虚拟实验室的构建技术与研究

夏俊博

摘要：随着科学技术的不断发展，计算机技术被应用到了各个领域，自然教育领域也不例外。利用计算机技术、信息技术、虚拟技术，构建虚拟实验室，实现了用软件虚拟实验室环境，有效降低了实验室建设成本，为实验教学提供了新的形式。本文介绍了几种虚拟实验室构建技术，以VRML的虚拟实验室构建技术为主要探讨。VRML语言为开发网络虚拟实验室提供了经济有效的手段。基于VRML技术的虚拟实验室可提高教学效率、降低教学成本。本文主要介绍了VRML语言，提出了使用VRML技术开发虚拟实验室的结构类型和实现方法，希望使其成为一种有效的辅助实验教学手段。

关键词：VRML；虚拟实验

前言

虚拟实验室具有较高的模拟度，能够利用软件系统模拟实验过程、实验设备、实验结果，进行实验数据、方法的分享。并且虚拟实验操作更加方便、直观，实验效率更高、成本更低，不仅有利于学生对实验原理的理解与记忆，更能够帮助学生积累实验经验。虚拟实验室是随着计算机技术发展起来的新型技术，基于虚拟仿真技术、WEB技术来实现，最早提出于一九八九年，现如今已被应用到了各个领域。为了提高高等教育质量，适应教育体制改革，我国高校纷纷积极推广和应用虚拟实验室，利用虚拟实验室进行实验教学。当前我国高校使用的虚拟实验室系统开发技术只有：FLASH、VRML、ActiveX、JAVA、QUICKTIME等，虚拟实验室已成为高校实验室建设的主流方向，虚拟实验室的构建技术值得研究。

一. 虚拟实验室构建技术

1.常用虚拟实验室构建技术

1. 基于Java的虚拟实验室构建技术。JAVA技术具有较强的安全性和可移植性，且兼容性好，基于JAVA平台开发的虚拟实验室灵活性较强，能够适用不同硬件平台及操作系统，且稳定性好，具有内存自动管理机制，系统运行效率和性能都比较高，不易发生崩溃或BUG，能够实现复杂的实验过程。此外，JAVA平台虚拟实验室，具有较强的交互性，能够通过多线程处理模式，提供更多功能，能同时执行多个实验，实验效率大大提升。但基于JAVA平台的虚拟实验室，实验过程缺乏真实性，一些时候三维场景会出现播放不流畅的现象，会影响整体实验效果，因此在程序设计时，必须要做好优化。

2. 基于ActiveX的虚拟实验室构建技术。基于ActiveX技术开发的虚拟实验室，相对来说开发成本较低，并且编程结构简单，集成度较高，可插入多媒体效果及交互式对象，通过COM/DCOM模型来实现整个实验室的构建，能够应用复杂代码，允许网络上的交互动作，能够融入不同软件开发的组建，大连理工大学的气相色谱仪系统就基于ActiveX技术开发。但ActiveX技术代码一致性和通用性较差，且运行时内存占用大，易崩溃或出现BUG，还存在较大安全隐患。因此，在系统构建时必须要对系统安全问题进行综合考虑，进行系统结构优化。

3. 基于VRML的虚拟实验室构建技术。VRML技术开发于一九九三年，发展至今已经十分成熟，是非常经典的虚拟现实建模技术，能够构建复杂的景物，被广泛应用于生活、生产、科研、军事、教学等领域。基于VRML技术构建的虚拟实验室，利用虚拟三维模型来实现，能够提供交互操作，实验过程表现力极强，具有真实感，能够满足对细致度要求较高的实验教学，且在实验过程中能够产生三维信息，能利用网络进行共享和传播，VRML文件小，便于移植，开发成本低，使虚拟实验室实现了网络化。

2. VRML组成部分

在语法上， VRML以节点（Node）作为基本单位。一个节点可以是一个单一的3D造型，也可以是一个造型的材质，还可以是动画定时器、传感器等。VRML2.0中就定义了54个节点，如造型节点、编组节点、传感器节点、脚本节点等。节点包括域和事件，各种信息可以在节点之间通过路由传递。

与HTML类似，VRML的解释执行和演示是通过浏览器来完成的，浏览器接受特定文件格式的用户输入以及用户接口模式。

3.基于VRML技术的虚拟实验室的特点

VRML具有强大的网络功能，它能够创建三维造型，实现多媒体制作，可以利用感知傳感器节点来感受用户及造型之间的动态交互感觉。因此，基于VRML技术的虚拟实验室具有以下特点。

1. 成本低廉。虚拟实验室在可视化方面的强大优势以及可交互性，不仅大大降低了实验的材料成本费用，而且还可以节省场地和人力资源成本，减小实验损耗。此外，基于VRML的虚拟实验可以实现资源共享，避免软件、仪器及设备等相关资源的重复投资。

2. 省时高效。由于虚拟实验室通过软件来模拟实验硬件，所以无需准备实验设备或进行实验设备维护，完全可以避免在传统实验过程中一些不可预知的情况影，实验效率更高，学生只需要集中精力研究实验规律及对象即可，且实验过程无需等待，系统自动分析便可显示实验结果。另外，虚拟实验室的快进、回放、慢放功能有利于学生调取实验结果、理解知识点，能够大大增加实验过程直观性。

3. 交互灵活。通过分析可以知道，虚拟实验室操作过程是人机交互，实验灵活性更强，系统能够及时对学生操作行为作出及时反馈，并对实验结果进行分析与评价，学生可以知道自身操作中存在的问题，这对于学习效率提升有着很大帮助，实现了教与学的双向交流。

4. 用户自主。传统实验模式，学生多是在模仿教师，学习效率低下，对实验原理理解不透彻。而虚拟实验室则让学生成为了实验中心，学生可以自己探索操作，这对于学生实验兴趣及解决问题能力的培养有着很大帮助。此外，自主探索获得知识，学生对知识点理解和记忆更透彻。高校教育中应积极推广和应用虚拟实验室，为学生构建信息化实验环境。

二. 虚拟实验室的结构与实现

1.基于VRML技术的虚拟实验室的结构组成

虚拟实验室包含下面几个重要的组成部分：提供远程用户访问的Web服务器；用于存储虚拟实验基础数据和实验结果数据的数据库系统；用于数据处理、分析、存储并使这几个过程可视化的实验处理软件。这可以是基于专业的仿真软件系统，也可以是自主开发的基于Web的实验软件系统。

B/S结构利用了TC/TIP协议，通过HTTP传输机制来实现超文本传输，通过终端访问服务器，获取响应结果，发送服务请求，终端进行实验操作，将实验数据存储在服务器端。这样的系统结构稳定性更好，实验效率更高，便于数据的保存与管理。服务器为虚拟实验室提供了一个后台数据库，能够实现实验数据的共享，对于提高实验效率有着很大帮助。

VRML利用的是三维建模，通过三维场景模拟实验，为了进一步提升数据加载速度，VRML文件可存储在WEB服务器上，在终端安装VRML插件，利用浏览器访问服务器调取所需数据，服务器端负责的是数据的解析、存储、发送、显示等等。终端利用浏览器不仅能够获取VRML文件，还能够利用插件显示还原三维场景。浙江理工大学的三维模型试验就是利用了VRML技术。数据信息的传递基于HTTP机制实现，终端发送的服务请求为SQL语句，服务器接受到请求后，便会执行相应结果，并把分析结果反馈给终端用户，并通过浏览器显示出来，终端用户利用VRML插件进行虚拟实验。

2.系统结构的具体实现

（1）虚拟环境的建立。通过前文分析可以知道，虚拟实验室构建中虚拟环境的构建非常重要，虚拟环境是虚拟实验室的重要组成要素，影响着虚拟实验的真实感和整体效果。虚拟环境包括：视觉建模、听觉建模、行为建模、几何建模几大方面。建模建立时要尽量真实还原实验过程，做好足够自然、逼真，应增加必要的音效和视觉效果，以提升虚拟环境的渲染效果，给学生带来不同实验操作体验。

（2）交互控制。对于虚拟实验室来说，交互控制非常重要，是影响实验操作体验的关键，为了能够提供直观、清晰的交互控制，在系统总体框架设计中，应采用串行控制方式，规划好操作流程和具体交互操作顺序，保障给定建模能够发挥职能，促进实验的开展。这种设计思路，不仅系统结构简单，便于维护，且操作过程清晰，对于初学者来说操作简单，容易理解和记忆，对于提高教学效率有着很大帮助。

（3）系统的整体设计。现如今，网络化的虚拟实验室已经成为主流虚拟实验室，因此在系统设计中就应该把网络环境的应用考虑在内，支持远程教学和远程实验，把需要的数据部分进行共享，利用服务器进行发布。学生通过网络就可以访问到虚拟实验室的服务器，进行远程操作、浏览、填写实验报告，完成实验操作。教师也可以利用网络阅读实验报告，教学有效性便可大大提高，且这对于学生实验兴趣的培养，学习动力的激发也有着显著作用。

3. 五种技术的分析与探讨

1）实验场景角度分析。从实验场景角度分析，QTVR采用实景建模。Flash软件通过Flash3D引擎可实现三维效果，适用于要求不高的虚拟实验。VRML技术虽然三维效果比较好，但开发难度高，对三维虚拟环境的建模非常复杂，经常与3DMAX结合应用。

2）人机交互能力分析。Java通过applet与多线程可以提供灵活的显示与强大交互作用。VRML利用软件设置一个传感器附在一个造型上来实现检测观察者的移动、点击和拖动，但它直接接收实验者输入的实验参数的能力很弱。QTVR技术使参与者可以自己控制体验的进程和顺序，可以只挑选自己感兴趣的部分。Flash具有强大的交互能力，在Flash MX版本中的腳本语言（Action Script）功能强大，通过它可开发出很强功能的交互式网络动画。

3）网络适用性分析。Flash适用于所有系统，包括Linux、Unix的各种变种，具有完全的平台无关性。ActiveX只能应用在微软的Windows浏览器上。VRML要在不同平台安装不同的播放器才能应用。VRML和Flash最终发布的文件都非常小，适合于网络上的传送。

4）开发难易程度分析。在这几种技术中，Flash可直接编写服务端的程序并从服务器端接收数据。VRML不具有网络编程功能，必须借助其他语言实现网络功能，不能通过编程来实现数学建模，必须借助其他数学运算工具。ActiveX技术通过DCOM进行网络通讯，效率十分高。Java技术的开发周期长，组件实现工作量大，经常调用MATLAB功能函数来简化其算法的复杂性。

结论

随着网络技术的发展，虚拟实验室在教学舞台上发挥着越来越重要的优势，各种虚拟实验室构建技术也日益完善。各种技术在构建虚拟场景、实现人机的交互性以及对平台的适用性和开发的难易程度上各有千秋，在今后的研究与应用中应重视各种技术的结合。（作者单位：辽宁建筑职业学院）

参考文献：

[1]文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化，2008（11）：37-39.

[2]孙燕莲，文福安.虚拟实验教学的探索与实践[J].现代教育技术，2009，19（4）：131-132.