曹劍文

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)所暴露的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，介紹其系統(tǒng)功能，重點(diǎn)分析了其開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以及虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，對(duì)于進(jìn)一步提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：交互式；虛擬實(shí)驗(yàn)室；管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）29-0007-02

隨著我國(guó)高等教育逐漸由精英式教育轉(zhuǎn)向大眾式教育，高校的招生規(guī)模急劇膨脹，導(dǎo)致很多高校出現(xiàn)了師生比嚴(yán)重不足的現(xiàn)象，由此帶來(lái)的嚴(yán)重問(wèn)題是很多實(shí)踐課程無(wú)法開(kāi)設(shè)，主要原因是由于老師人手不足，導(dǎo)致動(dòng)手實(shí)踐實(shí)驗(yàn)課程無(wú)法開(kāi)設(shè)，很多實(shí)驗(yàn)課程都是走馬觀花式的演示性教學(xué)，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和電子信息技術(shù)的發(fā)展，一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)逐漸得到了廣泛的研究。本研究課題主要設(shè)計(jì)了一種交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)為基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這將極大地降低教師的教學(xué)工作壓力和工作量，有助于推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)管理技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)、電子通信、測(cè)試技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬建模等技術(shù)，是一種新興的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。結(jié)合具體的設(shè)計(jì)方案來(lái)說(shuō)，交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾類。

1.1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)的，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中必然要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行管理；同樣，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，也要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行管理。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理主要體現(xiàn)在對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作狀態(tài)、工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)管理以及對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的故障診斷管理。

1.2 實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁管理

實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁管理主要是指依托虛擬門(mén)禁識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)出權(quán)限分類管理，這里既包括不同權(quán)限的人可以出入不同的實(shí)驗(yàn)室，也包括不同時(shí)間對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行統(tǒng)一的門(mén)禁管理。對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施門(mén)禁管理是實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)管理的一個(gè)重要方面。

1.3 實(shí)驗(yàn)室耗材管理

一方面，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)耗材的動(dòng)態(tài)跟蹤記錄，確保整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的順利實(shí)施；另一方面，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室耗材的管理也能夠提高學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中對(duì)耗材的高效利用。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理

作為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最為重要的一個(gè)方面，就是對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行管理。學(xué)生利用專門(mén)開(kāi)發(fā)的虛擬過(guò)程控制軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就好像身臨其境處于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中在做實(shí)驗(yàn)一樣，具有很強(qiáng)的真實(shí)性和客觀性，因此，如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理，是交互式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的一個(gè)重要功能。

2 交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室管理的設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)

2.1.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

目前對(duì)于基于WEB的大型分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要是MS.NET平臺(tái)，在此平臺(tái)上很多組件開(kāi)發(fā)已經(jīng)很成熟了，因此，考慮到本管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用.NET平臺(tái)。

.NET是唯一從一開(kāi)始就是為XML Web服務(wù)創(chuàng)建的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)允許應(yīng)用程序通過(guò)Internet溝通和共享數(shù)據(jù)，XML Web服務(wù)使業(yè)務(wù)能夠從Internet轉(zhuǎn)換為用于集成和傳送它們的核心商業(yè)價(jià)值的真正平臺(tái)。.NET為XML Web服務(wù)提供簡(jiǎn)單、靈活、基于標(biāo)準(zhǔn)的模型，允許開(kāi)發(fā)人員從新的和現(xiàn)有的代碼匯編應(yīng)用程序，而與平臺(tái)、編程語(yǔ)言或?qū)ο竽Ｐ蜔o(wú)關(guān)。

2.1.2 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的選擇

這里考慮到選用的平臺(tái)是.NET平臺(tái)，而在該平臺(tái)上C#.net語(yǔ)言具有很大的開(kāi)發(fā)靈活性和兼容性，因此，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選用C#語(yǔ)言。

C#編程語(yǔ)言是由微軟公司的Anders Hejlsberg和Scott Willamette領(lǐng)導(dǎo)的開(kāi)發(fā)小組專門(mén)為.NET平臺(tái)設(shè)計(jì)的語(yǔ)言，它可以使程序員移植到.NET上。這種移植對(duì)于廣大程序員來(lái)說(shuō)是比較容易的，因?yàn)镃#從C，C++和Java發(fā)展而來(lái)，它采用了這三種語(yǔ)言最優(yōu)秀的特點(diǎn)，并加入了它自己的特性。C#是事件的驅(qū)動(dòng)的，完全面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z(yǔ)言，我們可以使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)編寫(xiě)C#程序。

2.1.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇

本研究課題根據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)單易用性、功能完善性、性能穩(wěn)定和成本等方面進(jìn)行考慮，最后選擇了SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，其理由主要是：

①性能價(jià)格比高。

②易于安裝、使用和管理。

③可伸縮性和可用性，因此使用起來(lái)非常方便。

④高性能設(shè)計(jì)，可充分利用WindowsNT的優(yōu)勢(shì)。

⑤系統(tǒng)管理先進(jìn)，支持Windows圖形化管理工具，支持本地和遠(yuǎn)程的系統(tǒng)管理和配置。

⑥支持對(duì)稱多處理器結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)過(guò)程、ODBC，并具有自主的SQL語(yǔ)言。SQL Server以其內(nèi)置的數(shù)據(jù)復(fù)制功能、強(qiáng)大的管理工具、與Internet的緊密集成和開(kāi)放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為廣大的用戶、開(kāi)發(fā)人員和系統(tǒng)集成商提供了一個(gè)出眾的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

2.2 虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用

要實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程和虛擬實(shí)驗(yàn)室管理，必須借助于三維建模和虛擬重建技術(shù)。為此，要按以下步驟實(shí)時(shí)虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.2.1 三維建模

借助于Solid Works三維建模軟件對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中所涉及到的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行建模，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)耗材，甚至到實(shí)驗(yàn)室的黑板、燈、桌椅等都要進(jìn)行建模，以增強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)感。

2.2.2 場(chǎng)景重建

利用場(chǎng)景組態(tài)軟件將之前構(gòu)建的三維模型進(jìn)行場(chǎng)景布置，從而重建出與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室完全一致的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，這有利于提高學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的身臨其境感，也從側(cè)面提高了整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的管理直觀性。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與通信

利用底層傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)的采集，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理、濾波等操作，將數(shù)據(jù)傳入到虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)；另一方面，當(dāng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中需要用到這些參數(shù)時(shí)，再利用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和訪問(wèn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的虛擬化采集與訪問(wèn)。

2.2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)的響應(yīng)

在整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中，基于虛擬操作實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)，必須依托VRML技術(shù)，這是一種在網(wǎng)絡(luò)中面向虛擬技術(shù)的工具，通過(guò)對(duì)VRML的編程開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)、因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)作響應(yīng)自定義等功能，因而能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)操作的響應(yīng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，其應(yīng)用于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)也呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)正在逐漸被廣大高校師生所認(rèn)可，它能夠極大的降低傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)所帶來(lái)的壓力，同時(shí)由于該虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，因此很容易就能夠?qū)崿F(xiàn)人手一機(jī)，對(duì)于進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有非常積極的意義。本研究課題主要從交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的功能入手，詳細(xì)設(shè)計(jì)了其開(kāi)發(fā)平臺(tái)與虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

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