保障虛擬設(shè)備能夠進行本地或遠程訪問，在該模式下能夠?qū)崿F(xiàn)用戶界面的交互操作功能，同時能夠保證多用戶同時參與虛擬實驗室實驗活動。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)庫流媒體服務(wù)器、Web服務(wù)器、虛擬實驗服務(wù)器、實驗儀器、防火墻以及多終端設(shè)備組成，Web服務(wù)器主要用于存放公共實驗數(shù)據(jù)、實驗說明等內(nèi)容，接人Web服務(wù)器后能夠生成動態(tài)網(wǎng)頁、虛擬實驗服務(wù)器，負責進行遠程實驗儀器控制、實驗數(shù)據(jù)采集、實驗數(shù)據(jù)分析，并將實驗數(shù)據(jù)結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)庫中進行保存，最后回傳到客戶端，配合動態(tài)網(wǎng)頁生成實驗數(shù)據(jù)。在此過程中用戶只要擁有賬戶就可以通過網(wǎng)站或瀏覽器訪問Web服務(wù)器頁面，使用虛擬仿真實驗環(huán)境以及使用各種實驗設(shè)備，不需要使用真實的實驗儀器和實驗設(shè)備，即可讓多人在同一時間完成實驗，參與實驗活動。

2.2虛擬實驗室功能組成

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗是一個開放性集成式的教學(xué)管理系統(tǒng)，其功能強大，主要功能模塊如下。（1）用戶管理模塊。由管理員、教師、學(xué)生共同組成，其中管理員負責進行系統(tǒng)維護、設(shè)備維護、故障處理、數(shù)據(jù)更新，教師負責進行實驗設(shè)計、實驗答疑、實驗交流、成績審核，學(xué)生負責進行虛擬實驗、請求虛擬實驗數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)、調(diào)用儀器設(shè)備，進行相關(guān)實驗操作。（2）系統(tǒng)維護功能。一般只有管理員和教師擁有系統(tǒng)維護模塊的權(quán)限，負責對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，掌握各實驗進程，防止惡意占用實驗資源，并對實驗數(shù)據(jù)進行備份。同時，教師可以通過系統(tǒng)維護模塊進行虛擬實驗課程設(shè)計、數(shù)據(jù)錄入。（3）實驗演示功能。主要用于實驗課程演示、理論演示、實驗效果演示、擴展知識演示，可通過資源庫或網(wǎng)絡(luò)進行流媒體在線播放，能夠讓學(xué)生根據(jù)自己實際情況進行自主學(xué)習，達到鞏固知識、檢驗成果的目的。（4）實驗指導(dǎo)功能。根據(jù)實驗課程指導(dǎo)學(xué)生進行實驗，讓學(xué)生明晰實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗步驟以及相關(guān)實驗注意事項。（5）仿真模擬實驗功能。根據(jù)不同課程需求，登錄網(wǎng)站或?qū)嶒灲缑嬷筮x擇不同的課程進入相應(yīng)的虛擬實驗室中，通過操作鼠標和鍵盤，控制界面中的虛擬設(shè)備并進行連接調(diào)試，得出實驗結(jié)果。（6）實驗報告功能。在完成實驗活動后，撰寫并提交實驗報告，為評估實驗成績提供重要依據(jù)。（7）成績分析功能。根據(jù)學(xué)生的實驗操作流程和實驗操作結(jié)果，自動進行數(shù)據(jù)采集，給學(xué)生提供相應(yīng)的實驗評價分數(shù)，幫助學(xué)生和教師及時了解當前的教學(xué)效果與學(xué)習水平。（8）交流功能。主要用于實驗開始前、中、后期師生交流與生生交流，交流方式包括文字、音頻、視頻等。

2.3網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)用了多種先進技術(shù)，包括Java技術(shù)、VR技術(shù)、組件技術(shù)、仿真軟件、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，其中Java技術(shù)能夠進行語言編程，為用戶提供虛擬化網(wǎng)絡(luò)儀器操作界面：VR技術(shù)能夠創(chuàng)設(shè)虛擬現(xiàn)實情景，描繪三維物體的行為，構(gòu)建多媒體集成自然逼真的實驗場景：組件技術(shù)是將各種復(fù)雜的軟件進行調(diào)整，整合成軟件單元，目前開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的技術(shù)組件主要包括應(yīng)用層、邏輯層和數(shù)據(jù)層；仿真技術(shù)能夠通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ停捍髷?shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行分析提取。多種先進技術(shù)基于互聯(lián)網(wǎng)建立的仿真虛擬實驗室可以為學(xué)生提供沉浸性虛擬實驗活動，既能夠保障實驗室系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，又能夠?qū)W(xué)生在實驗過程中的操作做出及時反饋。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)設(shè)計主要包括如下。一是虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括一級界面和二級界面，一級界面能夠進入主界面，以學(xué)習者的視角進入實驗室，了解實驗室和實驗裝置。二級界面能夠進行實驗操作與探究，包括實驗器材操作、實驗材料使用，并切換不同視角觀察實驗過程。二是實驗室界面設(shè)計。實驗室界面設(shè)計應(yīng)考慮實驗室的環(huán)境搭配，整體布局合理，色彩搭配協(xié)調(diào)，能夠在傳達實驗信息的同時，給學(xué)生帶來沉浸性的實驗體驗。三是實驗室交互設(shè)計。開放式網(wǎng)絡(luò)中虛擬實驗室包括視頻演示、實驗操作等多個功能，并設(shè)置語音、視頻、文字交互模塊，在實驗過程中用戶可進行溝通交流，對實驗中存在的問題進行討論。比如，實驗過程中的即時聊天模塊，在此模塊中學(xué)生可通過文字或語音交流實驗過程，對實驗結(jié)果進行對比。同時，可通過留言板模塊對學(xué)生的實驗過程進行留言，教師也可通過留言板提出實驗注意事項。

3開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)用注意事項

3.1加強用戶管理

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)根據(jù)課程內(nèi)容、學(xué)生學(xué)習特點為學(xué)生提供相應(yīng)的實驗活動，實驗活動主要包括個人實驗、小組實驗、集體實驗。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)充分保障學(xué)生的實驗學(xué)習需求得到滿足，為每個學(xué)生分配賬號，每個學(xué)生在系統(tǒng)中都有唯一的ID號作為出入虛擬實驗室的通行證，學(xué)生可以為自己的ID號設(shè)置密碼，在登錄實驗室界面時，輸入ID號即可登錄成功并可進行遠程實驗操作。學(xué)生進入虛擬實驗室后可根據(jù)自己的學(xué)習情況、興趣愛好自主選擇實驗室進行模擬實驗。在此過程中需要對學(xué)生的實驗室使用情況進行登記、保存，并保留學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)?；诖髷?shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析功能可對賬號信息進行檢測，包括賬號登錄地點、登錄頻率、登錄時長等，杜絕非法訪問，保留學(xué)生的登錄信息，分析學(xué)生網(wǎng)頁登錄情況與實驗室使用情況，保障登錄安全，避免系統(tǒng)風險，進而為學(xué)生提供安全的實驗環(huán)境。

3.2構(gòu)建全開放式虛擬實驗室

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)保持全年全天開放，進入實驗室中的用戶都能獲得實驗室的控制權(quán)，由用戶向Web服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器自動協(xié)調(diào)和處理用戶的請求。學(xué)生可隨時隨地進入虛擬實驗室中自己動手組織實驗，設(shè)計實驗方案，完成實驗并進行實驗數(shù)據(jù)整理與總結(jié)。同時，可在相應(yīng)的實驗室中提供實驗說明書與實驗注意手冊，讓學(xué)生自行觀看與學(xué)習，幫助學(xué)生在實驗總結(jié)分析的過程中逐漸建立以自我為中心的學(xué)習習慣，促進學(xué)生獲得良好的個性化發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習意識，提高學(xué)生的學(xué)習能力、學(xué)習興趣。除了面向校內(nèi)學(xué)生開放網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，也可以向其他學(xué)校學(xué)生或相關(guān)實驗愛好者開放網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，為學(xué)生搭建良好的溝通交流平臺，促使學(xué)生在實驗的過程中進行交流學(xué)習，幫助學(xué)生在思維碰撞中獲得良好的發(fā)展。

3.3開展專業(yè)線上指導(dǎo)與答疑

為督促學(xué)生的實驗活動順利完成，為學(xué)生提供相應(yīng)的指導(dǎo)意見與幫助，應(yīng)組建專業(yè)的線上指導(dǎo)與答疑教師團隊，一方面可由校內(nèi)教師組建線上指導(dǎo)團隊負責對學(xué)生進行指導(dǎo)，帶領(lǐng)學(xué)生開展實驗活動。另一方面可以聘用專業(yè)人士或相關(guān)行業(yè)專家作為線上指導(dǎo)團隊，對學(xué)生的實驗方法、實驗過程、實驗結(jié)論進行指導(dǎo)，讓學(xué)生獲得更多的專業(yè)意見和幫助。同時，可以在網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的交流平臺中發(fā)表相應(yīng)的意見或提出實驗建議，以增強實驗教學(xué)的互動性，引導(dǎo)學(xué)生以具體的任務(wù)為方向展開激烈討論與實驗，建立良好的成果導(dǎo)向教育模式，促進學(xué)生在實驗的過程中獲得良好的學(xué)習成果，建立學(xué)習信心。

3.4對實驗過程及效果進行全過程記錄與評價

評價是影響學(xué)生學(xué)習質(zhì)量的關(guān)鍵，在開放式網(wǎng)絡(luò)實驗室應(yīng)用過程中應(yīng)生成學(xué)生個體實驗報告，及時反映學(xué)生的實驗成果和學(xué)習水平。（1）通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析整理學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，為學(xué)生建立三維評價模型，對學(xué)生的實驗情況進行記錄，分析學(xué)生的學(xué)習水平及進步情況，從而為學(xué)生綜合成績評價提供重要的數(shù)據(jù)支持。（2）對實驗過程進行評價，并保留相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，為實驗方法的改進提供重要依據(jù)，如在實驗活動結(jié)束后，組織學(xué)生對實驗過程進行評分，根據(jù)學(xué)生的評分結(jié)果以及在課堂交流中的情況對實驗方法進行優(yōu)化，使實驗方法、實驗過程、實驗環(huán)境能夠更好地適應(yīng)學(xué)生，以滿足學(xué)生的學(xué)習需求。

3.5不斷更新實驗內(nèi)容與場景

開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室中的實驗內(nèi)容、實驗課程以及實驗場景都需要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習情況不斷更新，讓學(xué)生對實驗活動保持持久的新鮮感，并在實驗活動中獲得良好的學(xué)習成果。因此，應(yīng)組建專門的教研團隊組根據(jù)校內(nèi)實驗課程的開展情況不斷設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室實驗課程內(nèi)容，更新實驗課程場景。一方面可以與相關(guān)行業(yè)的專業(yè)人士保持合作，根據(jù)行業(yè)的實際工作情況與教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建實驗場景，使實驗場景更加真實，能夠在實驗過程中培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力與職業(yè)素養(yǎng)。另一方面可以與各大高校保持合作，根據(jù)各高校的教學(xué)資源，更新優(yōu)化實驗場景與實驗內(nèi)容，使現(xiàn)階段使用的實驗資源具有先進性和導(dǎo)向性，進而為學(xué)生提供良好的實驗學(xué)習條件。

3.6加強網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室維護

隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的用戶群體不斷增加，系統(tǒng)核載量也會持續(xù)上升，為保障平臺能夠?qū)崿F(xiàn)所有功能，必須在原本的硬件軟件基礎(chǔ)上進行不斷的升級與維護。因此，應(yīng)基于校園實驗室建設(shè)實際情況，組建專門的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室維護團隊，及時對網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的各個基本構(gòu)件進行升級，以保障系統(tǒng)正常運行。

4結(jié)束語

隨著當前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室不僅拓展了實驗教學(xué)的時間和空間，也使信息技術(shù)與學(xué)生的學(xué)習實驗活動相聯(lián)系，為學(xué)生提供了一種全新的實驗方式。但是，虛擬實驗只是實驗教學(xué)的一種輔助手段，并不能完全取代實驗的實際操作，應(yīng)合理開展虛擬實驗與實踐實驗，使虛擬實驗室與真實實驗室優(yōu)勢互補，滿足學(xué)生的學(xué)習需求，從而達到良好的教學(xué)目的。

作者簡介：

楊昌慶（1987—），本科，助理實驗師，研究方向：計算機技術(shù)。