基于网络技术的虚拟实验设计

陈飞燕，黄凯旋

（集美大学，福建 厦门 361021）

针对于教学过程实验环节的问题和培养实践动手能力强学生的需求，我们认为采用虚拟网络实验能够完全弥补或解决这些问题，特别是对于一些设备投入少的学校，不失为一项很好的实验教学环节。虚拟实验或模拟实验，因其投入少、效果好、安全、运行费用低等特点，深受欢迎。如我校的轮机模拟器、电站模拟器，为学校的教学发展起着不可估量的作用。而虚拟实验[1－3]，基于它的开放性、网络传播的特点，随时可做，其对教学和实验的促进作用是非常巨大的。

1 真实实验与虚拟实验的比较

真实实验和虚拟实验各自都有各自的特点，可以互相补充。真实实验在科学研究、教学和分析问题中是必不可少的，但是也存在一些不可逾越的问题。

而通过网络的虚拟实验，可对设备进行虚拟拆装、虚拟实验操作，或学习设备工作原理，是基于虚拟现实技术和三维设计构建的实验教学系统，将有形的实验转化为通过计算机网络的虚拟实验，具有下列特点：

（1）通过虚拟实验的分析，减少真实实验的次数，提高真实实验的成功率；

（2）结合仿真技术，可实现一些真实实验无法实现的实验过程；

（3）可将设备内部工作过程和实验过程明确的反映出来，这是真实实验无法达到；

（4）可不受实验时间、地点和人员的限制，开展实验过程，可随意组成实验小组；

（5）易于对实验结果的评估和分析；

（6）减少消耗材料的使用，节省开支；

通过建立网络虚拟实验，可弥补实验教学所存在的问题。

2 网络虚拟实验系统的设计

2.1 系统设计

虚拟网络实验系统主要功能如图1所示。

图1 功能关系

系统主要有单人和多人（一般是两人）两种实验模式，有实验操作、设备拆装、设备工作过程学习和交互等。系统框架建立后，其他模块可以方便随时加入。

这些功能中，以设备拆装比较简单，只是将设备的实体设计图进行爆炸演示就可以了，其设计过程主要涉及对设备零部件的拆卸顺序和过程的处理，见图2所示。设备工作原理演示主要是设备的动态工作过程自动播放，其动作设置可快可慢，以利观察。实验过程的设计是比较复杂的，特别是交互模式下，涉及到模型建立、过程设计和实验结果的预测等问题[4－10]。

图2 设备拆装

2.2 设备拆装设计

图2是一些设备的拆装虚拟实验。拆装实验的零部件数量和大小是预先设计完成的，能拆装到哪个程度是已经设定的，利用鼠标点击哪一个零件即拆开哪个零件，直到所有零件拆完，如果把这些动作自动连接起来完成，则为演示操作，这样的拆装实验，与真实实验是有一些差距的。

拆装实验可以让学生自由的学习设备的结构组成。

2.3 实验操作的设计

实验过程的建立，必须建立完善的数学模型、实验操作过程、实验可能结果和错误实验处理等内容。我们以实际例子叙述网络实验过程的建立，图3是一个渐缩型喷管流动实验，实验装置采用常规热工实验台为模型，如图中（a），随着流体在喷管中从左到右流动，其气体压力也随着发生变化如图中（b）和（c），用图形显示其变化的进程，通过背压调节阀调节不同的出口压力，形成不同的压力曲线。选择其他参数也可以同样的显示其曲线变化。

图3 渐缩型喷管流动实验

3 系统设计中一些问题的处理

在网络虚拟实验系统的设计中，涉及一些设计技术问题，有些解决起来需要费一些构思的，部分问题有：

（1）每一个设备是由很多零部件组成的，设备的字节量直接影响到网络的传输，设备容量小则可以使实时操作速度加快。因此在设计零部件时要尽量减少其组成的元素，在满足要求情况下，一些诸如圆弧过度的可以省略。而能够用一个元素形成的部分应尽量不用两个元素，以减少图形的字节数。

（2）图形图像的设计和应用主要以实体设计和动画设计为基础，使用实体设计的零部件所占有的字节数多，特别要进行动态显示时更是如此，因此所有涉及动态过程的尽可能采用Flash的设计方式。但采用实体设计的设备比较真实，细致。

（3）在户端主程序的设计时同时考虑操作过程的速度和实时问题，尽量把一些常规通用的东西安装在用户端，如基本实验环境、设备台架。

（4）数据加密、保密措施。由于网络的开放性，数据的加密和保密是必须的。采用128位随机加密的保密措施应足够了。

（5）不同数据模型的数据转换解决方案，可采用基于web3D国际标准（国际标准号：ISO／IEC 19775：2004、包含 VRML97）来实现数据转换，或利用3DMax为中间文件进行转换。

4 结 论

网络虚拟实验是实验技术和网络技术发展相结合的必然产物，也是实验技术发展的必然结果，虚拟实验在很多方面弥补了真实实验的不足处，也解决了真正实验室全天候开放的一些问题。网络虚拟实验的硬件组成比较简单，实验过程开发和操作必须同时兼顾真实实验和虚拟实验的特点进行。主要应解决的问题是数据模型的大小、数据模型的传送、网络数据加密等技术，这要求平台软件不能使用目前通用的一些建模技术，或必须对这些建模软件开发的3D模型进行处理后，才能供网络实验用。

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