Web環(huán)境下虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘要：將可持續(xù)發(fā)展、易于維護(hù)管理等理念應(yīng)用于整個系統(tǒng)的研發(fā)，應(yīng)用模塊化設(shè)計方法，將仿真程序作為一個基礎(chǔ)平臺，在其上可加載各種虛擬設(shè)備及試件，可實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的不斷更新升級，同時也可以在平臺上增加新的虛擬設(shè)備，對于某個虛擬設(shè)備的維護(hù)及管理不需要調(diào)整平臺。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗；3ds max；Web環(huán)境；研究與設(shè)計

中圖分類號：TP302文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2014）18-0097-02

1網(wǎng)上虛擬實(shí)驗室中實(shí)驗?zāi)Ｐ?/p>

1.1實(shí)驗界面呈現(xiàn)

實(shí)踐表明，利用虛擬實(shí)驗界面不僅能夠為實(shí)驗者營造一個良好的解決問題氣氛，而且還能夠使實(shí)驗者充分感受到發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的成就感，從而有助于充分激發(fā)實(shí)驗者的積極性、能動性。

1.2實(shí)驗情景設(shè)置

良好的學(xué)習(xí)情景有利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)事半功倍。虛擬實(shí)驗室中設(shè)置實(shí)驗情景時，需要準(zhǔn)確把握實(shí)驗者的知識水平、技術(shù)背景及對實(shí)驗的要求等多方面信息，之后結(jié)合實(shí)驗者的特點(diǎn)和需求，有針對性的設(shè)置實(shí)驗內(nèi)容和原理。另外，在設(shè)置實(shí)驗情景時還可以增設(shè)一些省略、空白之處，要求學(xué)生對這些問題進(jìn)行填補(bǔ)，這樣既能夠增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗情景的了解，又能夠激發(fā)學(xué)生的興趣。

1.3實(shí)驗過程模擬與仿真

實(shí)驗過程模擬與仿真是虛擬實(shí)驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)下，實(shí)驗者通過了解實(shí)驗現(xiàn)象、分析實(shí)驗結(jié)果和實(shí)驗數(shù)據(jù)，體會實(shí)驗過程等工作為優(yōu)化實(shí)驗策略、制定實(shí)驗方案提供了理論依據(jù)。以此既有助于增強(qiáng)學(xué)生對因果關(guān)系的敏感性，又有利于提高學(xué)生的反應(yīng)能力。同時，為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗過程模擬與仿真環(huán)節(jié)順利完成。

2虛擬實(shí)驗室的建模方法

2.1數(shù)學(xué)模型

通常情況下，虛擬實(shí)現(xiàn)從基本模型的構(gòu)建、參數(shù)的確定、隨機(jī)誤差和隨機(jī)化初始條件的加入三個方面建立虛擬場景的數(shù)學(xué)模型，具體內(nèi)容如下。

①建立基本模型。一般而言，為確保所建立的基本模型的高效性，需要實(shí)驗者以相關(guān)原理理論為依據(jù)確定場景、儀器及其理論計算公式，之后立于此的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)基本模型的構(gòu)建。

②確定參數(shù)。基本模型中涉及到大量參數(shù)，這些參數(shù)既可以依據(jù)理論原理予以計算得出，也可以結(jié)合實(shí)驗條件予以確定，又可以通過處理實(shí)驗數(shù)據(jù)得到。

③加入隨機(jī)誤差和隨機(jī)化初始條件。由于虛擬實(shí)驗過程中存在諸多不穩(wěn)定性因素，以至于實(shí)際實(shí)驗中出現(xiàn)多種隨機(jī)誤差，而且這些隨機(jī)誤差是無法避免的，如高斯分布型隨機(jī)誤差、平均分布型隨機(jī)誤差等，因此這就要求虛擬實(shí)驗數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)際狀況加入適當(dāng)?shù)碾S機(jī)誤差和隨機(jī)化初始條件，這樣才能夠確保實(shí)驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2圖像模型

圖像模型是虛擬實(shí)驗的重要組成部分，該部分優(yōu)劣直接影響到虛擬實(shí)驗的真實(shí)性和交互性。為確保圖像模型的高質(zhì)量性，虛擬實(shí)驗常用三維建模與繪制技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像建模?？偨Y(jié)來說，虛擬實(shí)驗從制作實(shí)物圖片、動態(tài)部分建模及組裝圖像模型三個方面建立虛擬場景的圖像模型，具體內(nèi)容如下：

①實(shí)物圖片的制作。利用三維繪圖軟件制作真實(shí)儀器、元器件和場景的三維幾何模型，就動態(tài)模型來說，如波形變化、旋鈕旋轉(zhuǎn)一周等；就靜態(tài)模型來說，如虛擬儀器等。同時，根據(jù)各模型的實(shí)際狀況對其各部門賦予相應(yīng)的材質(zhì)，之后加入照相機(jī)、燈光等輔助工具，由此可形成三維圖片。

②動態(tài)部分建模。動態(tài)部分建模在整個虛擬實(shí)驗中具有重要的作用，其涉及到連接線路、調(diào)節(jié)儀器上的旋鈕、移動實(shí)驗儀器等多項操作環(huán)節(jié)，即通過對動態(tài)部分建模實(shí)現(xiàn)對上述多項操作環(huán)節(jié)的動態(tài)模擬。其中常用的動態(tài)建模技術(shù)是Canvas動態(tài)繪制技術(shù)。

③圖像模型的組裝。圖像模型的組裝是指將上述所制作的實(shí)物圖片和建立的動態(tài)模型組合在一起，從而完成整個虛擬實(shí)驗場景、儀器和元器件的圖像建模工作。

3實(shí)驗過程模擬與仿真

實(shí)驗過程模擬與仿真是虛擬實(shí)驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)下實(shí)驗者通過了解實(shí)驗現(xiàn)象、分析實(shí)驗結(jié)果和實(shí)驗數(shù)據(jù)，體會實(shí)驗過程等工作為優(yōu)化實(shí)驗策略、制定實(shí)驗方案提供了理論依據(jù)。以此既有助于增強(qiáng)學(xué)生對因果關(guān)系的敏感性，又有利于提高學(xué)生的反應(yīng)能力。同時，為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗過程模擬與仿真環(huán)節(jié)順利完成。

由上可知，通過將ActiveX控件直接嵌入Web上便可實(shí)現(xiàn)學(xué)生置于客戶機(jī)上獨(dú)立完成實(shí)驗項目。實(shí)踐表明，僅憑借一個實(shí)驗系統(tǒng)難以保障實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確性、高效性。完整的實(shí)物實(shí)驗包括實(shí)驗指導(dǎo)、實(shí)驗具體項目及實(shí)驗結(jié)果三部分，在實(shí)物實(shí)驗過程中，學(xué)生是實(shí)物實(shí)驗的主體，而老師在整個過程中承擔(dān)著指導(dǎo)和評分的職責(zé)。在本虛擬實(shí)驗系統(tǒng)中，通過將ActiveX控件嵌入Web中僅能完成實(shí)驗項目這一項，所以仍需對虛擬實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行完善。

通過ActiveX控件僅明確了虛擬實(shí)驗的具體界面，對該實(shí)驗實(shí)施這一問題未能發(fā)揮效應(yīng)。實(shí)驗結(jié)束后均會出現(xiàn)一個實(shí)驗結(jié)果，通常情況下，該實(shí)驗結(jié)果往往以實(shí)驗報告書的形式存在，其主要用于記錄學(xué)生在實(shí)驗過程中的表現(xiàn)狀況，為老師對學(xué)生進(jìn)行評分提供依據(jù)。為確保上述兩項功能得以充分實(shí)現(xiàn)，需要將Web技術(shù)作為ActiveX控件的補(bǔ)充。

在機(jī)械手控制網(wǎng)上實(shí)驗室中，前面編程所建立的ActiveX控件嵌入至Web中運(yùn)行，通過進(jìn)行ActiveX控件上的操作完成機(jī)械手控制實(shí)驗工作。與此同時，還需在ActiveX控件上方增加三個按鈕。

第一個按鈕具有下載實(shí)驗插件功能。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗時需要置于服務(wù)器端上下載該實(shí)驗項目的ActiveX控件，之后對其進(jìn)行安裝注冊，并將其作為客戶機(jī)的應(yīng)用程度予以運(yùn)行，這樣學(xué)生便可以進(jìn)行實(shí)驗。

第二個按鈕具有下載實(shí)驗指導(dǎo)書的功能。此時的“實(shí)驗指導(dǎo)書”即為一個word格式文檔，該文檔中包含實(shí)驗項目的基本信息、實(shí)驗項目ActiveX控件的操作步驟等。

第三個按鈕具有提交實(shí)驗報告的功能。學(xué)生完成實(shí)驗后，將實(shí)驗結(jié)果填入實(shí)驗報告中，之后將實(shí)驗報告上傳至服務(wù)器，老師以實(shí)驗報告為依據(jù)對學(xué)生進(jìn)行評分。

加入上述三個按鈕后，便實(shí)現(xiàn)了對虛擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完善，構(gòu)建成一個完整的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗室。

老師給學(xué)生打分是網(wǎng)上虛擬實(shí)驗室中的重要環(huán)節(jié)，與實(shí)物實(shí)驗不同的是，老師不在實(shí)驗現(xiàn)場，不能夠準(zhǔn)確了解學(xué)生的實(shí)驗過程，導(dǎo)致評判打分不具科學(xué)合理性。為規(guī)避這一問題，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗報告和模擬模型運(yùn)動重現(xiàn)，以機(jī)械手控制實(shí)驗為例，待學(xué)生實(shí)驗完成后，要求學(xué)生除了將實(shí)驗結(jié)果填入實(shí)驗報告，還需將編寫的PLC程序上傳至服務(wù)器，這樣以來，老師可通過登錄服務(wù)器了解學(xué)生的整個實(shí)驗過程，之后再結(jié)合實(shí)驗報告進(jìn)行評判打分。

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