虛擬實驗室的構(gòu)建技術(shù)與研究

夏俊博

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機技術(shù)被應(yīng)用到了各個領(lǐng)域，自然教育領(lǐng)域也不例外。利用計算機技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬技術(shù)，構(gòu)建虛擬實驗室，實現(xiàn)了用軟件虛擬實驗室環(huán)境，有效降低了實驗室建設(shè)成本，為實驗教學(xué)提供了新的形式。本文介紹了幾種虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)，以VRML的虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)為主要探討。VRML語言為開發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室提供了經(jīng)濟有效的手段。基于VRML技術(shù)的虛擬實驗室可提高教學(xué)效率、降低教學(xué)成本。本文主要介紹了VRML語言，提出了使用VRML技術(shù)開發(fā)虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)類型和實現(xiàn)方法，希望使其成為一種有效的輔助實驗教學(xué)手段。

關(guān)鍵詞：VRML；虛擬實驗

前言

虛擬實驗室具有較高的模擬度，能夠利用軟件系統(tǒng)模擬實驗過程、實驗設(shè)備、實驗結(jié)果，進行實驗數(shù)據(jù)、方法的分享。并且虛擬實驗操作更加方便、直觀，實驗效率更高、成本更低，不僅有利于學(xué)生對實驗原理的理解與記憶，更能夠幫助學(xué)生積累實驗經(jīng)驗。虛擬實驗室是隨著計算機技術(shù)發(fā)展起來的新型技術(shù)，基于虛擬仿真技術(shù)、WEB技術(shù)來實現(xiàn)，最早提出于一九八九年，現(xiàn)如今已被應(yīng)用到了各個領(lǐng)域。為了提高高等教育質(zhì)量，適應(yīng)教育體制改革，我國高校紛紛積極推廣和應(yīng)用虛擬實驗室，利用虛擬實驗室進行實驗教學(xué)。當(dāng)前我國高校使用的虛擬實驗室系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)只有：FLASH、VRML、ActiveX、JAVA、QUICKTIME等，虛擬實驗室已成為高校實驗室建設(shè)的主流方向，虛擬實驗室的構(gòu)建技術(shù)值得研究。

一. 虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)

1.常用虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)

1. 基于Java的虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)。JAVA技術(shù)具有較強的安全性和可移植性，且兼容性好，基于JAVA平臺開發(fā)的虛擬實驗室靈活性較強，能夠適用不同硬件平臺及操作系統(tǒng)，且穩(wěn)定性好，具有內(nèi)存自動管理機制，系統(tǒng)運行效率和性能都比較高，不易發(fā)生崩潰或BUG，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的實驗過程。此外，JAVA平臺虛擬實驗室，具有較強的交互性，能夠通過多線程處理模式，提供更多功能，能同時執(zhí)行多個實驗，實驗效率大大提升。但基于JAVA平臺的虛擬實驗室，實驗過程缺乏真實性，一些時候三維場景會出現(xiàn)播放不流暢的現(xiàn)象，會影響整體實驗效果，因此在程序設(shè)計時，必須要做好優(yōu)化。

2. 基于ActiveX的虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)。基于ActiveX技術(shù)開發(fā)的虛擬實驗室，相對來說開發(fā)成本較低，并且編程結(jié)構(gòu)簡單，集成度較高，可插入多媒體效果及交互式對象，通過COM/DCOM模型來實現(xiàn)整個實驗室的構(gòu)建，能夠應(yīng)用復(fù)雜代碼，允許網(wǎng)絡(luò)上的交互動作，能夠融入不同軟件開發(fā)的組建，大連理工大學(xué)的氣相色譜儀系統(tǒng)就基于ActiveX技術(shù)開發(fā)。但ActiveX技術(shù)代碼一致性和通用性較差，且運行時內(nèi)存占用大，易崩潰或出現(xiàn)BUG，還存在較大安全隱患。因此，在系統(tǒng)構(gòu)建時必須要對系統(tǒng)安全問題進行綜合考慮，進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3. 基于VRML的虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)。VRML技術(shù)開發(fā)于一九九三年，發(fā)展至今已經(jīng)十分成熟，是非常經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)，能夠構(gòu)建復(fù)雜的景物，被廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事、教學(xué)等領(lǐng)域?；赩RML技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗室，利用虛擬三維模型來實現(xiàn)，能夠提供交互操作，實驗過程表現(xiàn)力極強，具有真實感，能夠滿足對細致度要求較高的實驗教學(xué)，且在實驗過程中能夠產(chǎn)生三維信息，能利用網(wǎng)絡(luò)進行共享和傳播，VRML文件小，便于移植，開發(fā)成本低，使虛擬實驗室實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化。

2. VRML組成部分

在語法上， VRML以節(jié)點（Node）作為基本單位。一個節(jié)點可以是一個單一的3D造型，也可以是一個造型的材質(zhì)，還可以是動畫定時器、傳感器等。VRML2.0中就定義了54個節(jié)點，如造型節(jié)點、編組節(jié)點、傳感器節(jié)點、腳本節(jié)點等。節(jié)點包括域和事件，各種信息可以在節(jié)點之間通過路由傳遞。

與HTML類似，VRML的解釋執(zhí)行和演示是通過瀏覽器來完成的，瀏覽器接受特定文件格式的用戶輸入以及用戶接口模式。

3.基于VRML技術(shù)的虛擬實驗室的特點

VRML具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，它能夠創(chuàng)建三維造型，實現(xiàn)多媒體制作，可以利用感知傳感器節(jié)點來感受用戶及造型之間的動態(tài)交互感覺。因此，基于VRML技術(shù)的虛擬實驗室具有以下特點。

1. 成本低廉。虛擬實驗室在可視化方面的強大優(yōu)勢以及可交互性，不僅大大降低了實驗的材料成本費用，而且還可以節(jié)省場地和人力資源成本，減小實驗損耗。此外，基于VRML的虛擬實驗可以實現(xiàn)資源共享，避免軟件、儀器及設(shè)備等相關(guān)資源的重復(fù)投資。

2. 省時高效。由于虛擬實驗室通過軟件來模擬實驗硬件，所以無需準(zhǔn)備實驗設(shè)備或進行實驗設(shè)備維護，完全可以避免在傳統(tǒng)實驗過程中一些不可預(yù)知的情況影，實驗效率更高，學(xué)生只需要集中精力研究實驗規(guī)律及對象即可，且實驗過程無需等待，系統(tǒng)自動分析便可顯示實驗結(jié)果。另外，虛擬實驗室的快進、回放、慢放功能有利于學(xué)生調(diào)取實驗結(jié)果、理解知識點，能夠大大增加實驗過程直觀性。

3. 交互靈活。通過分析可以知道，虛擬實驗室操作過程是人機交互，實驗靈活性更強，系統(tǒng)能夠及時對學(xué)生操作行為作出及時反饋，并對實驗結(jié)果進行分析與評價，學(xué)生可以知道自身操作中存在的問題，這對于學(xué)習(xí)效率提升有著很大幫助，實現(xiàn)了教與學(xué)的雙向交流。

4. 用戶自主。傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，學(xué)生多是在模仿教師，學(xué)習(xí)效率低下，對實驗原理理解不透徹。而虛擬實驗室則讓學(xué)生成為了實驗中心，學(xué)生可以自己探索操作，這對于學(xué)生實驗興趣及解決問題能力的培養(yǎng)有著很大幫助。此外，自主探索獲得知識，學(xué)生對知識點理解和記憶更透徹。高校教育中應(yīng)積極推廣和應(yīng)用虛擬實驗室，為學(xué)生構(gòu)建信息化實驗環(huán)境。

二. 虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

1.基于VRML技術(shù)的虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)組成

虛擬實驗室包含下面幾個重要的組成部分：提供遠程用戶訪問的Web服務(wù)器；用于存儲虛擬實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；用于數(shù)據(jù)處理、分析、存儲并使這幾個過程可視化的實驗處理軟件。這可以是基于專業(yè)的仿真軟件系統(tǒng)，也可以是自主開發(fā)的基于Web的實驗軟件系統(tǒng)。

B/S結(jié)構(gòu)利用了TC/TIP協(xié)議，通過HTTP傳輸機制來實現(xiàn)超文本傳輸，通過終端訪問服務(wù)器，獲取響應(yīng)結(jié)果，發(fā)送服務(wù)請求，終端進行實驗操作，將實驗數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器端。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，實驗效率更高，便于數(shù)據(jù)的保存與管理。服務(wù)器為虛擬實驗室提供了一個后臺數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的共享，對于提高實驗效率有著很大幫助。

VRML利用的是三維建模，通過三維場景模擬實驗，為了進一步提升數(shù)據(jù)加載速度，VRML文件可存儲在WEB服務(wù)器上，在終端安裝VRML插件，利用瀏覽器訪問服務(wù)器調(diào)取所需數(shù)據(jù)，服務(wù)器端負責(zé)的是數(shù)據(jù)的解析、存儲、發(fā)送、顯示等等。終端利用瀏覽器不僅能夠獲取VRML文件，還能夠利用插件顯示還原三維場景。浙江理工大學(xué)的三維模型試驗就是利用了VRML技術(shù)。數(shù)據(jù)信息的傳遞基于HTTP機制實現(xiàn)，終端發(fā)送的服務(wù)請求為SQL語句，服務(wù)器接受到請求后，便會執(zhí)行相應(yīng)結(jié)果，并把分析結(jié)果反饋給終端用戶，并通過瀏覽器顯示出來，終端用戶利用VRML插件進行虛擬實驗。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體實現(xiàn)

（1）虛擬環(huán)境的建立。通過前文分析可以知道，虛擬實驗室構(gòu)建中虛擬環(huán)境的構(gòu)建非常重要，虛擬環(huán)境是虛擬實驗室的重要組成要素，影響著虛擬實驗的真實感和整體效果。虛擬環(huán)境包括：視覺建模、聽覺建模、行為建模、幾何建模幾大方面。建模建立時要盡量真實還原實驗過程，做好足夠自然、逼真，應(yīng)增加必要的音效和視覺效果，以提升虛擬環(huán)境的渲染效果，給學(xué)生帶來不同實驗操作體驗。

（2）交互控制。對于虛擬實驗室來說，交互控制非常重要，是影響實驗操作體驗的關(guān)鍵，為了能夠提供直觀、清晰的交互控制，在系統(tǒng)總體框架設(shè)計中，應(yīng)采用串行控制方式，規(guī)劃好操作流程和具體交互操作順序，保障給定建模能夠發(fā)揮職能，促進實驗的開展。這種設(shè)計思路，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于維護，且操作過程清晰，對于初學(xué)者來說操作簡單，容易理解和記憶，對于提高教學(xué)效率有著很大幫助。

（3）系統(tǒng)的整體設(shè)計。現(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室已經(jīng)成為主流虛擬實驗室，因此在系統(tǒng)設(shè)計中就應(yīng)該把網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應(yīng)用考慮在內(nèi)，支持遠程教學(xué)和遠程實驗，把需要的數(shù)據(jù)部分進行共享，利用服務(wù)器進行發(fā)布。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)就可以訪問到虛擬實驗室的服務(wù)器，進行遠程操作、瀏覽、填寫實驗報告，完成實驗操作。教師也可以利用網(wǎng)絡(luò)閱讀實驗報告，教學(xué)有效性便可大大提高，且這對于學(xué)生實驗興趣的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)動力的激發(fā)也有著顯著作用。

3. 五種技術(shù)的分析與探討

1）實驗場景角度分析。從實驗場景角度分析，QTVR采用實景建模。Flash軟件通過Flash3D引擎可實現(xiàn)三維效果，適用于要求不高的虛擬實驗。VRML技術(shù)雖然三維效果比較好，但開發(fā)難度高，對三維虛擬環(huán)境的建模非常復(fù)雜，經(jīng)常與3DMAX結(jié)合應(yīng)用。

2）人機交互能力分析。Java通過applet與多線程可以提供靈活的顯示與強大交互作用。VRML利用軟件設(shè)置一個傳感器附在一個造型上來實現(xiàn)檢測觀察者的移動、點擊和拖動，但它直接接收實驗者輸入的實驗參數(shù)的能力很弱。QTVR技術(shù)使參與者可以自己控制體驗的進程和順序，可以只挑選自己感興趣的部分。Flash具有強大的交互能力，在Flash MX版本中的腳本語言（Action Script）功能強大，通過它可開發(fā)出很強功能的交互式網(wǎng)絡(luò)動畫。

3）網(wǎng)絡(luò)適用性分析。Flash適用于所有系統(tǒng)，包括Linux、Unix的各種變種，具有完全的平臺無關(guān)性。ActiveX只能應(yīng)用在微軟的Windows瀏覽器上。VRML要在不同平臺安裝不同的播放器才能應(yīng)用。VRML和Flash最終發(fā)布的文件都非常小，適合于網(wǎng)絡(luò)上的傳送。

4）開發(fā)難易程度分析。在這幾種技術(shù)中，F(xiàn)lash可直接編寫服務(wù)端的程序并從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)。VRML不具有網(wǎng)絡(luò)編程功能，必須借助其他語言實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，不能通過編程來實現(xiàn)數(shù)學(xué)建模，必須借助其他數(shù)學(xué)運算工具。ActiveX技術(shù)通過DCOM進行網(wǎng)絡(luò)通訊，效率十分高。Java技術(shù)的開發(fā)周期長，組件實現(xiàn)工作量大，經(jīng)常調(diào)用MATLAB功能函數(shù)來簡化其算法的復(fù)雜性。

結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗室在教學(xué)舞臺上發(fā)揮著越來越重要的優(yōu)勢，各種虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)也日益完善。各種技術(shù)在構(gòu)建虛擬場景、實現(xiàn)人機的交互性以及對平臺的適用性和開發(fā)的難易程度上各有千秋，在今后的研究與應(yīng)用中應(yīng)重視各種技術(shù)的結(jié)合。（作者單位：遼寧建筑職業(yè)學(xué)院）

參考文獻：

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[2]孫燕蓮，文福安.虛擬實驗教學(xué)的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19（4）：131-132.