研究与设计网络布线虚拟实验室

高丽

摘 要：综合布线课程是学校楼宇专业比较重要的基础专业课程，但现实教学中存在着实训场地受限、实训设备有限、授课时间不够、实训经费不足、学生操作时有潜在的危险等问题。本文针对中职学校综合布线课程实训的特点及基本原理进行研究，利用计算机的相应功能，设计一套计算机网络虚拟实验系统。设计计算机网络虚拟实验室的目的是解决中职学校综合布线实验操作问题，因此需要了解该课程在中职学校开设的情况，并进行分析，了解需求，这样才能根据实际情况设计虚拟实验室系统，更好地服务教学。

关键词：计算机 网络布线 虚拟实验室

随着国家对中等职业教育的不断重视，中等职业教育处在迅速发展阶段，学校的招生规模不断扩大。招生人数的增多直接导致学校的教学设备严重不足，往往2～3个学生使用一台设备，而教师授课的时间是受限的，这就使得学生的练习时间大大缩短，影响学生对知识的掌握情况。同时，一些昂贵的或者易损的设备数量又是有限的，比如综合布线课程中的光线切割机，一台设备就要数万元，一般一个学校也就一台左右。在此类实验中，往往只能教师演示，或者个别学生操作，大部分学生无法直接参与。这些综合布线传统教学中普遍存在的问题会使教学效果大打折扣。这不得不让我们思考，有什么更好的方式可以避免传统综合布线教学中弊端的出现。

作为一名中等职业学校的老师，从事综合布线课程教学已经多年，在教学过程中，也深受以上限制困扰。综合布线技术作为十分重要的专业知识，学校在智能楼宇自动化专业的能力模块中，要求学生了解综合布线系统的概念及常见材料和器件、布线在国际和国内的最新标准、综合布线的设计实施还有完工后的测试与验收，还要求学生能够完成一个典型综合布线实例。因此从这些问题出发，结合计算机技术，希望以虚拟现实技术来妥善地解决综合布线教学中出现的问题。

一、中职网络布线虚拟实验室系统需求

1.虚拟实验系统不“虚拟”

该网络布线课程虚拟实验系统其实是虚拟和非虚拟相结合的模式，有别于其他虚拟实验室只有虚拟部分，更有利于教学的需要。该系统是由硬件部分和软件部分构成。

（1）虚拟实验室系统硬件方面。

①需要一台能处理大量模拟操作数据的高性能电脑，WebGL基础下的网页编辑对显卡要求较高。

②需要一个计算机房，大约50台电脑，作为虚拟实验室系统操作机房，机房内需一台服务器，用来处理数据。

③网络布线实训室最好和计算机房靠近，这样学生模拟操作结束后就可直接进入实训场地操作。

（2）虚拟实验室系统软件方面。

①需要虚拟仪器及虚拟场景能用于进行网络布线虚拟实验操作。

②需要相应的操作系统软件来完成实验操作。该虚拟实验室由网络综合布线数据分析、总结、存储这些过程组成并将这一系列的过程可视化，可操作。

2.虚拟实验室的场景设计及工具说明

三种实验设计于综合布线虚拟实验室系统中。一种是仿真墙虚拟实验，另一种是现实生活建筑场景虚拟实验，第三种是管理间子系统实验。 主要构建了两个场景，一是两室一厅居室场景，模拟水平子系统实验；另一个是上下两层的垂直解剖场景，模拟垂直子系统实验。

PVC线槽、PVC线管、双绞线、集线器、配线架、电脑、电话模块及面板、管卡等工具，以工具栏的形式出现在综合布线的虚拟设备中。学生只需通过鼠标或键盘直接点击工具栏中的各工具就可以在虚拟场景中灵活地使用，达到实训的目的。

二、本虚拟实验室平台的设计

1.虚拟实验室的优势

作为一名中职综合布线课程的老师，从学生需求和教学角度分析，设计该虚拟实验室能有以下优势。

（1）学生的学习兴趣得到提高。大部分学生都喜欢操作计算机，学生通过灵活地自主操作，充分发挥他们的灵动性，能更多地激发出学生对综合布线这门课程的兴趣。

（2）实训操作中存在的问题能有效地解决。比如受限的场地、有限的设备、过高的费用。通过模拟实训环境，学生犹如置身于实训环境中，对于发现的问题能及时解决，在实训时能避免出现问题，更快更高效地完成实训操作。

（3）学生的创新能力、问题意识、动手能力被有效地激发。相对于枯燥的理论学习，学生们更喜欢通过实训来学习。根据以往的经验，实训课上，即使平时学习较差的学生，也能很投入地进行操作，更别说和计算机相结合来完成综合布线的教学要求。

（4）学校实训经费能有效地节约。传统实训室需要配置较多的设备，利用率不高不说，还存在维护成本高的问题，虚拟实验室恰恰能有效地避免这些问题。它只要利用学校现有的计算机机房，让学生有“身临其境”的感觉。

2.本虚拟实验系统的UI设计

UI即User Interface（用户界面）的简称。通俗地讲就是系统的操作界面，一个好的UI，可以使虚拟实验室变得有特色、有亮点，还能让软件的操作变得方便、灵活。综合布线虚拟实验系统的控制UI设计如下。

该UI包括以下几个部分：菜单栏、工具栏和登录界面。

（1）菜单栏包括：文件、编辑、视图、水平子系统、垂直子系统、工具、帮助七个部分。

（2）工具栏包括：PVC线槽、PVC线管、双绞线、集线器、配线架、电脑、电话模块及面板，管卡。

（3）登录界面包含用户名和密码，主要是对实验者身份的一个认证，便于记录。

虚拟实验系统的操作UI设计：该UI是提供实验者操作的界面，实验者在这个界面完成虚拟实验、在线学习等功能。

3.本虚拟实验过程设计

过去在操作虚拟实验时采用的是以下方式。

（1）通过鼠标或者键盘点击 “进入”虚拟实验室。

（2）在相应的操作界面，通过鼠标或键盘点击、拖动、添加虚拟元件等操作方式来完成实验提出的相应要求。

（3）取得实验成果，完成归纳总结。

本实验系统的优势在于，在完成以上步骤后，还有不“虚拟”的部分，在前面实验的基础上，在综合布线实训室进行操作验证。虚拟实验室和实训室相结合，和一体化工作室相类似。

本虚拟实验过程设计如下。

学生进入—虚拟实验室机房—熟悉实验内容—开始实验—得到实验结果—归纳总结实验—实训设备操作—学生离开。

整个系统以TCP/IP为网络通信协议，采用C/S体系结构，建立了虚拟的实验室系统。利用3DMAX搭建虚拟场景，模拟现实环境，制作工具栏中的虚拟器件。利用C++语言设计前端的实验操作平台，主题框架界面采用SDI单文档结构视图。学生可选择实验场景，并在场景中对虚拟器件进行动态地添加、属性编辑等动作，就可随时随地进行综合布线的相关实验。实验结束后，系统会根据学生的实验操作结果，生成一份实验报告，包括耗材的使用情况；在实验操作过程中，学生操作是否符合流程，行业规范，并产生相应的提示。它所营造的实验环境形象逼真，交互功能强大，尽可能使实验取得真实的效果。

三、虚拟实验室开发的技术难点

本虚拟三维实验室是基于WebGL为基础，采用JavaScript脚本语言开发的系统，这在国内还是首次尝试，没有“前车”可以借鉴，碰到的技术难点包括：如何场景搭建、如何建立三维模型、如何模型设定、如何材质设定、如何摄像机控制、如何场景边界检测、如何绘制不连续线段以及如何搭建UI结构八个方面。

四、小结

任何实践系统都必须经过大量的实践才能不断改进与完善，这样就导致虚拟实验的复杂性逐渐加大。我们要尽可能确保虚拟实验室在系统简单易学易操作的基础上，尽量实现系统的稳定性、可靠性、安全性与兼容性之间的有机平衡，将实验室系统的作用发挥到最大化程度。

（作者单位：杭州第一技师学院）