网络虚拟实验室的设计

与传统实验室相比，网络虚拟实验室具有灵活、高效、开放以及用户自定义等优势，具有非常好的应用前景。因此，本文就虚拟现实技术和网络虚拟实验室进行了简要概述，并就网络虚拟实验室的建设意义、设计思想、体系结构及基本功能等进行了分析。

【关键词】交互性 虚拟实验室 仿真

虚拟现实技术在实验室设计中的应用，能够有效提高实验室应用的灵活度和高效性，促进远程教育的发展。一些具有较强实践要求的学科，实验非常重要，但是因实验设备难以操作、设备缺乏以及实验条件限制等原因，会导致很多教学实验无法正常开设，学生缺乏实践机会，影响学习效果，但是虚拟现实技术的引入应用，能够使学生获得接近真实实验的效果，有助于培养学生的实践能力。

1 网络虚拟实验室概述

虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境，融合了多源信息的交互式的三维动态视景和实体行为的仿真技术，使用户可以体验虚拟的世界。虚拟现实技术在专用设备的配合下，能够给用户带来触觉、视觉以及听觉等感官的模拟，实现人机互动，达到沉浸性以及交互性，从而给用户带来身临其境的感觉。

虚拟实验室是网络化的虚拟实验环境，即在网络环境中创设一个具有可视化的三维环境，每一种实验对象用一个可视的三维模型代表，然后通过键盘、鼠标或者可穿戴设备，对实验对象、实验环境以及过程等进行模拟和仿真，从而实现实验目的，达到与真实实验环境下相同的效果。

2 网络虚拟实验室建设的作用

（1）能夠减少设备的使用，有效缓解资金不足的现状，避免大型仪器设备的购买和添置等，充分发挥现有仪器设备的作用，节约科研成本；

（2）能够降低操作所带来的风险，虚拟实验室的构建，能够有效避免安全问题，降低操作风险，使学生能够放心操作，且不会对因有害气体而对人体造成伤害；

（3）能够打破以往实验过程中的时间和空间限制，有助于在实验中获得更深刻的体验感受，增加对实验的理解。

3 网络虚拟实验室的设计方法

在运用虚拟现实技术进行网络虚拟实验室设计时，应掌握科学的设计方法，明确实验室设计的基本出发点，从而对其进行体系结构设计和基本功能设计，方法如下：

3.1 基本设计思想

从学科的具体教学需要出发，建立教学实验所需的虚拟环境，然后在各种设备或仪器的配合下，对相关实验模型进行仿真，从而达到设计的目的。

从目前的远程教学系统应用情况来看，主要在扩充性和交互性等方面存在较多的问题，所以本文就该问题，提出了虚拟实验室的设计思想，具体为：该系统运用Internet进行开发，选择使用SQL Server数据库，C/S分布式模型，对于系统的编程则使用Java语言，客户服务器的通信功能应用TCP/IP协议。另外，本文中虚拟实验室的设计，在单机操作的基础上，增加协同技术，使其能够实现信息共享的效果，减少用户之间的访问冲突，使资源能够得到充分利用。

3.2 体系结构设计

搭建虚拟实验室体系结构，如元器件及设备等。其总体结构主要包括服务器端和客户端。服务器端主要包括Web服务器和数据库服务器，客户端主要包括虚拟实验室的运行环境，如运行模块和操作平台等。基于C/S的结构模型是网络虚拟实验室的主要框架，服务器端负责完成客户的应用功能。虚拟实验室的具体工作流程为：客户端发出HTTP请求，通过HTTP服务协议Web服务器将相应的软件传送至用户的浏览器，并生成相应的通信接口和虚拟平台，在与数据库连接后，将用户所需资料传送给用户，从而发挥其作用。在设计的过程中，应注意如果虚拟实验室有较强的交互性，应从用户的具体需求出发，对其进行合理设计。

3.3 虚拟实验室功能设计

功能是进行虚拟实验室设计的主要目的，所以在进行虚拟实验室设计时，主要有以下几个方面：

（1）模拟实验室环境，主要由大量虚拟的仪器和设备模型构成实验对象，并通过这些模型来模拟具体的交互过程，从而达到增加学生与环境交互效果的目的；

（2）虚拟实验室能够给学生适当的实验指导，从而使得学生能够在进行实验前，对具体的实验操作有充分的了解，如实验步骤、内容、以及注意事项等内容，建立文本式的指导书，方便学生随时进行浏览，还可以采用动画或视频演示的方式，方便学生了解实验的具体过程；

（3）网络虚拟实验室的管理内容应包括对信息资料的管理、服务器的管理和数据库管理；

（4）学生在完成实验操作后，应按照统一的格式要求完成实验报告，并提交到指定数据库或交给指导老师；

（5）交流与答疑，网络虚拟实验室应给学生与老师提供交流的平台，可以采用延时通信如BBS和即时通信如广播等方式来实现，能够方便学生之间的交流与讨论，同时还可以方便教师给予学生实验指导，解决学生实验与学习过程中存在的疑问，提高学生的学习效果。

4 结语

将虚拟现实技术引入到网络虚拟实验室的设计中来，能够给学生提供一个具有交互性和真实性的虚拟实验环境，满足学生的求知欲和好奇心，使学生能够获得更为真实的体验，从而提高学生的积极性，而且有助于学生更好地掌握教学的重点和难点，提高学生的实践操作能力，提高实验室教学的质量。

参考文献

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作者简介

周刚伟（1979-），男，河南省宝丰县人。工程硕士学位。主要研究方向为计算机网络技术、多媒体应用技术。

作者单位

平顶山工业职业技术学院 河南省平顶山市 467001