虛擬仿真實驗教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

唐珊

摘? 要： 針對傳統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)畫面轉(zhuǎn)換準確率低這一問題進行優(yōu)化設(shè)計。虛擬仿真教學(xué)硬件系統(tǒng)由學(xué)生端和服務(wù)器端兩部分組成，數(shù)據(jù)庫管理模塊中的虛擬電源為集成電路芯片提供穩(wěn)定電流，信號發(fā)生器確保服務(wù)器端的邏輯電路可以識別到一定的脈沖信號，使用瀏覽器和服務(wù)器相結(jié)合的架構(gòu)模式構(gòu)建軟件結(jié)構(gòu)。為檢測系統(tǒng)效果，與傳統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)進行實驗對比，結(jié)果表明，虛擬仿真實驗教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的畫面轉(zhuǎn)換準確率高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真實驗; 實驗教學(xué); 多維數(shù)據(jù); 可視化系統(tǒng); 優(yōu)化設(shè)計; 對比驗證

中圖分類號： TN919?34; TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）20?0168?03

Optimization design of multidimensional data visualization system in virtual

simulation experiment teaching

TANG Shan1，2

（1. Xuzhou University of Technology， Xuzhou 221000， China; 2. Macau University of Science and Technology， Macau 999078， China）

Abstract： In allusion to the problem that the traditional multi?dimensional data visualization system in the virtual simulation experiment teaching has low accuracy of image conversion， an optimization design is conducted. The virtual simulation teaching hardware system is composed of the student end and the server end. The virtual power supply in the database management module is used to provide a stable current for the integrated circuit chip. The signal generator is used to ensure that the logic circuit of the server side can recognize a certain pulse signal. The architectural pattern combined with the server and browser is used to construct the software structure. The comparison of the system and the traditional optimization system is carried out to detect the system effect. The results show that the multi?dimensional data visualization system in the virtual simulation experiment teaching has higher image conversion accuracy than that of the traditional system.

Keywords： virtual simulation experiment; experiment teaching; multidimensional data; visualization system; optimization design; comparison validation

0? 引? 言

虛擬仿真實驗教學(xué)方式是通過計算機科學(xué)技術(shù)構(gòu)建出一個感知虛擬的環(huán)境，虛擬環(huán)境和當今社會人類的生活環(huán)境相似，具有視覺、聽覺、觸覺等多種功能。虛擬環(huán)境通過交互設(shè)備和虛擬環(huán)境內(nèi)的實體相互作用讓實驗者在虛擬環(huán)境中有和真實生活環(huán)境一樣的感覺，并且可以進行一些簡單的操作[1]。近年來，因為虛擬仿真實驗教學(xué)可以減少實驗儀器的使用和實驗場地的限制，并且可以得出正確的實驗結(jié)果等特點，虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)在模擬駕駛訓(xùn)練、室內(nèi)設(shè)計等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]。為了拓寬虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，本文對虛擬仿真實驗教學(xué)中的多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，讓這一技術(shù)更加超前[3]。

虛擬仿真實驗教學(xué)的多維數(shù)據(jù)可視化是通過計算機技術(shù)將虛擬環(huán)境需要的信息映射為可識別的圖形、圖像、視頻、動畫、文字這五大基本要素，操作者對構(gòu)建的虛擬仿真環(huán)境的組成數(shù)據(jù)進行交互分析[4]。多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的存在意義是讓虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境可以更準確地體現(xiàn)實驗結(jié)果，將一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)體現(xiàn)轉(zhuǎn)化為條理清晰的圖表形式，簡化虛擬仿真實驗教學(xué)操作的過程。

1? 基于虛擬仿真教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)硬件優(yōu)化

本文優(yōu)化的虛擬仿真教學(xué)中的多維數(shù)據(jù)可視化硬件系統(tǒng)可以通過計算機技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，并結(jié)合多維數(shù)據(jù)構(gòu)建出新的虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，與傳統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)不同的是操作者可以通過個人網(wǎng)絡(luò)進入虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)[5]。虛擬仿真教學(xué)硬件系統(tǒng)由學(xué)生端和服務(wù)器端兩部分組成，學(xué)生端由虛擬實驗平臺來顯示。服務(wù)器端根據(jù)數(shù)據(jù)庫管理模塊和系統(tǒng)管理模塊為學(xué)生端提供虛擬平臺，優(yōu)化后的硬件系統(tǒng)如圖1所示。

數(shù)據(jù)庫管理模塊中的虛擬電源為集成電路芯片提供穩(wěn)定電流，信號發(fā)生器是確保服務(wù)器端的邏輯電路可以識別到一定的脈沖信號，脈沖信號分持續(xù)高波和持續(xù)低波[6]兩種波形信號。持續(xù)高波為學(xué)生端行為正確的脈沖信號，持續(xù)低波為學(xué)生端在虛擬環(huán)境錯誤操作的脈沖信號，這樣就可以進行邏輯判定。服務(wù)器端的兩種顯示器選取清晰的LED顯示器來顯示結(jié)果。服務(wù)器端的另一部分系統(tǒng)管理模塊主要是記錄各種操作者的信息和每次學(xué)生端面對不同的問題進行處理的方案、教師評語，經(jīng)過一段固定時間會對系統(tǒng)管理模塊進行更新補充，這樣就可以提高虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)質(zhì)量[7]。

虛擬仿真實驗多維數(shù)據(jù)可視化硬件系統(tǒng)平臺是由虛擬元器零件布局設(shè)置、電路連線和實驗仿真模擬控制脈沖信號等部分彼此相互傳遞組成一個完整的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

電路連線設(shè)計采用迷宮算法，其特點是提高電路輸送信息效率，為集成電路芯片接觸提供快速的信息交換[8]。電路工作時迷宮算法可以維持虛擬仿真實驗教學(xué)的運行環(huán)境。實驗仿真模擬控制是在虛擬元器零件布局設(shè)置、電路設(shè)計的連接后，建立一個基本的虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過實驗仿真控制監(jiān)測操作者在虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境中的操作，如果發(fā)生短路、環(huán)境錯誤等意外可以及時緊急處理并將信號傳遞給脈沖信號進行后臺維修[9]。

服務(wù)器端依據(jù)多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)編碼模擬了教師職能錄入的信息，比如教師教學(xué)素養(yǎng)，知識儲備、學(xué)生選課安排與操作者交流的銜接處理等內(nèi)容。多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以實現(xiàn)三維場景的變化，可以為同一實驗的不同操作者提供不同的場景，深化操作者對教學(xué)的體會，增加虛擬仿真實驗教學(xué)的真實性[10]。服務(wù)器端搭建模型如圖3所示。

服務(wù)器端可以設(shè)置虛擬仿真實驗教學(xué)的信息類型、數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的連通性需求等一些基本要求，可視化硬件要及時進行更新處理，這樣客戶端操作者就可以根據(jù)服務(wù)器端給出的一些必須要求，在虛擬仿真實驗環(huán)境中進行操作。

2? 虛擬仿真教學(xué)中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)軟件優(yōu)化

虛擬仿真教學(xué)實驗中多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)軟件部分的優(yōu)化是對虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的進一步升級，優(yōu)化后操作者可以隨時隨地進入系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)，也可以在系統(tǒng)中查找個人在虛擬仿真實驗教學(xué)中的操作評價、操作過程、實驗成績、實驗安排，以便操作者發(fā)現(xiàn)自身的不足。

軟件系統(tǒng)是瀏覽器和服務(wù)器相結(jié)合的架構(gòu)模式，具有極高的擴展性和兼容性，可以進行信息分布式處理，有效降低虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境資源的成本，并提高系統(tǒng)性能。為了提高學(xué)校管理的要求，對虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進行優(yōu)化，具體系統(tǒng)配置環(huán)境如圖4所示。

圖4顯示本方案的虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)由五大分布組成。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，只有存在一定的操作者和實驗教學(xué)，才能讓這個虛擬仿真實驗發(fā)揮作用，本文對于這些基本信息存儲篩選操作是由數(shù)據(jù)庫概念模型E?R模型完成[11]。

E?R模型主要分三類用戶，系統(tǒng)管理員、教師、操作者，建立學(xué)生排課表、實驗安排表、成績查詢表、學(xué)生基本信息表。系統(tǒng)的安全設(shè)計等級設(shè)為三級。第一級為提取的數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫概念模型E?R圖，第二級為數(shù)據(jù)庫概念模型中的數(shù)據(jù)進行加密存儲到云端，最高級別為進行自定義算法加密存儲到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，定期系統(tǒng)管理者會對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析更新和備份。具體操作結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3? 實驗研究

本文對虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進行了性能和功能的多方面測試，來檢驗優(yōu)化后的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的運行情況。功能測試是對虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境的可視化效果進行測試，性能測試是對虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境的畫面轉(zhuǎn)變方面的測試。

功能模塊測試是當操作者學(xué)習(xí)時，監(jiān)測虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境是否會和真實教學(xué)過程具有相同的過程。經(jīng)過多個操作者不同的操作實驗得出虛擬仿真實驗教學(xué)的多維數(shù)據(jù)可視化操作環(huán)境可以有條理地進行每一步操作，運行得到實驗結(jié)果。效果測試是點擊不同操作實驗過程的操作點，可以準確地出現(xiàn)每個操作者操作實驗的過程，多維數(shù)據(jù)可視化的效果讓教師端清晰明了地觀察到操作者的學(xué)習(xí)誤區(qū)，可以實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的預(yù)期效果。測試工具如圖6所示。數(shù)字電路與邏輯設(shè)計是在虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境中讓虛擬的實驗儀器和設(shè)備更具有真實性，讓虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化環(huán)境更貼切真實教學(xué)環(huán)境。教學(xué)環(huán)境畫面測試在操作環(huán)境中隨著操作次數(shù)的增加，頁面需要不斷地進行畫面轉(zhuǎn)變，所以測試主要是檢測虛擬仿真實驗教學(xué)操作環(huán)境是否會出現(xiàn)白屏或者卡屏的情況。本文測試選取外加工具測試，工具可以自動對虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中的操作視頻進行檢測，如出現(xiàn)白屏或者卡屏，測試工具就會發(fā)出紅色燈，如畫面正常會顯示綠色信號燈。為了避免偶然性本次實驗采取100次操作者的實驗過程。測試結(jié)果如圖7所示。

圖中，經(jīng)過多次測試虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境出現(xiàn)畫面轉(zhuǎn)換停留平均為1.5 s，為正?，F(xiàn)象，如果超過3 s，則證明虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)存在問題。因此，本文優(yōu)化的虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)可以構(gòu)建一個更加嚴謹?shù)慕虒W(xué)虛擬環(huán)境。

4? 結(jié)? 語

本文通過增加虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)的管理模式，優(yōu)化了學(xué)生端進入系統(tǒng)時的驗證方式，通過多維數(shù)據(jù)可視化方法提高了虛擬仿真教學(xué)實驗過程的嚴謹性，降低了教學(xué)過程中出現(xiàn)畫面白屏的概率。相信隨著科技的發(fā)展，虛擬仿真實驗教學(xué)多維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)會有更加飛躍的進步，這樣才能將虛擬實驗教學(xué)提高到更高的層次。

參考文獻

[1] 周志光，余佳珺，郭智勇，等.平行坐標軸動態(tài)排列的地理空間多維數(shù)據(jù)可視分析[J].中國圖象圖形學(xué)報，2019，24（6）：956?968.

[2] 錢義先，任志君.虛擬仿真的可視化物理光學(xué)課堂教學(xué)探索[J].物理通報，2018（7）：22?25.

[3] 董彥佼.多關(guān)聯(lián)性VRML協(xié)同虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機仿真，2019，36（5）：372?376.

[4] 余厚洪.基于“可視化”的秘書學(xué)課程教學(xué)論析[J].檔案管理，2018（1）：73?75.

[5] 張志勇.高中數(shù)學(xué)可視化教學(xué)：原則、途徑與策略—基于GeoGebra平臺[J].數(shù)學(xué)通報，2018，57（7）：21?24.

[6] 夏忠.畫數(shù)學(xué)，為學(xué)生提供可視化的思維路徑[J].教學(xué)與管理，2017（11）：47?49.

[7] 王亞彭，王紅，李德勝，等.高中地理教學(xué)領(lǐng)域研究的可視化分析基于科學(xué)知識圖譜的方法[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2017（18）：48?51.

[8] 凌一洲.從美的發(fā)生到美的體驗、美的創(chuàng)造：利用可視化實驗室實現(xiàn)美育滲透的探索[J].化學(xué)教學(xué)，2017（12）：10?13.

[9] 張麗敏，高晶，李務(wù)斌，等.微服務(wù)環(huán)境下容器編排可視化實踐研究[J].計算機工程與科學(xué)，2019，41（8）：1366?1373.

[10] 斯琴，范哲超.我國高等職業(yè)教育創(chuàng)業(yè)教育研究熱點的可視化分析[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2017（4）：86?90.

[11] 余厚洪.基于“可視化”的秘書學(xué)課程教學(xué)論析[J].檔案管理，2018（1）：73?75.