开放式计算机基础虚拟仿真实验室研究

詹春娥

摘   要：传统的实验教学为高校计算机基础教学带来了诸多压力，随著虚拟实验技术的成熟，虚拟实验室在教育领域的应用价值显而易见。它既能保障实验教学的质量，又能加强学生的实验能力和提高综合素质。文章基于虚拟现实软件VRP，结合3Dmax建模工具以及Javascript，ASP.NET与数据库等技术，对构建开放式网络计算机基础虚拟仿真实验室系统进行探讨。

关键词：虚拟仿真;实验;教学

1    高校虚拟仿真实验系统简介

为贯彻落实总书记对强化实践教育工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作大会精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》以及《2017年教育信息化工作要点》等相关要求，教育部决定进一步将虚拟仿真实验教学项目建设工作开展到本科高等学校的实验教学当中。

虚拟仿真实验室是一种在开放式网络化下，运用Web技术、虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）构建的虚拟实验教学系统，将现实的教学实验室进一步升级为数字化和虚拟化。它以计算机为控制中心，利用软件技术构建系统的逻辑结构模型;同时，使用模块化和层次化的设计思想将硬件与软件相结合，形成虚拟仿真实验系统。它借助多媒体网络技术将远程教育推向了一个新高度，教学用虚拟仿真实验系统一般由虚拟仿真实验台和虚拟实验教学系统组成，开放式虚拟仿真实验教学的开展可减少实验设备的投入，也可降低实验设备的维护强度。虚拟实验台供学生动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备，有利于提高的动手操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新能力。同时，实验结果的自动批改功能也减轻教师的工作量[1]。

2    系统的设计理念与模块设计

2.1  设计理念

计算机应用能力是高等院校学生的必备技能之一，计算机基础教育成为多数高等院校教学体系必不可缺的组成部分;在教学过程中通常会受到教学课时和教学条件的限制，在硬件的组装与维护方面使学生特别是文科专业的学生缺乏实践的动手能力;建立基于网络的计算机基础虚拟仿真实验室能够打破传统教学模式的局限性，提高教学质量和培养更多的应用型人才。

计算机基础虚拟仿真实验室采用异步教学中的多种Web浏览，通过互联网与学生用户进行连接实现远程教学。基于Web的可视化三维环境功能设计出常见的计算机硬件三维模型，设置对应的参数;同时，将每一类三维模型适当的组合构成一个可视化的实验项目。网络上采用客户机/服务器的模式，服务器负责数据的存储、维护与处理;客户机负责人机界面操作，传递用户的需求和显示返回的数据结果;教师或者学生通过准入许可证登录进入虚拟仿真实验室中，教师进行实验的布置，学生通过键盘与鼠标的操作进行虚拟实验，从而完成实验的教学[2]。

2.2  主要模块设计

虚拟仿真实验中虚拟的仪器设备能够呈现出真实设备难以体现的实验现象，既锻炼了学生的独立思考与实际能力，又能激发学生的学习兴趣，以此培养出更具创新精神与高实践能力的人才。为了开放式计算机基础虚拟仿真实验系统能够将知识学习和实验动手能力的培养有机融合，形成完整的实验教学体系，整个体系包含计算机基础课程资料、计算机硬件的外形展示与文字说明、台式机与笔记本的组装实验、故障的诊断实验、小型网络的组建实验、教师管理模块[3]。

（1）课程资料：该模块以网页或电子文档的形式将计算机基础课程的教学大纲、教学课件、电子教案与视频教学等进行制作与整理。

（2）硬件展示与说明：该模块以三维立体的方式展示计算机的各硬件部件，同时，配以文字的介绍说明。

（3）组装实验：该模块包括台式机与笔记本的组装与拆卸虚拟仿真实验。

（4）故障的诊断实验：该模块描述了微机故障的特征，要求做故障排除的虚拟仿真实验。

（5）组建小型网络实验：该模块可以二维网页的形式来进行网线的制作、路由器的配置、ADSL连接配置，从而进一步组建局域网的虚拟仿真实验。

（6）管理模块：角色可以有系统管理员、教师和学生，由系统管理员做用户与权限的管理，教师用户来进行实验的布置、成绩的收集管理，学生则完成实验操作。

3    实验模块的创建

系统创建过程中，各模块既可采用HTML网页或电子文档的形式展现，也可采用FLASH来演示微机各部件的工作原理，同时，采用基于虚拟现实软件VRP，结合专业的三维建模软件3DMAX以及Javascript，ASP.NET与数据库等技术之上来完成整个系统建立。创建虚拟仿真的实验室分为模型建立、制作交互文档、网络发布3个阶段。

3.1  数字模型的建立

微机的各部件采用3DMAX进行建模。建模时应遵循以下3点：（1）收集相对准确的模型数据，以保证模型的形象与逼真。（2）复杂结构的单个硬件应予三维模型的层次结构分别建模，并将所有模型整合起来。（3）建模过程中，不仅要删除冗余分段，而且面片数要尽可能少，降低整个模型的复杂度以优化模型。

由于虚拟现实技术对显示速度的要求，3DMAX建模后还需进行材质编辑和灯光效果的设置，最好利用烘焙贴图技术来对模型的纹理进行优化，以提高渲染速度。烘焙贴图就是把MAX中物体的光影以贴图形式带到VRP中来，以此更具真实感，烘焙方式有LightingMap，Completemap。不同类型的材质采取不同的烘焙方式，材质贴图仅支持jpg，bmp，dds的图片格式;灯光按照3DSmax的标准设置。模型烘焙时需要注意以下3点：（1）选择恰当的烘焙方式，Completemap光感好但烘焙效果相对模糊，Lightmap贴图较清晰但光感弱。（2）按照模型材质与大小设置贴图尺寸参数，一般小模型、玻璃与金属材质不必烘焙。（3）为了方便管理，按照模型烘焙的类型与贴图尺寸将模型分类并存放在同一个图层中。

利用VRP编辑器进一步导出场景：（1）通过VRP-for-Max插件导入3DMAX的建模文件。（2）選取导出类型（静态模型，刚体、柔体动画、相机等）。（3）确定模型命名。（4）导出VRP格式文件。导出的文件通过后期编辑进行优化[4]。

3.2  交互式虚拟仿真实验的实现

VRP的设置对象主要包括动作、事件与场景3类要素，VRP交互设计是在脚本编辑器里建立事件、动作和场景的相互关系。其中，动作包括对物体移动、旋转、平动、缩放等，选择摄像机做视角切换、着色、显示/隐藏物体、交互控制和粒子特效等。事件包括场景开始事件、鼠标和键盘事件、计时器和自定义事件等。场景包括文件中后期加入的界面、声音、材质等交互现象。交互操作主要是基于事件驱动，在用户触发事件或事件自发（如鼠标或键盘操作等）时，该事件对应的场景则做出相应的动作。

3.3  网络发布

用支持网络发布的vrpie格式将VRP对象导出，并将它存放在Web服务器上，也可网上其他媒体素材进行合成，形成界面友好直观、真实感强的虚拟实验环境，用户通过网络或本地机对虚拟仿真实验室进行使用。学生通过鼠标对实验设备模型的旋转或移动等多角度地观察，用远程浏览的方式掌握硬件结构及属性;通过组装和拆卸对象等操作，完成老师布置的实验。虚拟实验室技术既能减少实验室建设的投入成本，又可应用在远程教学网站上，以更好地实现金属焊接等实践教学[5]。

4    网络测试的技术实现

实验管理主要由教师在教师管理模块中承担完成，教师在虚拟实验室中创建课程或实验，添加对应的班级学生，并将实验目的、实验任务与实验要求发布给学生。虚拟实验室中可实现无纸化的网络测试功能，考查学生实验技能等基础知识及实验的操作能力的同时，自动批改功能还可以减轻教师的工作量，测试与成绩管理可由数据库管理模块、组卷与阅卷模块和信息管理库等来实现。采用ASP技术访问数据库SQL Server，同时，使用Javascript脚本语言，以此来实现页面上网络信息的处理。学生提交试卷时，系统把答案存入临时数据库中并与正确答案进行对比，得出学生成绩后将学生的答案从临时数据库中删除，显示最终成绩[6]。

5    结语

随着计算机技术、多媒体技术、虚拟技术、网络技术的不断发展，现代远程教育成为普及教育的有效手段，网络虚拟实验作为理论研究、实验研究后的又一种重要的科学研究方法，它既能更好地提高学生的动手能力又能降低办学成本，在高校学生规模不断扩大的今天，积极地把虚拟化技术运用到教学实验室开发中，在实验教学改革中具有重大的现实意义。

[参考文献]

[1]周军.虚拟实验室在高职院校实践中的应用前景[J].中国教育技术装备，2011（8）：123-124.

[2]牛学真.开放式虚拟实验教学平台集成技术研究[D].北京：北京邮电大学，2014.

[3]金魁.开放式虚拟仿真实验教学平台构建[J].黑龙江科技信息，2017（6）：146.

[4]李林，陈宇峰，李凤霞.开放式虚拟实验教学平台研究与实践[J].中国教育技术装备，2017（5）：33-34.

[5]杜玉宝，孙淑强，亓文涛.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与思考[J].中国现代教育装备，2016（9）：26-28.

[6]武烨.基于虚拟仿真实验室的创新性实验教学改革探索[J].科技资讯，2018（8）：273-274.

Research on virtual simulation laboratory for open computer foundation

Zhan Chune

（Huali College of Guangdong University of Technology， Guangzhou 511325， China）

Abstract：The traditional experimental teaching has brought a lot of pressure to the computer basic teaching in colleges and universities. As virtual experiment technology matures， the value of virtual laboratories in education is evident. It can not only guarantee the quality of experimental teaching， but also strengthen the studentsexperimental ability and improve the comprehensive quality. Based on virtual reality software VRP， combined with 3Dmax， Javascript， ASP and database technologies， this paper discusses the construction of an open network computer based virtual simulation laboratory system.

Key words：virtual simulation; experiment; teaching