虛擬現(xiàn)實技術(shù)下虛擬實驗室的研究與構(gòu)建

祝秀芬++陳橋芳++曾岱++高瀚翔

摘 要：虛擬實驗是在20世紀(jì)末期，伴隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，孕育而生的一門適應(yīng)時代需求的新興技術(shù)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在教學(xué)信息化的領(lǐng)域內(nèi)，又向前邁進了一步。虛擬實驗技術(shù)可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)、控制技術(shù)實現(xiàn)實時或非實時的實驗教學(xué)。虛擬實驗室的建立，對于開展虛擬實驗有著重要的意義。它與真實的實驗室相比，兩者的差別在于實驗過程中觸及的對象是否真實。我們在現(xiàn)實實驗室里使用的實驗工具、儀器儀表、實驗研究的對象都是真實狀態(tài)下的實物。而虛擬實驗里，我們使用的實驗工具和研究對象，不存在實物狀態(tài)，整個實驗過程主要圍繞虛擬物體完成操作。總的來講，虛擬實驗室讓實驗者親身感知基于原型計算機模擬技術(shù)的實驗過程，虛擬實驗室為其提供了一個虛擬的、逼真的實驗環(huán)境。

關(guān)鍵詞：信息化教育 虛擬現(xiàn)實技術(shù) 虛擬實驗室

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0161-02

信息技術(shù)環(huán)境下，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室的研究，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外信息化實驗教學(xué)研究的重點和熱點問題。同時，它也是實驗教學(xué)改革的一個新方向。作為現(xiàn)代信息化教育的重要組成部分，虛擬實驗室已經(jīng)發(fā)揮出了舉足輕重的作用，并且正在被社會各界所關(guān)注和認(rèn)可。特別是人類進入信息化時代以來，計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)每天都在更新前進，虛擬實驗也逐漸實現(xiàn)了可視化、數(shù)字化。伴隨多種傳感技術(shù)在虛擬實驗中的運用，體驗者將在虛擬實驗室中，感受和體驗到更加逼真的虛擬場景模擬和實時交互界面，同時也能對虛擬對象進行更加感性的實驗操作，在身臨其境的同時達(dá)到虛擬實驗的最優(yōu)效果。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)和虛擬實驗的特點

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為計算機技術(shù)研究的一個新領(lǐng)域，它主要通過人的感知行為，在視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等多方面給體驗者提供一個虛擬的逼真場景。并采用先進的計算機技術(shù)，為體驗者搭建模擬場景，使體驗者仿佛置身其中。然后通過多項傳感技術(shù)，使虛擬環(huán)境產(chǎn)生不斷的變化，與體驗者進行“交流”。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)融入和匯集了多項高水平的創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)，比如圖形圖像實時生成技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等等。該項技術(shù)主要通過特定的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，利用高分辨顯示的可視化技術(shù)、3D數(shù)字技術(shù)以及傳感器交互技術(shù)，實現(xiàn)逼真的虛擬場景環(huán)境生成，完成人在虛擬環(huán)境中的各項活動。同時進行實時人機互動，最終完成體驗者對虛擬對象的接觸、操作和控制等目的。

1.2 虛擬實驗特點

當(dāng)前，我們運用各種信息化技術(shù)完成了各種虛擬實驗操作。虛擬實驗不同于真實的實驗操作，真實的實驗室不但具有有形的場地，而且具有真實的實驗工具以及實驗對象。虛擬實驗的實驗室、實驗對象都是無形的。實驗者主要通過完成對虛擬儀器的操作，來實現(xiàn)實驗的過程。它的出現(xiàn)，展現(xiàn)出了更加先進的技術(shù)應(yīng)用空間和發(fā)展前景。這主要是因為虛擬實驗具有幾大特點：第一、透明性。虛擬實驗操作具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行命令，可以實現(xiàn)對軟件、硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫資源以及人員管理的統(tǒng)一。第二，共享性。在開展虛擬實驗的過程中可以實現(xiàn)資源的共享，在虛擬實驗中，實驗者可以通過數(shù)據(jù)資源庫、檢索系統(tǒng)、各類應(yīng)用軟件工具，完成對信息、軟件和設(shè)備等資源的共享。在降低成本的基礎(chǔ)上，也大大提高了使用者的效率。第三，互動性。在進行虛擬實驗的操作過程中，實驗者不僅可以完成人機界面的實時互動，還可以進行用戶之間的信息溝通和交流。如果有遠(yuǎn)程操作用戶加入，他們也可以完成對實驗的環(huán)境操作和控制。第四，擴展性。虛擬實驗除具備以上特點外，還可根據(jù)需要，完成用戶的自主性選擇，實現(xiàn)擴展。以上這些性能體現(xiàn)出了虛擬實驗的優(yōu)勢。

2 虛擬實驗室的研究與構(gòu)建

2.1 虛擬實驗室

虛擬實驗室，就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建出一個能夠完成虛擬實驗的系統(tǒng)。它可以復(fù)制出現(xiàn)實中的某個真實的實驗室，也可以根據(jù)使用者的需求，建立起虛擬實驗室。在虛擬的實驗室中，可以實現(xiàn)對現(xiàn)實實驗室設(shè)備的模擬仿真操作。置身于虛擬實驗室中，實驗者會有在現(xiàn)實實驗室中一樣的操作感。虛擬實驗室的構(gòu)建，主要采用了計算機多媒體技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)以及傳感技術(shù)。其中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是完成虛擬實驗室構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。其虛擬對象的模型主要包括物理、運動、幾何、聲音等模型因素，為體驗者創(chuàng)建出身臨其境的感覺。

2.2 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室構(gòu)建

虛擬實驗室通常在物理設(shè)備分布式的基礎(chǔ)進行搭建，我們以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)與物理設(shè)備的連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、交換、遠(yuǎn)程操作和分析工作。作為一個龐大的系統(tǒng)工程，虛擬實驗室的建設(shè)主要包括了虛擬儀器、數(shù)據(jù)的采集和分析、計算機網(wǎng)絡(luò)以及虛擬實驗管理等系統(tǒng)。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗室，不僅可以具有高水準(zhǔn)的交互性，而且可以為實驗者提供各種高級、仿真的實驗條件和場景，其真實感效果不遜于實物實驗室。通常，我們會把此類采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室分為若干子模塊，讓它們在互相獨立的同時，也能很好地形成一個統(tǒng)一系統(tǒng)。模塊一我們通常設(shè)置為用戶管理的子系統(tǒng)。此模塊下分為三級，分別是：管理員、教師、學(xué)生。我們在該子系統(tǒng)下，可以實現(xiàn)對各級各類用戶的信息管理，用戶添加、修改和刪除工作；模塊二為教務(wù)管理子系統(tǒng)。此系統(tǒng)只供管理員使用，在此模塊下，教學(xué)管理部門可以實現(xiàn)對班級的管理和課程的調(diào)配等工作；模塊三為虛擬實驗子系統(tǒng)。作為整個系統(tǒng)的核心，它主要包含了實驗庫、實驗材料管理、實驗功能添加與刪除三部分；模塊四為實驗報告管理子系統(tǒng)。教師和學(xué)生可以通過自己的賬號使用此模塊，并且結(jié)合實際情況，完成自己對應(yīng)的工作任務(wù)。模塊五為成績管理子系統(tǒng)。主要幫助學(xué)生完成對自己的實驗成績查詢工作。以上就是虛擬實驗室構(gòu)建的幾大模塊，合理利用以上模塊的功能，不僅可以達(dá)到與真實實驗室一樣的效果，還可以在很多實驗的環(huán)節(jié)上省去冗余的過程，提高工作效率。

2.3 虛擬實驗室建設(shè)的意義

在教育的信息化時期，建立優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室，具有重要的教育發(fā)展戰(zhàn)略意義：首先，降低了科研的成本，節(jié)約了研究的經(jīng)費，彌補了教學(xué)條件和設(shè)備的不足。而且，發(fā)揮了虛擬實驗室中虛擬儀器的使用效率。特別是在互聯(lián)網(wǎng)時代下，實現(xiàn)了虛擬實驗室的資源共享，避免了設(shè)備的重復(fù)購買等浪費現(xiàn)象的出現(xiàn)。其次，虛擬環(huán)境下進行的虛擬操作，在一定程度上避免了真實實驗操作所產(chǎn)生的各類危險。既保證了學(xué)生的安全，又可以讓他們獲得對實驗的感性認(rèn)識。最后，打破了一些實驗項目在時間和空間的限制。虛擬實驗室的建設(shè)，在未來必定對教育的信息化發(fā)展產(chǎn)生重要的意義。

3 結(jié)語

綜上所述，合理利用虛擬實驗室的透明性、破各種實驗室的條件限制，更好地滿足實驗教學(xué)需求。同時也可以輔助高校開展科研和創(chuàng)新工作，改善傳統(tǒng)實驗教學(xué)的模式、方法，豐富教學(xué)手段和資源，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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