基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺研究

摘 要：針對傳統(tǒng)實驗室管理中存在的問題與不足，文章詳細探討了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺設(shè)計研究，分析了該平臺系統(tǒng)的主要功能，并重點硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個角度給出了該平臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方案，對于進一步提高虛擬實驗室管理和教學(xué)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用水平具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化管理；虛擬化；實驗室平臺；虛擬現(xiàn)實技術(shù)

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0072-02

隨著高校招生規(guī)模的逐漸擴大，高校實踐教學(xué)凸顯出的最大問題之一就是師資力量不足，無法滿足廣大學(xué)生的動手實踐需求，使得很多學(xué)生對于動手實踐實驗僅僅停留在演示性實驗的階段，極大的限制了實踐教學(xué)效果。隨著網(wǎng)絡(luò)遠程教學(xué)模式的普及，急需一種基于網(wǎng)絡(luò)平臺的虛擬實踐教學(xué)系統(tǒng)，在這樣的背景下，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺開始受到各個高校實驗管理部門的重視和研究。

本研究課題主要從系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)成給出基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺的設(shè)計方案與應(yīng)用模式，以期能夠從中找到可供借鑒與指導(dǎo)的虛擬實驗手段和管理系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗，并以此和廣大同行分享。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺主要是為了實現(xiàn)對實驗室的遠程虛擬化管理，因此從功能設(shè)計上來說，該平臺系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能。

1.1.1 實驗室的用戶管理

所有實驗室工作管理人員都實行用戶注冊登錄制，只有經(jīng)過審核通過的用戶才能夠登陸到該遠程平臺上，并實現(xiàn)平臺內(nèi)的信息共享。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對所有實驗室工作人員的統(tǒng)一管理，比如考勤、文件共享或信息上傳下達等。

1.1.2 實驗設(shè)備的遠程管理

對所有實驗室內(nèi)的實驗儀器及實驗設(shè)備進行登記，以實現(xiàn)對所有實驗設(shè)備的遠程管理，主要包括對實驗設(shè)備的運行記錄、養(yǎng)護記錄，以及實驗設(shè)備原料等耗材的使用、消耗情況的統(tǒng)計記錄，以便于對實驗室設(shè)備及時養(yǎng)護或更新設(shè)備狀態(tài)，進而確保實驗的順利進行。

1.1.3 實驗的虛擬過程管理

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺，最大的特點就是能夠借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)遠程實驗，及借助于計算機技術(shù)對虛擬實驗實施過程管理，使得操作者如同身臨其境一樣進行實驗操作，極大的提高了教學(xué)的情境效果。

1.1.4 遠程虛擬實驗管理

該虛擬實驗室平臺能夠模擬實驗管理，即實現(xiàn)遠程的虛擬化實驗教學(xué)，能夠同時對多臺計算機終端進行管控，實現(xiàn)多臺計算機終端同時作業(yè)虛擬實驗，從而實現(xiàn)虛擬實驗教學(xué)的遠程化管理。

1.2 運行模式設(shè)計

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺采用四層業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)，使得用戶只需要通過瀏覽器即可輕松完成和實現(xiàn)豐富的實驗室管理等多種功能，簡單易用，大大縮短了信息系統(tǒng)建立周期，節(jié)省管理費用；集中管理、統(tǒng)一維護、分類有序存放信息數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)維護、升級、擴充更方便，并且可針對實驗室的各項開設(shè)實驗內(nèi)容的特點迅速做出相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)整和變化，極大的適應(yīng)了用戶在不同環(huán)境和條件下的需求。

出于簡化設(shè)計任務(wù)的目的，并且實現(xiàn)獨立運行操作，并沒有實現(xiàn)四層架構(gòu)，而是采用簡化后的兩層架構(gòu)，即客戶端（前臺的信息瀏覽）——數(shù)據(jù)庫（后臺的信息管理），這樣的信息管理模式同樣能夠?qū)崿F(xiàn)不同的教學(xué)信息的分類管理，對于用戶信息、教學(xué)信息、專業(yè)課程設(shè)置等功能模塊的添加、刪除一樣可以很方便的實現(xiàn)，并且這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢就在于簡化了整個軟件的設(shè)計流程，同時增強了系統(tǒng)軟件的獨立性和對網(wǎng)站的依賴性。

2 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 虛擬實驗室平臺的硬件設(shè)計

2.1.1 平臺架構(gòu)層次設(shè)計

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺系統(tǒng)的整體架構(gòu)包括展現(xiàn)層、核心功能層、訪問控制層等三個系統(tǒng)層次，以及賬號數(shù)據(jù)庫，審計數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)支撐數(shù)據(jù)庫以及外部接口模塊組成。架構(gòu)如下：

①展現(xiàn)層：用來提供必要的用戶接口，包括資源訪問入口，行為審計視圖，報表統(tǒng)計視圖等，用來與用戶進行實時的交互。

②核心功能層：包含了虛擬實驗平臺的核心工功能，主要有實驗資源管理，認證管理，授權(quán)管理，虛擬實驗管理以及敏感管控系統(tǒng)等。

③訪問控制層：包含了登陸管理，訪問策略管理，以及通信接口適配器。

④認證數(shù)據(jù)庫：用于存放用戶的身份認證數(shù)據(jù)，包括口令，證書，及授權(quán)數(shù)據(jù)。

⑤審計數(shù)據(jù)庫：用于存放操作審計數(shù)據(jù)，敏感管控的安全控制數(shù)據(jù)。

⑥外部接口：用于和其他的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。

2.1.2 實驗平臺業(yè)務(wù)流設(shè)計

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺，要能夠完成上述分析的各項功能，除了要對平臺的架構(gòu)層次進行設(shè)計外，還必須要對平臺的業(yè)務(wù)流進行設(shè)計。從該平臺的主要實現(xiàn)功能來分析，業(yè)務(wù)流主要設(shè)計如下：

①表現(xiàn)層：主要用來反映操作者的操作意圖，通過對程序按鈕的定義，或者對虛擬實驗過程中的虛擬動作的設(shè)置，以三維建模的直觀形式表現(xiàn)操作者的操作意圖。

②驅(qū)動層：利用VRML虛擬現(xiàn)實工具對圖形進行編程，以驅(qū)動操作者操作過程的腳本程序，實現(xiàn)虛擬動作對相關(guān)操作的響應(yīng)和反饋。

③接口層：通過所設(shè)計的專用接口實現(xiàn)表現(xiàn)層的操作意圖或者三維模型操作，與后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息的鏈接，從而快速訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬操作過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)信息的實時更新。

④虛擬層：主要是指實現(xiàn)各項操作動作以及對各項操作動作進行響應(yīng)的虛擬情景的函數(shù)，這也是虛擬場景通過計算機操作實現(xiàn)、驅(qū)動并訪問相關(guān)數(shù)據(jù)信息的關(guān)鍵“引擎”。

2.2 虛擬實驗室平臺的軟設(shè)計

2.2.1 開發(fā)軟件的選擇

C#編程語言是由微軟公司專門為.NET平臺設(shè)計的語言，C#是事件的驅(qū)動的，完全面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言，我們可以使用集成開發(fā)環(huán)境來編寫C#程序。使用IDE，程序員可以方便的建立、運行、測試和調(diào)試C#程序，這就將開發(fā)一個可用程序的時間減少到不用IDE開發(fā)時所用時間的一小部分。

2.2.2 虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)的選擇

考慮到該虛擬實驗室平臺的通用性，以及后期功能的擴展升級，選用目前主流的虛擬現(xiàn)實技術(shù)VRML。VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現(xiàn)實建模語言。是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言，也具有平臺無關(guān)性，是目前Internet上基于WWW的三維互動網(wǎng)站制作的主流語言，本質(zhì)上是一種面向Web，面向?qū)ο蟮娜S造型語言，而且它是一種解釋性語言。VRML的對象稱為結(jié)點，子結(jié)點的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的景物。結(jié)點可以通過實例得到復(fù)用，對它們賦以名字，進行定義后，即可建立動態(tài)的VR（虛擬世界）。

2.2.3 軟件流程分析

①用戶首先登陸到系統(tǒng)，驗證身份之后，用戶在系統(tǒng)賦予的權(quán)限內(nèi)使用和管理虛擬實驗室平臺的系統(tǒng)資源。

②如果是學(xué)生用戶，則可以進行虛擬實驗的選擇，系統(tǒng)平臺會自動根據(jù)學(xué)生所選擇的實驗給出實驗介紹、實驗原理、實驗設(shè)備介紹、實驗步驟等文檔。

③學(xué)生用戶采用計算機進行虛擬實驗過程，在虛擬實驗操作過程中系統(tǒng)自動對虛擬實驗過程中涉及到的數(shù)據(jù)進行采編、反饋和存儲，對于需要學(xué)生用戶輸入的程序指令，系統(tǒng)自動進行語法檢查、格式檢查和單步調(diào)試測試等，確保虛擬實驗的順利完成。

④對于老師，除了同樣具有虛擬實驗操作外，還具備系統(tǒng)資源管理功能，比如檢查當前實驗設(shè)備的狀態(tài)，檢查實驗耗材的消耗情況等。

3 結(jié) 語

本研究課題提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室平臺系統(tǒng)，給出了該平臺構(gòu)成的系統(tǒng)架構(gòu)方案，并且從軟硬件兩個角度給出了虛擬實驗室平臺的實現(xiàn)方案，對于進一步提高基于網(wǎng)絡(luò)的遠程實踐教學(xué)水平，以及利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的遠程教育的應(yīng)用水平，都有很好的指導(dǎo)借鑒意義。依據(jù)本研究課題所設(shè)計的遠程虛擬實驗室平臺已經(jīng)投入實際的應(yīng)用，從應(yīng)用的效果來看，該平臺系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，值得推廣應(yīng)用。

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