基于虛擬仿真技術(shù)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)實驗系統(tǒng)的設(shè)計

嚴(yán)萍

（河北醫(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院，河北石家莊，050000）

0 引言

建設(shè)一個實體的計算機(jī)實驗室，不僅造價高昂，而且后續(xù)使用中問題諸多，對于我國大部分高校而言，殊非易事。在此背景下，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。虛擬仿真技術(shù)通過沉浸式的教學(xué)體驗，能夠提高教育質(zhì)量，并通過相應(yīng)地平臺實現(xiàn)來自不同地方、不同程度的學(xué)生之間的知識共享，特別是在有高技能教師和先進(jìn)教育服務(wù)的地方，有助于提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分析

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)實驗系統(tǒng)，模擬真實世界的環(huán)境，并允許學(xué)生進(jìn)入虛擬情景以應(yīng)對實踐作業(yè)需要。在此過程中，實驗系統(tǒng)采用二維(2D)或完全浸入式(3D)界面，通過數(shù)據(jù)挖掘處理多用戶視角，可用作獨立的訓(xùn)練工具，讓學(xué)生了解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)并參與課堂學(xué)習(xí)活動，可以有效提高學(xué)生在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)方面的實踐性表現(xiàn)[1]。因此，所設(shè)計的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)虛擬實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分作主控中心平臺、智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和組控設(shè)備三個部分。通過與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的合作，把計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)仿真教學(xué)系統(tǒng)引入到三個硬件設(shè)備中，進(jìn)而搭建起實驗所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)軟件功能分析

軟件架構(gòu)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)實驗系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括管理在線用戶請求和性能以提供高質(zhì)量的學(xué)習(xí)；建議并響應(yīng)在線查詢，以提高虛擬培訓(xùn)在現(xiàn)實環(huán)境中的質(zhì)量并提高其成功率。為了最大限度地減少用戶和團(tuán)隊成員之間的溝通問題，實驗系統(tǒng)提供多種課程進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)，并收集有關(guān)學(xué)生的專業(yè)知識、資格、經(jīng)驗、興趣和其他因素的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，以備將來推薦使用。因此，所設(shè)計的系統(tǒng)軟件需包含以下功能：

首先，用戶登錄和管理功能。該功能模塊主要用于用戶的登錄和用戶信息的管理。在用戶登錄功能中，通過用戶ID和相應(yīng)且正確的登錄密碼可以實現(xiàn)成功登錄；在用戶管理功能中，實現(xiàn)對用戶信息的錄入、存儲和修改，例如，姓名、專業(yè)、班級、學(xué)號等。具體模型如圖1所示。

圖1 用戶登錄和管理模塊模型圖

其次，安全與數(shù)據(jù)管理功能。該功能模塊用于管理員對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)實驗系統(tǒng)的維護(hù)，以及完成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)元器件的定義工作以及設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)、CAD繪圖工作、分析工程和檢驗數(shù)據(jù)、制定計劃以及規(guī)則、產(chǎn)品的說明以及關(guān)于多媒體文件和其他數(shù)據(jù)的添加、修正、刪除、更新升級等功能。具體模型如圖2所示。

圖2 安全與數(shù)據(jù)管理模塊模型圖

再次，數(shù)據(jù)檢索與統(tǒng)計功能。該功能模塊主要提供計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)實驗系統(tǒng)大數(shù)據(jù)集合和挖掘功能。由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)所涉及的教學(xué)數(shù)據(jù)較多，為了讓學(xué)生進(jìn)行虛擬實驗時有更好地學(xué)習(xí)實效，數(shù)據(jù)檢索提供了“精準(zhǔn)搜索”和“模糊查詢”的功能，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)得到最大利用，優(yōu)化了學(xué)生的素材管理，縮短了資料搜集方面的時間。在此基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)統(tǒng)計應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，做好學(xué)生訓(xùn)練的數(shù)據(jù)整理，提供學(xué)生更加優(yōu)勢的數(shù)據(jù)服務(wù)。具體模型如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)檢索與統(tǒng)計模塊模型圖

最后，虛擬實驗功能。該功能模塊是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)實驗系統(tǒng)的核心功能，主要使用R（RCoreTeam，2019）文本挖掘庫和RStudio工具（RStudioTeam，2019），從語義上分析文本，使用電子學(xué)習(xí)推薦架構(gòu)集成，進(jìn)行基于透視的知識挖掘。在輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，挖掘的術(shù)語將保存在提議的電子學(xué)習(xí)推薦系統(tǒng)的存儲庫中，旨在減少缺乏視圖信息用戶提供的點以及到數(shù)據(jù)之間的關(guān)系隱藏。為了處理新用戶的請求，實驗系統(tǒng)從新用戶的個人資料和現(xiàn)有用戶的偏好中提取信息，以獲得正確的推薦，然后識別用戶對類似課程和情感的相似反饋，從而對推薦進(jìn)行識別和排名。

2 系統(tǒng)搭建說明

2.1 系統(tǒng)硬件搭建

信息技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中有重要作用，因此，高素質(zhì)的復(fù)合型信息技術(shù)人才是我國社會主義建設(shè)所必須的基礎(chǔ)條件之一。專業(yè)學(xué)習(xí)中的三個成果——獲得實踐經(jīng)驗；使用知識和技能；解決實際問題——只有在實驗課程中才能完全實現(xiàn)。特別是在信息類專業(yè)中，要培養(yǎng)具有動手能力的復(fù)合型人才，必須重視對學(xué)生的實驗教學(xué)。然而，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)過程的模擬往往是一個非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，主要是由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)高水平的交互性，無論是在功能和直觀性方面，交互需要盡可能自然。因此，在搭建實驗系統(tǒng)硬件時，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗的組網(wǎng)功能，構(gòu)建全新的發(fā)展模式，并結(jié)合同步語音提示功能，促使其實現(xiàn)同步的優(yōu)化。

從某種角度來看，基于虛擬仿真技術(shù)的實驗系統(tǒng)是一個需要模擬的互動過程[2]，主要涉及到的相關(guān)挑戰(zhàn)是，虛擬環(huán)境不能像真實環(huán)境中的物體那樣進(jìn)行物理約束。這可能會導(dǎo)致不切實際的手部運(yùn)動，同時伴隨著視覺上的干擾情況。作為實驗室課程的準(zhǔn)備工具，即學(xué)生將在實驗室課程中進(jìn)行實驗，因此，考慮到上述的挑戰(zhàn)，實驗系統(tǒng)硬件搭建的創(chuàng)新之處在于：允許缺乏經(jīng)驗的用戶創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境；允許快速模擬實際維護(hù)過程以及評估可替代的技術(shù)過程；允許共同創(chuàng)造概念，因為運(yùn)營商和工程師都在合作評估和改進(jìn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)過程，允許雙方獲得隱性知識，從而降低成本。

2.2 系統(tǒng)軟件搭建

所設(shè)計的系統(tǒng)的能夠提取計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與維護(hù)信息，并利用這些信息建立約束數(shù)據(jù)庫，然后在運(yùn)行應(yīng)用程序時實時部署。為了增加沉浸體驗，并為用戶提供虛擬世界中的存在感，虛擬反饋被擴(kuò)展到僅僅是可視化、多模態(tài)虛擬環(huán)境，具有刺激不同感官的潛力，如視覺和觸覺。增加感官反饋可以提高用戶的效率和性能，因此，在搭建系統(tǒng)軟件時，將教學(xué)過程分為實驗前階段、實驗階段和實驗后階段，然后將這些階段分為五個級別來引入分段。在這種特定的方法中，學(xué)生會逐漸通過各個級別，并且在完成當(dāng)前級別之前不會被授予進(jìn)入下一級別的權(quán)限。例如，將實驗設(shè)計層面和數(shù)據(jù)處理層面結(jié)合在一個屏幕上，由幾個選項卡組成：背景信息；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；實驗結(jié)果以及計算過程。每個選項卡都可以隨時打開，但任何時候都只能打開一個選項卡。如果學(xué)生還沒有達(dá)到所選選項卡的級別，例如，學(xué)生想要在制作流程圖之前進(jìn)行計算（數(shù)據(jù)處理級別）以獲得所需的原始數(shù)據(jù)（實驗設(shè)計級別），系統(tǒng)將僅指導(dǎo)學(xué)生達(dá)到他目前的水平。

由于虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，結(jié)合的將是多媒體而不是單獨的文本。多媒體是指文本和動態(tài)圖形的組合，使用多媒體的學(xué)習(xí)材料，在圖形不完全用于裝飾的情況下，可以更長時間地保持學(xué)生的注意力，并且可以促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。為了更好的實現(xiàn)實訓(xùn)效果，系統(tǒng)軟件通過引入解釋性圖形來解釋數(shù)據(jù)庫中提供的方法背后的原則。解釋性圖形是使無形現(xiàn)象變得可見和具體的視覺效果。為了支持這些方法的協(xié)議，使用了代表性和轉(zhuǎn)換圖形。代表性圖形將實驗室中使用的設(shè)備和材料可視化，而轉(zhuǎn)換圖形則通過短片將復(fù)雜的協(xié)議可視化[3]。系統(tǒng)軟件讓學(xué)生自己設(shè)計實驗，讓學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)方法。這些設(shè)計原則是虛擬仿真系統(tǒng)的預(yù)實驗階段所固有的。通過為學(xué)生提供可以添加到工作流畫布的方法數(shù)據(jù)庫來應(yīng)用這些原則，可以制作流程圖，提供信息并回答交互式問題，以激發(fā)學(xué)生積極尋找和處理可用信息。這種設(shè)計與在實體實驗室課程中僅向?qū)W生提供原始數(shù)據(jù)不同，能夠更加有效地幫助學(xué)生熟悉和識別與方法對應(yīng)的輸出。