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探析計算機網絡虛擬實驗系統的現狀及發展趨勢
隨著計算機及網絡技術的飛速發展,新技術,新設備對傳統的實驗教學的推動作用日益顯著。下面是小編收集整理的探析計算機網絡虛擬實驗系統的現狀及發展趨勢，希望能夠幫助到大家。
關鍵詞：
網絡虛擬實驗 現狀 不足 發展
摘要：
計算機技術、網絡技術和仿真技術的發展為網絡虛擬實驗系統的構建提供了可能。介紹了網絡虛擬實驗系統的國內外研究現狀，分析了當前研究的不足，提出了網絡虛擬實驗系統發展趨勢。
一、網絡虛擬實驗系統的研究現狀
網絡虛擬實驗室概念的提出至今僅為十余年的時間，但因其誘人的應用前景，各國均在大力開發，已經取得了一些進展。
（一）國外研究現狀。目前，網絡虛擬實驗系統在發達國家已十分普及，下面列舉幾個有代表性的成果：
1、2004年美國巴爾的摩的約翰霍普金斯大學教育資源中心發起的基于Java 技術的虛擬物理實驗室項目。學生通過調節實驗參數來觀察各種實驗現象和實驗結果，該實驗室的實驗程序基于Java Applet 技術實現實驗界面與仿真算法，將其嵌入到網頁中，客戶端只需一個集成Java 虛擬機的瀏覽器即可運行仿真。
2、新加坡國立大學在遠程控制實驗方面取得很大的成果。其電子工程系開發的用于工程教育的虛擬實驗室，目前已經包含了2D和3D示波鏡實驗、帶耦合的水槽設備控制實驗等六個實驗。使用者通過網絡操作真實的實驗設備，可以應用多種控制方法來完成實驗。這類實驗具有視頻與音頻反饋，通過視頻會話系統，使用者可以一邊調整實驗界面的實驗參數，一邊觀看遠程設備運行后的實驗結果。
�。ǘ﹪鴥妊芯楷F狀。我國的網絡虛擬實驗系統的研究起步較晚，但是發展速度較快。根據目前從網上可查到的信息和各院校開放的對外服務看，國內部分大學已陸續建立了網絡虛擬實驗系統。華中科技大學《液壓與氣壓傳動》遠程教育小組開發了液壓回路性能和液壓元件裝拆虛擬實驗。液壓元件裝拆實驗基于三維環境運行，能使學生在虛擬現實環境中，仔細觀摩各零件的結構特征，明確各零件的相互裝配關系并可以親自動手進行元件的裝配和拆卸。液壓回路性能測試實驗運用JAVA 技術進行開發，學生可以在實驗界面輸入不同的實驗參數，點擊實驗控制按鈕，觀察回路表示的對應的變化和實驗結果曲線圖。
二、目前研究的不足
�。ㄒ唬╆P注程度不夠。網絡虛擬實驗系統以其強大的教育優勢成為國內外研究的熱點，但是國內在這方面的研究與國外相比還比較落后，尤其是在教育技術領域未給予一定的關注。我們從中國期刊網用虛擬實驗作為主題進行搜索，在《電化教育研究》上找到4篇文章，《中國遠程教育》18篇，《中國電化教育》7篇。
�。ǘ┫到y構建方式單一。目前國內網絡虛擬實驗系統構建技術方面研究文獻的內容主要集中在Java、VRML、Flash、LabVIEW 等技術在虛擬實驗系統構建中的應用，或者此技術在某個實驗環節中的應用，或者側重于網絡虛擬實驗系統的教學支持系統的設計開發，對多種技術混合開發、各技術之間的交互設計、網絡虛擬實驗系統的體系結構的研究不多。
�。ㄈ┫到y應用研究不多。目前網絡虛擬實驗系統的研究內容主要集中在理論探討、系統的設計與開發、虛擬實驗網絡教學平臺的開發，對網絡虛擬實驗系統應用于教學的模式與效果分析、網絡虛擬實驗系統開發評價等方面的研究不多，尤其是關于學生對網絡虛擬實驗系統學習體驗的調查和從學生視角對使用網絡虛擬實驗系統進行網上實驗學習進行評價的研究很少。
三、網絡虛擬實驗系統發展趨勢
�。ㄒ唬┗�3D的純軟件方式開發的網絡虛擬實驗系統將成為主流。從國內外已有的網絡虛擬實驗系統的現狀和應用來看，純軟件方式開發的網絡虛擬實驗系統是實際物理設備及實驗過程的軟件仿真，其具有構建費用低、使用方便等特點，在教學和科研中有廣泛的應用。
基于3D的網絡虛擬實驗系統能夠解決學習媒體的情景化及自然交互性的要求，豐富了媒體表現形式，其以現實感強等優勢成為國內外研究的熱點，在教育領域內有著極其巨大的應用前景。
�。ǘ⿲崿F技術上必將形成多種技術相融合，優勢互補的局面。網絡虛擬實驗系統的構建上應該研究如何用技術實現教育的功能，使網絡虛擬實驗系統達到與真實實驗相近和等同的效果。在設計與開發方面，體現在如何對實驗元件、實驗環境和實驗現象進行模擬，如何處理好虛擬環境與用戶之間的交互，如何實現多用戶的并發協同操作等方面。使用某個單一技術構建網絡虛擬實驗系統，在某些方面有優勢，在另一方面必然存在不足。因此，一個優秀的網絡虛擬實驗系統不可能只通過單一的技術來實現。將多個技術相融合開發，優勢互補，對構建一個好的網絡虛擬實驗系統顯得十分重要。
（三）增加協作性�？茖W實驗常常是一種協作性的活動，與同伴合作是實驗過程中一個至關重要的環節，因此，多用戶協同虛擬實驗將成為網絡虛擬實驗發展的一個重要方向。
四、結束語
本文就當前國內外網絡虛擬實驗系統的現狀，分析了當前研究的不足，進而預測出下一步網絡虛擬實驗系統的發展趨勢。我相信，隨著計算機技術、網絡技術、多媒體技術、人工智能技術、神經網絡以及教育學、心理學等多學科綜合發展，以及網絡帶寬的提高，網絡虛擬實驗系統的建設將取得更大的進展，遠程教學將有更加美好的明天。
參考文獻：
[1]郝寧,余雪麗.分布式虛擬實驗系統實現技術的研究[J].太原理工大學學報,2003
[2]董亞波,吳迪,朱淼良.基于對象Petri 網的遠程虛擬實驗過程模型[J].電路與系統學報,2003,8
[3]譚守標,霍劍青,王曉蒲.虛擬實驗軟件的建模方法與實現技術[J].小型微型計算機系統,2003,12
拓展：計算機硬件組裝虛擬實驗系統設計研究論文
摘要:
本文在對計算機硬件組裝虛擬試驗系統設計構思進行概述的基礎上，采用交互、逼真、易懂、實用的設計原則，對設計的流程及結構進行闡述，并對系統的應用功能等進行簡單介紹。
關鍵詞:
計算機;硬件組裝;虛擬現實技術;設計;應用
受高校計算機教學中，硬件設備的不完善及更新速度慢等因素的影響，計算機硬件組裝與維護教學與計算機硬件的實際發展速度不匹配，對學生的實際操作需求難以滿足，因此，有必要在高校計算機教學中，借助計算機硬件組裝虛擬實驗系統，對教學過程中相關的硬件組裝問題利用多種技術方法進行輔助演示，學生通過對演示方法直觀的進行觀看和學習，其操作能力會進一步得到提高。本文主要借助3D技術、網絡技術，對高校計算機硬件教學通過構建虛擬平臺，為學生提供更好的學習途徑，虛擬系統的操作簡單，適應性較強，在實際教學中發揮了重要的作用。
一、系統設計構思
(一)功能介紹
基于教材內容，本文所涉及的虛擬實驗系統按照課程內容由淺入深、循序漸進對學習環境進行虛擬，在學習過程中，學生可以從不同的角度對計算機相關硬件模型利用3D技術進行觀看和瀏覽，在具體操作中，對硬件參數及性能的優化配置，讓學生可虛擬操作計算機各個部件的拆卸安裝等操作。學生在操作過程中如果與到計算機硬件組裝中的常見問題或故障時，系統會自動給出解決問題的方法，學生可根據系統提示對錯誤位置快速做出判斷，并按照系統提示繼續進行操作。
(二)設計原則
實用性是計算機硬件組裝虛擬實驗系統設計中的首要原則，要能夠確保學生在學習過程中有效的利用，對系統的安全、逼真、易用、共享、交互及擴展等性能要充分進行考慮。安全性指的是對用戶操作系統的權限進行控制，并對數據增加備份的功能，避免學生操作過程中誤操作導致數據丟失;逼真性指的是系統在操作過程中與實際操作非常相似，對計算機硬件可以借助3D技術構建對應的模型，學生在學習中可以融入到虛擬的實驗場景中進行操作;易用性是為方便學生對系統容易了解，且便于學生操作，能夠讓學生依據教材逐漸對系統熟練操作;共享性指的是師生之間、學生之間在學習的過程中，可以通過網絡平臺實現學習信息的傳輸與交流，彼此可對信息進行共享，可通過遠程方式使學生之間進行交流，方便教師進行指導;交互性是指用戶與系統之間通過各種傳輸裝置，如鍵盤、鼠標等進行交互，提高了人機交流的效果，同時可借助觸摸屏、手柄等與設備進行和諧的交互;擴展性是指，該系統中的硬件模型隨著計算機硬件技術的發展，能夠方便的加入更多新的硬件元素，借助系統擴展性能，學生能夠對更多新的技術有所了解，在計算機硬件技術的發展中學習更多的前沿技術。
(三)運行環境搭建
采用Quest3D技術作為本文設計的計算機硬件組裝虛擬實驗系統的開發工具，建模采用Sketchup軟件與3DMAX軟件，采用MySql數據庫進行數據存儲。
二、計算機硬件組裝虛擬實驗系統設計
(一)系統結構設計
對該系統設計的時候，系統結構應用C/S架構，包含系統服務器、數據庫、用戶和共享網絡，共享網絡將這幾部分連接在一起。首先，構建虛擬實驗系統，在服務器端借助Quest3D軟件完成，實現對用戶操作數據進行存儲的目的;通過QuestViewer，用戶在客戶端對硬件組裝虛擬應用程序進行執行，從而對計算機硬件組裝的三維模擬瀏覽、演示及操作執行完成;對于共享網絡而言，有兩種選擇，一種是可應用互聯網，另一種是可構建機房局域網。此外，系統可以對數據庫的最新數據進行下載，具有更新功能，對參數、型號等虛擬硬件進行更新。
(二)系統設計流程
在對該系統進行流程設計的時候，主要依據的是計算機硬件組裝教材的具體內容，對學生的實際需求進行分析，進行人機交互設計及性能測試、虛擬硬件模型設計及動畫制作，完成系統流程設計。需要注意的是，在對需求進行分析的過程中，要將教學大綱及學生學習的特點結合在內，先對系統的功能模塊詳細確定，對系統各種功能與權限合理的進行劃分;在設計相關硬件的接口、模型及參數的時候，對3DWarehouse等模型庫內已經存儲的現成硬件模型直接進行調用，減少了不必要的系統開發時間，有效的提高了系統開發的效率;在對一些現有模型進行修改的設計或需要細致處理的模型設計中，可以使用Sketchup工具來完成，具有較好的操作便捷性，此外，對模型也可以采用3DMAX軟件重新制作，再使用Deepexploration軟件對制作好的初始模型進行后續優化處理，使模型的參數、精度與現實硬件產品更加的統一;利用Quest3D軟件進行虛擬現實，建立人機交互硬件組裝場景，對人與系統的交互功能進行設計與完成。所有流程設計完成以后，對系統功能進行綜合測試，測試中對發現的問題進行改進與完善。
(三)系統模塊設計
按照計算機硬件組裝虛擬實驗系統的功能與架構進行分析，可以將系統模塊劃分為多個子模塊，包含理論知識、技能訓練與系統管理幾個部分。首先，在線管硬件理論知識的學習中，該模塊借助圖片、文字等說明形式為學生提供了大量的硬件知識，通過對該模塊的操作，學生從客戶端對任意硬件模型從多個角度進行瀏覽，在模型既定位置，鼠標移動到該位置后，會將該部分硬件的信息參數顯示出來，并匹配相應的文字說明。該模塊的主要功能在提高學生的理論知識學習水平，對計算機模型加強瀏覽。其次，技能訓練模塊，在該模塊中，更重要的是將人機互動的模式體現了出來，系統中包含有圖片、視頻等元素，學生可在該模塊中實現虛擬實驗計算機硬件的組裝與匹配等，并且系統可根據學生的實際操作情況將最優的選擇和匹配結果給出來，讓學生進行查看。最后，系統管理模塊，管理模塊主要的作用就是對系統各構成部分進行有效的管理，針對的是系統的安全運行、用戶操作及系統功能進行管理，管理人員對登陸系統的用戶可進行增加或刪除等措施，及時對硬件模型進行更新，對系統中的各種數據可以進行備份，并且具有監控的功能，確保的系統的安全運行。
三、計算機硬件組裝虛擬實驗系統的實現
(一)交互界面的實現
在系統交互界面中，系統以導航欄的方式能夠讓用戶對系統菜單內的各種功能快速熟悉，在系統界面的頂部設計快捷菜單，顯示模式采用隱形樹形結構，主界面頂部顯示一級分類，二級分類隱藏在一級分類中，三級分類隱藏在二級分類中，將一級分類用鼠標點擊一下，即可將二級分類菜單拉出，如果二級分類中標有“◢”符號，則表明該項中包含三級分類，對該符號用鼠標點擊一次，即可將三級分類中的項目拉出。用戶用鼠標點擊各項功能時，主畫面區顯示硬件3S圖像，通過鼠標、鍵盤對主畫面區顯示的3D硬件圖可進行放大或縮小、翻轉、移動等操作，學生可對硬件的細節部分清楚的查看，并可通過視頻的形式進行觀看硬件組裝中遇到的一些問題，提高學習的效果。
(二)主功能實現
系統中，用戶登錄模塊的功能非常重要，該模塊主要采用Quest3D中的DBValue、DBQuery等連接信道，與數據庫內用戶信息進行匹配和確認后才能進入到系統中;然后，在操作界面中，動畫試驗功能則是在虛擬環境下系統可以采用動畫的形式將學生對硬件的操作與組裝情況進行觀察，該功能的實現需要調用Quest3D中的信道來實現;對硬件組裝用戶在進行虛擬練習的功能中主要通過Quest3D中的setvalue、expressionvalue及userinput節點實現;如果遇到新硬件，系統可將該硬件的參數、圖片添加到系統中，然后將該硬件的數據存儲的模型數據庫內。
(三)故障排除與交互實現
在實際教學應用中，學生在計算機硬件組裝虛擬實驗系統中具體操作的過程中，如果存在誤操作，系統會彈出錯誤提示，如:學生對計算機硬件組裝完成以后，進行模擬開機的時候，彈出開機錯誤，顯示聲卡錯誤、顯卡錯誤或內存條錯誤等信息。該功能也采用樹形結構實現，并且將相應的節點加入其中，可幫助學生快速識別故障位置，任一節點如果安裝不正確，計算機虛擬開機則無法完成，并彈出提示框讓學生對故障進行查找。
四、結語
在計算機組裝學習中，以虛擬的形式將計算機硬件組裝實驗提供給學生，可降低高校計算機硬件投入的成本，同時也能夠降低學生操作的風險，學生的學習興趣也能得到提升。在對計算機硬件組裝虛擬實驗系統進行設計與研究中，本文主要應用了各種數據庫等軟件，與教材內容結合，構建計算機硬件實體3D模型，通過虛擬環境的建立，使學生在計算機硬件組裝中的實際操作能力得到提高，對于計算機硬件課程教學意義深遠。
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