基于網(wǎng)絡技術的虛擬實驗設計

陳飛燕，黃凱旋

（集美大學，福建 廈門 361021）

針對于教學過程實驗環(huán)節(jié)的問題和培養(yǎng)實踐動手能力強學生的需求，我們認為采用虛擬網(wǎng)絡實驗能夠完全彌補或解決這些問題，特別是對于一些設備投入少的學校，不失為一項很好的實驗教學環(huán)節(jié)。虛擬實驗或模擬實驗，因其投入少、效果好、安全、運行費用低等特點，深受歡迎。如我校的輪機模擬器、電站模擬器，為學校的教學發(fā)展起著不可估量的作用。而虛擬實驗[1－3]，基于它的開放性、網(wǎng)絡傳播的特點，隨時可做，其對教學和實驗的促進作用是非常巨大的。

1 真實實驗與虛擬實驗的比較

真實實驗和虛擬實驗各自都有各自的特點，可以互相補充。真實實驗在科學研究、教學和分析問題中是必不可少的，但是也存在一些不可逾越的問題。

而通過網(wǎng)絡的虛擬實驗，可對設備進行虛擬拆裝、虛擬實驗操作，或學習設備工作原理，是基于虛擬現(xiàn)實技術和三維設計構建的實驗教學系統(tǒng)，將有形的實驗轉化為通過計算機網(wǎng)絡的虛擬實驗，具有下列特點：

（1）通過虛擬實驗的分析，減少真實實驗的次數(shù)，提高真實實驗的成功率；

（2）結合仿真技術，可實現(xiàn)一些真實實驗無法實現(xiàn)的實驗過程；

（3）可將設備內(nèi)部工作過程和實驗過程明確的反映出來，這是真實實驗無法達到；

（4）可不受實驗時間、地點和人員的限制，開展實驗過程，可隨意組成實驗小組；

（5）易于對實驗結果的評估和分析；

（6）減少消耗材料的使用，節(jié)省開支；

通過建立網(wǎng)絡虛擬實驗，可彌補實驗教學所存在的問題。

2 網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)設計

虛擬網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)主要功能如圖1所示。

圖1 功能關系

系統(tǒng)主要有單人和多人（一般是兩人）兩種實驗模式，有實驗操作、設備拆裝、設備工作過程學習和交互等。系統(tǒng)框架建立后，其他模塊可以方便隨時加入。

這些功能中，以設備拆裝比較簡單，只是將設備的實體設計圖進行爆炸演示就可以了，其設計過程主要涉及對設備零部件的拆卸順序和過程的處理，見圖2所示。設備工作原理演示主要是設備的動態(tài)工作過程自動播放，其動作設置可快可慢，以利觀察。實驗過程的設計是比較復雜的，特別是交互模式下，涉及到模型建立、過程設計和實驗結果的預測等問題[4－10]。

圖2 設備拆裝

2.2 設備拆裝設計

圖2是一些設備的拆裝虛擬實驗。拆裝實驗的零部件數(shù)量和大小是預先設計完成的，能拆裝到哪個程度是已經(jīng)設定的，利用鼠標點擊哪一個零件即拆開哪個零件，直到所有零件拆完，如果把這些動作自動連接起來完成，則為演示操作，這樣的拆裝實驗，與真實實驗是有一些差距的。

拆裝實驗可以讓學生自由的學習設備的結構組成。

2.3 實驗操作的設計

實驗過程的建立，必須建立完善的數(shù)學模型、實驗操作過程、實驗可能結果和錯誤實驗處理等內(nèi)容。我們以實際例子敘述網(wǎng)絡實驗過程的建立，圖3是一個漸縮型噴管流動實驗，實驗裝置采用常規(guī)熱工實驗臺為模型，如圖中（a），隨著流體在噴管中從左到右流動，其氣體壓力也隨著發(fā)生變化如圖中（b）和（c），用圖形顯示其變化的進程，通過背壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)不同的出口壓力，形成不同的壓力曲線。選擇其他參數(shù)也可以同樣的顯示其曲線變化。

圖3 漸縮型噴管流動實驗

3 系統(tǒng)設計中一些問題的處理

在網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)的設計中，涉及一些設計技術問題，有些解決起來需要費一些構思的，部分問題有：

（1）每一個設備是由很多零部件組成的，設備的字節(jié)量直接影響到網(wǎng)絡的傳輸，設備容量小則可以使實時操作速度加快。因此在設計零部件時要盡量減少其組成的元素，在滿足要求情況下，一些諸如圓弧過度的可以省略。而能夠用一個元素形成的部分應盡量不用兩個元素，以減少圖形的字節(jié)數(shù)。

（2）圖形圖像的設計和應用主要以實體設計和動畫設計為基礎，使用實體設計的零部件所占有的字節(jié)數(shù)多，特別要進行動態(tài)顯示時更是如此，因此所有涉及動態(tài)過程的盡可能采用Flash的設計方式。但采用實體設計的設備比較真實，細致。

（3）在戶端主程序的設計時同時考慮操作過程的速度和實時問題，盡量把一些常規(guī)通用的東西安裝在用戶端，如基本實驗環(huán)境、設備臺架。

（4）數(shù)據(jù)加密、保密措施。由于網(wǎng)絡的開放性，數(shù)據(jù)的加密和保密是必須的。采用128位隨機加密的保密措施應足夠了。

（5）不同數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)轉換解決方案，可采用基于web3D國際標準（國際標準號：ISO／IEC 19775：2004、包含 VRML97）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換，或利用3DMax為中間文件進行轉換。

4 結 論

網(wǎng)絡虛擬實驗是實驗技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展相結合的必然產(chǎn)物，也是實驗技術發(fā)展的必然結果，虛擬實驗在很多方面彌補了真實實驗的不足處，也解決了真正實驗室全天候開放的一些問題。網(wǎng)絡虛擬實驗的硬件組成比較簡單，實驗過程開發(fā)和操作必須同時兼顧真實實驗和虛擬實驗的特點進行。主要應解決的問題是數(shù)據(jù)模型的大小、數(shù)據(jù)模型的傳送、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密等技術，這要求平臺軟件不能使用目前通用的一些建模技術，或必須對這些建模軟件開發(fā)的3D模型進行處理后，才能供網(wǎng)絡實驗用。

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