網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)研究

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摘要隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室得到越來(lái)越多的應(yīng)用。介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本特點(diǎn)及其體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的四種關(guān)鍵技術(shù)：Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探討了虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞虛擬實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程教育現(xiàn)代教育技術(shù)

迅速崛起的現(xiàn)代教育技術(shù)把虛擬實(shí)驗(yàn)引入到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教育模式，使得教與學(xué)方式發(fā)生了革命性的變化。目前，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件非常豐富，加上高校計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)資源，為虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)提供了必要的基礎(chǔ)條件。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，它不僅僅能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，更加重要的是對(duì)一些缺乏實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)生，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同樣能夠身臨其境地觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至和異地的學(xué)生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展及其特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)就是在WEB中創(chuàng)建出一個(gè)可視化的環(huán)境，其中每一個(gè)可視化的物體代表一種實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳操作，用戶(hù)可以進(jìn)行虛擬的實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。無(wú)論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無(wú)顧慮地隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。為實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程的教學(xué)改革及遠(yuǎn)程教育提供了條件和技術(shù)支持。許多國(guó)內(nèi)外從事實(shí)驗(yàn)室工作的研究者們?cè)趯?shí)踐中還提出這樣一些概念：DigitalLab、MBL（Micro-computerBasedLab），盡管這些名詞不統(tǒng)一，但他們的實(shí)踐從不同的層面實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室。

1．1印地安那州立大學(xué)的MBL化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

該實(shí)驗(yàn)室在給新生開(kāi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助做這樣一些事，用計(jì)算機(jī)采集與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)展示實(shí)驗(yàn)，在網(wǎng)上相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料。

1.2芝加哥伊利諾伊大學(xué)數(shù)字化有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

該實(shí)驗(yàn)室充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，在網(wǎng)上提供了一系列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)：在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教材；實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間表；實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)方法、形式、時(shí)間；虛擬實(shí)驗(yàn)；相關(guān)教學(xué)資源的鏈接等。他們還用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教務(wù)管理。

1.3卡羅萊納州立大學(xué)的LAAP（LearnAnytimeAnywherePhysics）

他們利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，主要有以下幾個(gè)模塊：基于JavaApplet的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)施；相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程模塊；實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果評(píng)價(jià)模塊；協(xié)作學(xué)習(xí)模塊。

虛擬實(shí)驗(yàn)室最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低，效率高。因?yàn)椤败浖礊閮x器”，這樣就可解決因?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)不足或高檔次、高價(jià)位設(shè)備缺乏所不能開(kāi)出的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也不會(huì)造成因使用不當(dāng)，管理不善等因素造成的儀器損壞、元器件丟失等現(xiàn)象。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)還可以模擬實(shí)驗(yàn)室中沒(méi)有的設(shè)備，而且還可以不受時(shí)空的限制方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)具備一些基本特征：與現(xiàn)實(shí)的一致性（或現(xiàn)實(shí)的延伸）、高度交互性、實(shí)時(shí)的信息反饋。

2網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)是一個(gè)集虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)課教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真等為一體的功能強(qiáng)大的網(wǎng)上運(yùn)行系統(tǒng)。各部分之間相互聯(lián)系相互補(bǔ)充，僅具有相對(duì)獨(dú)立性。開(kāi)發(fā)虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)仿真應(yīng)是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心部分。圖1是虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)圖。

3構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究還處于萌芽階段，國(guó)外已經(jīng)有很多大學(xué)進(jìn)行了這方面的研究?？偨Y(jié)他們所使用的技術(shù)，可以看出大多可以劃分下面幾類(lèi)：

3.1Java技術(shù)

Java是一個(gè)廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言，它是一種新的計(jì)算概念。首先，作為一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它簡(jiǎn)單、不依賴(lài)于機(jī)器的結(jié)構(gòu)、具有可移植性、安全性、并且提供了并發(fā)的機(jī)制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了網(wǎng)絡(luò)，Java的小應(yīng)用程序（applet）可在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行而不受CPU和環(huán)境的限制。另外，Java還提供了豐富的類(lèi)庫(kù)，使程序設(shè)計(jì)者可以很方便地建立自己的系統(tǒng)，這一點(diǎn)對(duì)于構(gòu)建網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是非常關(guān)鍵的。3.2ActiveX控件

ActiveX技術(shù)允許不同軟件開(kāi)發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上可以互相進(jìn)行操作。Ac?鄄tiveX使用了微軟的組件對(duì)象技術(shù)使得本地的組件可以和網(wǎng)絡(luò)上的組件進(jìn)行通信，使用ActiveX開(kāi)發(fā)的另一個(gè)好處在于它的代碼復(fù)用性，也就是說(shuō)在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器可以在多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中重復(fù)使用，這一點(diǎn)對(duì)于持續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程尤為重要。這種技術(shù)使得一個(gè)大的工程項(xiàng)目可以劃分成小塊的組件，也就相當(dāng)于把復(fù)雜工程簡(jiǎn)單為一個(gè)個(gè)組成部分，完成了每個(gè)組成部分之后集成起來(lái)就可以得到最終的項(xiàng)目?？梢蚤_(kāi)發(fā)ActiveX組件的環(huán)境有很多，其中開(kāi)發(fā)效率最高和最易上手的是VisualBa?鄄sic。

3.3VRML技術(shù)

VRML是虛擬實(shí)境描述模型語(yǔ)言(VirtualRealityModelingLanguage)的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是描述虛擬環(huán)境中場(chǎng)景的一種標(biāo)準(zhǔn)，也是在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵性技術(shù)。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺(tái)無(wú)關(guān)、三維、多媒體集成、逼真自然等，被成為“第二代WEB”，已經(jīng)被越來(lái)越多的人們所重視。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1998年1月正式將其批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。VRML是一種建模語(yǔ)言，其基本目標(biāo)是建立Internet上的交互式三維多媒體，也就是說(shuō)，它是用來(lái)描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬境界。用VRML實(shí)現(xiàn)與Internet虛擬現(xiàn)實(shí)交互有下面幾個(gè)好處：豐富了媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善了協(xié)同環(huán)境的用戶(hù)界面、增強(qiáng)了協(xié)同環(huán)境的交互性?？梢?jiàn)，將VRML融合到網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，既可以增強(qiáng)表現(xiàn)力和用戶(hù)的接受力，又可以實(shí)現(xiàn)較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。

3.4ASP技術(shù)

ASP（ActiveServerPages，動(dòng)態(tài)服務(wù)器端網(wǎng)頁(yè)），內(nèi)含在InternetInformationServer3.0及其以上版本中，提供一個(gè)服務(wù)器端的腳本環(huán)境，用于產(chǎn)生和執(zhí)行動(dòng)態(tài)、高效率的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序。ASP不只是動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁(yè)，它更是當(dāng)今眾多的Web應(yīng)用程序?qū)嵶鞣绞街唬?fù)責(zé)整個(gè)Web應(yīng)用程序的控制部分。ASP提供五個(gè)內(nèi)建的對(duì)象供使用者調(diào)用，即Re?鄄quest對(duì)象（取得用戶(hù)信息）、Response對(duì)象（傳送信息給用戶(hù)）、Server對(duì)象（提供訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器的方法、屬性）、Application對(duì)象（用于多個(gè)使用者在多個(gè)網(wǎng)頁(yè)間共享信息）和Session對(duì)象（用于單個(gè)使用者在多個(gè)網(wǎng)頁(yè)間共享信息）。

4網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展到今天，為虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)提供了極大的方便。目前開(kāi)發(fā)所需的系統(tǒng)軟件或工具均支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。它們都有事件驅(qū)動(dòng)的支持，消息循環(huán)的程序設(shè)計(jì)方法及多媒體操作技術(shù)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

事件觸發(fā)時(shí)機(jī)的選擇，實(shí)際操作當(dāng)中某個(gè)按鈕按下后并不立即反映，需要延時(shí)回應(yīng)，外部接口的輸入信號(hào)或其它信息往往是定時(shí)觸發(fā)或隨機(jī)觸發(fā)的事件，若為隨機(jī)觸發(fā)的事件則可用一定時(shí)限內(nèi)的隨機(jī)數(shù)來(lái)取代固定時(shí)間。

事件聯(lián)鎖關(guān)系或動(dòng)態(tài)順序關(guān)系可以存放在一張數(shù)據(jù)庫(kù)表中描述，修改方便。給定相應(yīng)的條件、控制范圍，自動(dòng)形成數(shù)據(jù)表，使數(shù)據(jù)和程序獨(dú)立。

模擬聲音，要使實(shí)驗(yàn)達(dá)到逼真，除了模擬控制臺(tái)實(shí)物景象，還要模擬它們實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的各種聲音，如汽笛聲、按鈕按動(dòng)聲、內(nèi)部機(jī)械動(dòng)作聲等。這樣，才能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室有身臨其境的感覺(jué)，全身心地投入學(xué)習(xí)。

模擬臺(tái)面各種動(dòng)作的結(jié)果，臺(tái)面上每個(gè)控件的動(dòng)作都會(huì)觸發(fā)一定的事件。這些事件在實(shí)物設(shè)備中是靠機(jī)械、電子電路等去完成，而現(xiàn)在將這些機(jī)械及電子邏輯關(guān)系使用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。

故障發(fā)生器，在實(shí)際工作中除了設(shè)備正常情況下的操作，還有各種意外情況，如某些設(shè)備故障的情況。此時(shí)，要求在虛擬系統(tǒng)中也能模擬手柄失靈、儀表信號(hào)不顯示及自然災(zāi)害發(fā)生的情況等，即給實(shí)驗(yàn)增加一些難度，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)際操作能力。

5結(jié)束語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用、發(fā)展前景，隨著虛擬實(shí)驗(yàn)的普及，其優(yōu)越性會(huì)被越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)。但要使虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)真正得到推廣應(yīng)用，關(guān)鍵還是觀(guān)念的改變，首先是教師觀(guān)念的改變，除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應(yīng)有一個(gè)科學(xué)的投資理念，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展中，充分考慮投資效益，建設(shè)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室。其次要培養(yǎng)一支高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍，不斷地進(jìn)行知識(shí)更新，加強(qiáng)學(xué)習(xí)，重視信息的收集、加工、應(yīng)用，了解掌握最新技術(shù)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和發(fā)展，加快了實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，促進(jìn)了教育觀(guān)念的改變。是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新的實(shí)驗(yàn)手段。

虛擬實(shí)驗(yàn)在21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必將占有重要地位，無(wú)疑會(huì)起到很大的作用。

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