高職計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的探索與實(shí)踐

任云暉　趙利民

摘要：該文介紹了一套按高職院校“教、學(xué)、做”一體化要求設(shè)計(jì)開發(fā)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)方法，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)中各功能模塊的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：高職院校；網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)；VRML；Java；EAI

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0036-03

1 背景和現(xiàn)狀

高職教育以培養(yǎng)面向生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線需要的高素質(zhì)技能型人才為目標(biāo)。教育部要求高職院?！敖⒎霞夹g(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求的，基本實(shí)踐能力、操作能力與綜合技能有機(jī)結(jié)合的、相對(duì)獨(dú)立的實(shí)踐教學(xué)體系?！庇需b于此，我校開展了“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)改革。但是由于辦學(xué)資金緊張，難以配備齊全的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為此我們充分利用現(xiàn)有資源，建立了一套計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決了這一問題，取得了良好效果。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：（1）彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件不足。虛擬實(shí)驗(yàn)資金投入低，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)獲得的感性認(rèn)識(shí)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相差無幾。（2） 降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。虛擬實(shí)驗(yàn)沒有易耗品的消耗，也沒有設(shè)備人為損壞的發(fā)生，更不會(huì)危及實(shí)驗(yàn)學(xué)生的人身安全；（3） 具有良好的開放性。使用者不受時(shí)間和空間的限制，可以自主地、靈活地、交互地創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。還可實(shí)現(xiàn)大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置；（4）不受客觀條件的影響?？杀苊庥布?shí)驗(yàn)客觀存在的無謂干擾，如接觸不良、儀器故障等；（5）可實(shí)現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的功能。如自主學(xué)習(xí)和預(yù)習(xí)功能、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交和評(píng)閱功能、考核和評(píng)價(jià)功能、實(shí)驗(yàn)資料檢索功能等[1-2]。

2 系統(tǒng)內(nèi)容與功能

2.1 系統(tǒng)規(guī)劃

根據(jù)高職教育“理論夠用、應(yīng)用為主、注重實(shí)踐”的教學(xué)目標(biāo)，本系統(tǒng)從以下幾點(diǎn)入手進(jìn)行規(guī)劃，第一，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不是進(jìn)行深入研究，而是掌握基本知識(shí)及技能，所以系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)組建、優(yōu)化等方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；第二，基于高職高專學(xué)生的自學(xué)能力，系統(tǒng)本著便于使用的原則進(jìn)行開發(fā)，使初學(xué)者容易上手；第三，充分考慮學(xué)生接受能力的差異，系統(tǒng)中所有的實(shí)驗(yàn)從最簡(jiǎn)單最基本的開始，由淺入深，由易到難、循序漸進(jìn)、逐步提升[3-4]。

所以，本網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)劃的核心內(nèi)容如圖1所示。

2.2 主要功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)的主要內(nèi)容可劃分為以下幾個(gè)功能模塊，如圖2所示。

主功能模塊：即主界面模塊，進(jìn)入其它功能模塊的通道；

認(rèn)知模塊：即認(rèn)識(shí)設(shè)備模塊，可以選擇自己想要熟悉的設(shè)備，通過拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作從多方位對(duì)設(shè)備進(jìn)行立體展示；

組網(wǎng)模塊：即使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組建網(wǎng)絡(luò)模塊，使用者可以在場(chǎng)景中選擇組建網(wǎng)絡(luò)所需要的材料和設(shè)備組建簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)；

配置模塊：即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能配置模塊，利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各種特性配置網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)更多的功能，發(fā)揮最好的性能；

驗(yàn)證模塊：即實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性的檢測(cè)模塊，可以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)連接的可行性及設(shè)備配置的正確性；

信息查詢、保存及讀取模塊：該模塊可以將配置模塊中的有用信息長(zhǎng)期保留下來，并能實(shí)現(xiàn)查詢、讀取等功能；

幫助模塊：可以幫助學(xué)習(xí)者快速學(xué)會(huì)使用該系統(tǒng)，也可以幫助學(xué)習(xí)者解決在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題；

后臺(tái)信息庫(kù)模塊：即數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)模塊，使用數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)文本對(duì)有用數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期保存。

這些功能模塊成為網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)者之間的橋梁，可以幫助學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)，在沒有真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的情況下完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)方法

由于VRML不是一種編程語言， 對(duì)于協(xié)同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下多用戶之間的復(fù)雜交互、信息處理等需要程序語言的介入。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下， Java是最有效的語言[5]， 當(dāng)前的主流VRML瀏覽器也都對(duì)Java編程提供了支持。Java的加入為VRML提供了強(qiáng)大的編程能力和網(wǎng)絡(luò)訪問功能， 使這種描述性語言對(duì)各種需求功能的擴(kuò)充成為可能： VRML負(fù)責(zé)場(chǎng)景的描述和接口的定義， 復(fù)雜的交互和高級(jí)應(yīng)用讓Java來完成。所以在系統(tǒng)中采用了VRML和Java的結(jié)合， 使之成為創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的理想平臺(tái)[6-7]。

3.1 主界面實(shí)現(xiàn)方法

主界面使用Java語言與VRML結(jié)合實(shí)現(xiàn)，界面的主框架采用的是Java的Applet實(shí)現(xiàn)菜單和快捷按鈕的顯示及功能，編輯區(qū)采用VRML瀏覽器插件，利用EAI實(shí)現(xiàn)與Java Applet的通信。實(shí)現(xiàn)方法是將Java Applet與VRML置于同一Web頁面， 在JavaApplet中建立browser對(duì)象以標(biāo)志一個(gè)唯一的VRML場(chǎng)景， 并由此獲得對(duì)VRML場(chǎng)景中已定義節(jié)點(diǎn)的引用， 然后通過直接指定引用節(jié)點(diǎn)的域值來達(dá)到動(dòng)態(tài)效果。這樣， Java Applet既可控制VRML場(chǎng)景， 又能進(jìn)行與HTML等其他媒體的交互及網(wǎng)絡(luò)控制， 從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的虛擬環(huán)境系統(tǒng)。例如，在網(wǎng)頁中要嵌入VRML場(chǎng)景，可以在HTML代碼中加入。

3.2 認(rèn)知模塊的實(shí)現(xiàn)

該模塊可以為使用者提供多角度的三維設(shè)備展示，提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)的感性認(rèn)識(shí)。由于VRML制作的三維物體及環(huán)境的功能沒有3DMAX強(qiáng)，所以可以利用兩者的結(jié)合制作出復(fù)雜的三維場(chǎng)景。是3DMAX可視化的三維建模工具，其創(chuàng)建三維對(duì)象快速而且視覺效果較好，但因文件大，不適于在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)。對(duì)于構(gòu)造較復(fù)雜的物體，將VRML和3Dmax結(jié)合作為建模工具是一種行之有效的方法，3Dmax有強(qiáng)大的建模和動(dòng)畫制作功能可以彌補(bǔ)VRML在這方面的不足，為了更好地、更有效地、更全面地支持VRML[8]，在3Dmax環(huán)境下可以很方便地建立三維設(shè)備及環(huán)境模型，其創(chuàng)作的文件可以導(dǎo)出成為VRML格式的wrl文件，較小的文件直接被VRML使用。

在這個(gè)模塊中，使用3DMax建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型，然后將模型轉(zhuǎn)化為VRML格式并進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)實(shí)驗(yàn)中設(shè)備的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作建立VRML動(dòng)畫時(shí)，可通過EAI交互，利用Java Applet控制面板中的相關(guān)按鈕對(duì)其進(jìn)行控制。

3.3 組建網(wǎng)絡(luò)模塊的實(shí)現(xiàn)

交換機(jī)、路由器、防火墻、PC機(jī)、服務(wù)器、雙絞線、同軸電纜、光纜等組網(wǎng)材料的選擇可以通過菜單或者快捷圖標(biāo)進(jìn)行選取，當(dāng)點(diǎn)擊所要選取的材料或設(shè)備的菜單或快捷圖標(biāo)時(shí)，設(shè)備被選入編輯區(qū)，并可根據(jù)組網(wǎng)需要移動(dòng)其位置。例如，以交換機(jī)為例，實(shí)現(xiàn)該功能的VRML場(chǎng)景下的Java代碼為：

import vrml . 3 ；

import vrml . field. 3 ；

import vrml . node. 3 ； // 加入與Java相互通信的類包

public class J ava TimeSensor extends Script{

private SFNode t ranslation ，time ；

……

private SFTime toPause ；

float f [ ] = {0f ，0f ，0f} ； // 申明設(shè)備運(yùn)動(dòng)的相關(guān)變量

public void initialize （） { // 取得VRML 程序中需要進(jìn)行控制的字段的參考值

t ranslation = （SFNode） get Field （" set-translation" ） ；

// SFNode 型變量translation 從Script 節(jié)點(diǎn)的field 處獲取指針

……}

public void processEvent （ Event e） {

if （e. getName （） . equals （" touchMe" ） = = t rue） {

// 如事件操縱類接收到從Script 節(jié)點(diǎn)傳來“touchMe”

…… //設(shè)備的運(yùn)動(dòng)

Node node_tr ； // 申明一個(gè)Node 類的對(duì)象node_tr

Node_tr = （Node） （translation. getValue （） ） ；

// 返回SFNode 類型的對(duì)象，指向設(shè)備節(jié)點(diǎn)

Set_translation = （SFVec3f） （node_tr . get ExposedField （" translation" ） ） ；

…… // 獲得指針指向設(shè)備節(jié)點(diǎn)的translation 字段

set_translation. setValue （f） ；

// 由setValue（）將float[ ]類型值寫入translation 字段

}else{

……}}

3.4 設(shè)備配置模塊的實(shí)現(xiàn)

與用戶之間的交互是由Java完成，用戶可以通過鼠標(biāo)和鍵盤與Java Applet程序?qū)υ?。例如通過鼠標(biāo)按下處理函數(shù)public boolean mouseDown（Event evt，int x，int y）和鼠標(biāo)松開處理函數(shù)public boolean mouseUp（Event evt，int x，int y）來連接設(shè)備配置界面，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置通過對(duì)簡(jiǎn)單的文本文件的操作來實(shí)現(xiàn)。在操作界面區(qū)域?qū)υO(shè)備進(jìn)行的配置，通過保存當(dāng)前設(shè)備配置信息文件來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置信息的保存，如果需要重新打開該設(shè)備的配置信息進(jìn)行查詢或修改時(shí)，可以直接讀取服務(wù)器端的對(duì)應(yīng)的設(shè)備配置文件，打開該文件即可以看到已經(jīng)配置的交換機(jī)信息，這時(shí)可以繼續(xù)操作或修改。

3.5 檢測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)模塊包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接檢測(cè)模塊、 PC配置檢測(cè)模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置檢測(cè)模塊、功能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證模塊等，通過這些功能模塊可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接的正確與否，及網(wǎng)絡(luò)功能正確與否的驗(yàn)證。由于篇幅有線，下面就以配置命令檢測(cè)為例，畫出流程圖如圖3所示：

圖3 配置命令檢測(cè)流程圖 （下轉(zhuǎn)第43頁）

（上接第38頁）

4 結(jié)論

本計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面的主體框架部分采用JavaApplet來實(shí)現(xiàn)，編輯區(qū)部分采用了VRML來實(shí)現(xiàn)，兩者之間的結(jié)合采用的是EAI技術(shù)。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，將VRML和JavaApplet置于同一個(gè)網(wǎng)頁中，以Java Applet作為控制面板，VRML場(chǎng)景作為三維展示平臺(tái)，通過EAI交互構(gòu)建虛擬場(chǎng)景。

本計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于高職高專人才培養(yǎng)要求，具有直觀、靈活、方便、便宜的特點(diǎn)，可以滿足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組建實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)和要求。但是還存在一些不成熟、不完善的地方，比如，還可以開發(fā)多人在線交互功能、實(shí)時(shí)會(huì)話功能等，進(jìn)一步加強(qiáng)用戶身臨其境的感受。

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