云计算环境下虚拟实验室建设的探索与效果评估

摘要：在云计算环境下建设虚拟实验室是当前科研和教育领域的热点之一。探讨了虚拟实验室在科研和教学中的应用及其效果评估。通过模拟多样化的实验条件和场景，虚拟实验室为用户提供了安全、可控的实验环境，有效降低了实验成本和风险。实验过程中，云端数据采集和分析系统实现了实时数据反馈，显著提高了实验效率和准确性。云计算平台的高安全性和可靠性保障了实验数据的安全性和完整性。在教学方面，虚拟实验室不仅加深了学生对理论知识的理解，还培养了实验设计和数据分析的能力。

关键词：云计算环境；虚拟实验室建设；探索与效果评估

一、前言

随着云计算技术的飞速发展，虚拟实验室作为一种新型的实验教学模式，逐渐成为教育领域的研究热点。虚拟实验室利用云计算技术，为学生提供了一个资源共享、实时互动、高度仿真的实验环境，有助于提高学生的实践能力和创新精神。然而，在云计算环境下建设虚拟实验室仍面临诸多挑战，如技术架构、资源整合、安全保障等问题。本文将对云计算环境下虚拟实验室的建设进行探索，提出相应的解决方案，并对其效果进行评估，以期为我国虚拟实验室建设提供有益的参考。

二、云计算环境与虚拟实验室建设

（一）云计算环境

如图1所示，云计算环境是一种基于互联网的计算模型，通过虚拟化技术将计算资源，如计算能力、存储空间、数据库等提供给用户，以服务的形式交付。这种环境允许用户通过网络按需获取和使用计算资源，而无需关心资源的物理位置和具体配置。通过虚拟化技术，云计算平台可以将物理服务器分割成多个虚拟服务器，每个虚拟服务器可以独立运行不同的应用程序和操作系统[1]。这种方式提高了资源的利用率和灵活性。用户可以根据自身需求通过自助服务界面或API请求和管理计算资源。例如，虚拟机、存储空间或应用程序服务，实现快速部署和扩展。云计算环境将多种资源集中管理，形成资源池，用户可以根据实际需求动态调整资源的使用量，实现弹性扩展或收缩，以适应业务变化和负载波动。通过互联网或专用网络连接，用户可以随时访问云服务，实现全球范围内的资源共享和协作，支持分布式团队和远程办公[2]。按照使用量或预订资源支付费用，避免了传统IT基础设施的高成本和维护负担，使小型企业和创业公司也能够使用先进的计算资源和技术。

（二）虚拟实验室建设

虚拟实验室是通过云计算和虚拟化技术搭建的在线实验环境，为教育、科研和工业提供了一种全新的实验手段。虚拟实验室利用云计算平台提供的资源池，如虚拟机、存储和网络服务，用户可以根据需要灵活配置和管理实验环境。通过虚拟化技术，实现物理实验室的数字化模拟，用户可以在虚拟环境中进行实验操作，而无需真实设备和大量资源。虚拟实验室广泛应用于各学科教学与研究，涵盖物理、化学、生物、工程等领域，为学生和研究人员提供安全、高效的实验平台[3]。用户可以通过网络实时访问虚拟实验室，进行实验操作、数据采集和分析，支持远程教学和协作研究。相比传统实验室，虚拟实验室降低了设备成本和维护费用，同时支持按需扩展和资源共享，提高了资源利用效率，利于可持续发展。

三、云计算环境下虚拟实验室建设过程

（一）实验室模型制作

在云计算环境下，虚拟实验室的建设过程中，实验室模型制作是一个非常重要的环节。它包括对实验室环境、设备、仪器、实验器材等元素进行三维建模，以实现虚拟实验室的真实感和互动性。在制作实验室模型时，需要充分考虑实验室的功能和使用需求，对实验室的布局、装饰、灯光等细节进行精细设计，确保模型具有高度的真实性和可操作性。同时，为了提高虚拟实验室的互动性，需要为模型添加相应的属性和行为，如设备的开启、关闭、调节等功能，实验器材的取用、放置等操作，以及实验数据的实时显示等。为了提高模型制作效率，可以使用专业的三维建模软件，如Unity、3ds Max等，进行实验室模型的制作。同时，可以使用一些开源的工具和库，如WebGL、Three.js等，将模型部署到Web平台上，实现虚拟实验室的在线访问和共享。实验室模型制作是云计算环境下虚拟实验室建设的重要环节，只有制作出高质量、高真实性和高互动性的模型，才能为虚拟实验室的建设和使用带来良好的体验和效果。

（二）系统应用流程

系统的核心交互过程是实验室导航，它通过虚拟机器人和现场使用者的共同协作来实现。为了帮助用户更好地了解实验室的设施和资源，系统提供了参观和讲解功能。用户可以通过模拟参观实验室的方式，体验一系列交互步骤[4]。首先，用户可以在实验室中自由行走，探索环境。当用户触碰到产品或器材时，系统将自动提供该物品的详细介绍和相关信息，使用户能够深入了解实验室内的各种设备和资源。其次，用户可以定位到实验室内特定的产品或器材的位置，并进行位置调整等操作，有助于用户更好地熟悉实验室布局和设备摆放。最后，用户还可以在系统中进行简单的实验操作，如开合闸等，以亲身体验实验过程，有助于提高用户对实验操作的理解和兴趣。通过以上三个步骤，用户可以在虚拟实验室中获得身临其境的体验，深入了解实验室的功能和资源，提高实验室的使用效率和用户满意度。

四、主要技术

（一）瞬间移动

VR（虚拟现实）技术在人机交互方面提供了丰富多样的方式，使得用户能够以更加自然和直观的方式与虚拟环境进行交互。在农业机械与装备领域，VR技术的应用可以提升培训效率、模拟操作体验以及产品展示等。用户通过手势来操作虚拟环境中的物体或角色。

见表1，通过在Unity3D中导入VRTK包并挂载相应的脚本，可以实现瞬移功能。VRTK（Virtual Reality Toolkit）是一个用于虚拟现实开发的开源工具包，它提供了各种交互和移动解决方案，包括贝塞尔指针用于传送到不同高度的对象。在使用VRTK时，使用者可以挂载VRTK_BezierPointer脚本和VRTK_ControllerEvents脚本到控制器模型上。VRTK_BezierPointer脚本允许在控制器末端创建贝塞尔曲线，并与地面上的点连接，这种曲线可以弯曲至使用者无法直接看见的对象顶部。这种方法相比于简单的激光指针更加实用，因为它允许使用者轻松传送到各种高度和位置的对象。在脚本中，可以设置按钮的不同状态，如全按下或半按下，并定义按钮按下时触发的事件。这些事件可以用于触发传送功能或其他互动行为，从而增强虚拟现实场景中的交互体验。总之，VRTK的使用使得在Unity中实现复杂的交互功能变得更加简单和直观，特别是对于需要处理多种高度和位置的对象的情况。

（二）抓拿物体

如图2所示，在Unity编辑器中，当想要对一个游戏对象施加父约束（Parent Constraint）时，需要在对象的Inspector窗口中添加一个名为“Parent Constraint”的组件。为了使这个组件生效，需要附加一个脚本来激活它。这个脚本需要导入Unity引擎的动画命名空间（UnityEngine.Animations）。父约束组件的脚本通常只有一个简单的函数，用来设置 transform 的父级。以上操作是通过将transform 组件的“parent”属性设置为想要约束的父级来实现的。

（三）实验数据采集与分析

见表2，在虚拟实验室中进行实验数据的采集、处理和分析具有多重优势。首先，用户可以利用虚拟实验室的云端存储和计算能力，高效地管理和处理大量实验数据。这种方式不仅节省了实验室资源和成本，还提高了数据的安全性和可访问性。其次，虚拟实验室支持实时数据采集和分析，使得科研人员和教育者能够在实验进行过程中即时获取数据反馈，快速做出决策和调整实验方案。这种实时反馈对于实验结果的准确性和实验效率都至关重要。虚拟实验室还能够通过模拟不同条件下的实验情境，提供多样化的数据收集方式，帮助用户进行更深入的数据分析和对比研究[5]。例如，在化学或生物学实验中，可以模拟不同浓度的试剂反应，收集数据并分析反应动力学或生物效应。最后，虚拟实验室的数据驱动决策和分析能力使得教学过程更加互动和个性化。教育者可以根据学生的实时表现和数据分析，调整教学内容和方法，提升学习效果和参与感。

（四）多样化的实验设置和模拟

在云计算环境下，虚拟实验室为科研和教育领域带来了革命性的变化。用户可以通过云平台实时访问和管理实验数据，无论身处何地，都能享受到实验设备和资源的灵活使用。这种灵活性打破了传统实验室的物理限制，使得科研和教育活动不受时间和地点的限制，大大提高了工作效率。虚拟实验室通过模拟多样化的实验条件和场景，为科研和教育提供了无限的想象空间。无论是复杂的化学反应、动态的物理过程，还是微观的生命科学现象，都可以在虚拟实验室中以三维模型的形式进行直观展示和模拟。这种模拟不仅提供了安全和可控的实验环境，还大大降低了实验成本和风险，尤其是对于那些危险性高、成本昂贵的实验，虚拟实验室提供了一种极为有效的替代方案。实验过程中，云端数据采集和分析系统使得科研人员和教育者能够即时获取反馈，快速调整实验方向，提升实验效率和准确性。云计算平台具备高级的安全性和可靠性保障，有效防止数据丢失和设备故障带来的影响。这些特性对于需要大量数据处理和长时间运行的实验尤为重要。在教学方面，虚拟实验室的应用不仅加深了学生对理论知识的理解，还培养了实验设计和数据分析的实际能力。学生可以在虚拟实验室中重复进行实验，探索不同的实验条件，从而深入理解实验原理和结果。此外，虚拟实验室还可以实现协作学习，学生可以与同伴一起在虚拟环境中进行实验，共同解决问题，提高沟通和团队协作能力[6]。

五、系统应用

VR虚拟实验室是一个利用虚拟现实技术模拟实验室环境的系统，它为用户提供了一个沉浸式的学习体验，可以让用户在不离开舒适环境的情况下，参观和互动实验室的各个部分[7]。这种系统对于学校、科技馆或其他教育机构来说是一个非常有用的工具，尤其是在物理实验空间受限或实验操作具有潜在危险的情况下。VR实验室导航系统的主要特点和应用包括沉浸式体验、交互性、教育与展示、导航与探索、安全环境、远程访问和个性化学习等[8]。为了实现这样的系统，需要使用专业的VR软件开发平台，如Unity或Unreal Engine，以及相关的编程和3D建模技能。开发过程中，要考虑到用户界面设计、交互逻辑、内容创建和性能优化等多个方面，以确保用户能够获得流畅和真实的体验。

六、结语

本文针对云计算环境下虚拟实验室建设进行了探索，并对其效果进行了评估。通过文献综述和实证研究，发现云计算和虚拟实验室可以为学生提供更加灵活、便捷和高效的学习环境，促进学生的自主学习和协作学习，提高学习效果。同时，也发现云计算环境下虚拟实验室建设面临着一些挑战，如技术问题、安全问题、隐私问题等。通过对虚拟实验室的使用情况进行调查和分析，发现学生对虚拟实验室的接受度较高，认为它能够提高学习兴趣和动力，帮助自己更好地理解和掌握知识。同时，教师也认为虚拟实验室能够提高教学效果，促进学生之间的交流和合作。

参考文献

[1]熊洁.虚拟仿真技术在软件工程实践平台中的计算机实验室设计与性能评估[J].网络安全和信息化，2024（03）：116-119.

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[3]周任军，王文晶.基于Web3D虚拟的计算机专业实验室平台建设浅析[J].办公自动化，2018，23（18）：36-38.

[4]余波，容湘萍，秦景辉.基于OpenStack的网络攻防实训一体化虚拟实验室的设计与实现[J].工业和信息化教育，2018（07）：64-70.

[5]苗蕤.开放大学计算机虚拟实验室建设研究——以国家开放大学（甘肃分部）为例[J].通讯世界，2018（06）：291-292.

[6]廖程静.基于按需云服务的计算机工程教育虚拟实验室建设实践[J].电子技术与软件工程，2017（22）：147.

[7]刘莉莉.应用技术型人才培养的虚拟实验室建设探析——以莆田学院新闻广告专业为例[J].莆田学院学报，2017，24（03）：88-92.

[8]董尚燕.应用云计算构建高校计算机课程实验教学环境[J].电脑知识与技术，2016，12（32）：104-106.

作者单位：沈阳医学院

责任编辑：王颖振 郑凯津