交互式虚拟实验室管理系统设计应用分析

曹剑文

摘 要：针对传统的实验教学所暴露的问题，文章设计了一种交互式虚拟实验室管理系统，介绍其系统功能，重点分析了其开发平台，以及虚拟实现技术在虚拟实验室管理系统中的设计应用，对于进一步提高虚拟现实技术在虚拟实验教学管理系统中的应用具有较好的指导意义。

关键词：交互式；虚拟实验室；管理系统

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）29-0007-02

随着我国高等教育逐渐由精英式教育转向大众式教育，高校的招生规模急剧膨胀，导致很多高校出现了师生比严重不足的现象，由此带来的严重问题是很多实践课程无法开设，主要原因是由于老师人手不足，导致动手实践实验课程无法开设，很多实验课程都是走马观花式的演示性教学，严重影响了教学效果。随着计算机网络通信技术的发展和电子信息技术的发展，一种基于虚拟现实技术的实验室教学系统逐渐得到了广泛的研究。本研究课题主要设计了一种交互式虚拟实验室管理系统，将传统的实验教学转为基于计算机网络实现的虚拟实验教学。这将极大地降低教师的教学工作压力和工作量，有助于推动虚拟现实技术的发展和应用。

1 系统功能设计

交互式虚拟实验室管理系统是一种基于计算机网络通信实现的虚拟现实管理技术，融合了计算机、电子通信、测试技术、网络通信、虚拟建模等技术，是一种新兴的实验室管理系统。结合具体的设计方案来说，交互式虚拟实验室管理系统主要实现的功能有以下几类。

1.1 实验室设备管理

传统的实验教学是依托实验设备进行教学的，在实验教学过程中必然要对实验设备进行管理；同样，基于虚拟现实技术实现的交互式虚拟实验室管理系统，也要对实验设备进行管理。实验设备的管理主要体现在对实验设备的工作状态、工作参数进行实时监测与管理，实验设备的维护管理以及对实验设备的故障诊断管理。

1.2 实验室门禁管理

实验室门禁管理主要是指依托虚拟门禁识别技术，实现对整个实验室的进出权限分类管理，这里既包括不同权限的人可以出入不同的实验室，也包括不同时间对不同的实验室进行统一的门禁管理。对实验室实施门禁管理是实现虚拟实验管理的一个重要方面。

1.3 实验室耗材管理

一方面，利用数据库技术实现对实验耗材的动态跟踪记录，确保整个虚拟实验教学过程的顺利实施；另一方面，通过对实验室耗材的管理也能够提高学生在进行虚拟实验教学过程中对耗材的高效利用。

1.4 实验过程管理

作为虚拟实验教学的最为重要的一个方面，就是对虚拟实验过程进行管理。学生利用专门开发的虚拟过程控制软件进行实验教学，就好像身临其境处于真实的实验室中在做实验一样，具有很强的真实性和客观性，因此，如何利用虚拟现实技术加强对实验过程的管理，是交互式实现实验室管理系统的一个重要功能。

2 交互式虚拟实验室管理的设计应用

2.1 系统设计平台

2.1.1 开发平台

目前对于基于WEB的大型分布式网络应用软件管理系统的开发，开发平台主要是MS.NET平台，在此平台上很多组件开发已经很成熟了，因此，考虑到本管理系统的开发成本，开发平台选用.NET平台。

.NET是唯一从一开始就是为XML Web服务创建的开发环境，通过允许应用程序通过Internet沟通和共享数据，XML Web服务使业务能够从Internet转换为用于集成和传送它们的核心商业价值的真正平台。.NET为XML Web服务提供简单、灵活、基于标准的模型，允许开发人员从新的和现有的代码汇编应用程序，而与平台、编程语言或对象模型无关。

2.1.2 开发语言的选择

这里考虑到选用的平台是.NET平台，而在该平台上C#.net语言具有很大的开发灵活性和兼容性，因此，该系统的开发语言选用C#语言。

C#编程语言是由微软公司的Anders Hejlsberg和Scott Willamette领导的开发小组专门为.NET平台设计的语言，它可以使程序员移植到.NET上。这种移植对于广大程序员来说是比较容易的，因为C#从C，C++和Java发展而来，它采用了这三种语言最优秀的特点，并加入了它自己的特性。C#是事件的驱动的，完全面向对象的可视化编程语言，我们可以使用集成开发环境来编写C#程序。

2.1.3 关系数据库的选择

本研究课题根据从数据库的简单易用性、功能完善性、性能稳定和成本等方面进行考虑，最后选择了SQL Server数据库作为系统的数据库平台，其理由主要是：

①性能价格比高。

②易于安装、使用和管理。

③可伸缩性和可用性，因此使用起来非常方便。

④高性能设计，可充分利用WindowsNT的优势。

⑤系统管理先进，支持Windows图形化管理工具，支持本地和远程的系统管理和配置。

⑥支持对称多处理器结构、存储过程、ODBC，并具有自主的SQL语言。SQL Server以其内置的数据复制功能、强大的管理工具、与Internet的紧密集成和开放的系统结构为广大的用户、开发人员和系统集成商提供了一个出众的数据库平台。

2.2 虚拟实现技术应用

要实现虚拟实验过程和虚拟实验室管理，必须借助于三维建模和虚拟重建技术。为此，要按以下步骤实时虚拟实现技术在虚拟实验室管理系统中的应用。

2.2.1 三维建模

借助于Solid Works三维建模软件对虚拟实验室管理系统中所涉及到的各个对象进行建模，包括实验设备，实验仪器，实验耗材，甚至到实验室的黑板、灯、桌椅等都要进行建模，以增强虚拟实验教学的真实感。

2.2.2 场景重建

利用场景组态软件将之前构建的三维模型进行场景布置，从而重建出与真实实验室完全一致的实验场景，这有利于提高学生在进行虚拟实验教学过程中的身临其境感，也从侧面提高了整个虚拟实验室管理系统的管理直观性。

2.2.3 数据采集与通信

利用底层传感器实现对被测对象数据的采集，并经过数据整理、滤波等操作，将数据传入到虚拟实验室管理系统的中心数据库进行存储；另一方面，当虚拟实验教学过程中需要用到这些参数时，再利用数据库访问技术对这些数据进行实时通信和访问，从而实现对数据的虚拟化采集与访问。

2.2.4 虚拟现实的响应

在整个虚拟实验室管理系统中，基于虚拟操作实现的响应，必须依托VRML技术，这是一种在网络中面向虚拟技术的工具，通过对VRML的编程开发，能够实现系统和数据库、因特网、虚拟现实动作响应自定义等功能，因而能够实现虚拟技术对现实操作的响应。

3 结 语

随着虚拟现实技术的发展和应用，其应用于虚拟实验教学也呈现出广阔的应用前景。基于虚拟现实技术实现的虚拟实验室管理系统正在逐渐被广大高校师生所认可，它能够极大的降低传统实验室教学所带来的压力，同时由于该虚拟实现技术是基于计算机系统实现的，因此很容易就能够实现人手一机，对于进一步提高实验教学效果具有非常积极的意义。本研究课题主要从交互式虚拟实验室管理系统的功能入手，详细设计了其开发平台与虚拟实现技术的应用，对于虚拟实现技术在虚拟实验教学系统中的应用具有较好的指导借鉴意义。

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