一种基于虚拟现实的计算机实验室管理模式研究

曹利

摘 要：计算机是一门实践性很强的课程，实验教学也是学生教育的重要环节，因此许多高职院校都成立了专业的计算机实验室，能够实现计算机网络、系统组成原理、操作系统等多门课程实验教学。由于计算机实验室设备多，使用对象也比较复杂，因此传统的人工管理模式已经不适用，文章在计算机实验室管理中引入虚拟现实技术，实现硬件设备的3D建模，将所有的设备、人员信息录入到系统中，该系统不仅能够通过电脑登录，还可以通过智能手機登录，实现实验室设备、人员、课程等信息加工和处理，具有重要的作用和意义。

关键词：虚拟现实；实验室；人机交互；3D建模

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）07-0132-03

Abstract： The computer is a very practical course， and the experiment teaching is an important link of the education of students in higher vocational colleges， so many higher vocational schoolshave set up a professional computer lab， computer network system， whichcan realize the principle， operating system and other experimental courses teaching. Because the computer laboratory equipmentis so many and the use of the object is so complex that the traditional manual management mode is not suitable.This paper introduced the virtual reality technology in computer lab management， and implemented 3D model of hardware， which can input all the equipment， personnel information into the system，and the system can not only login through the computer， but also login through the intelligent mobile phone，processing the information of laboratory equipment， personnel and courses， and it plays an important role and significance.

Keywords： virtual reality； laboratory； human-computer interaction； 3D modeling

一、概述

实验教学作为高职院校的一项重要工作，其可以有力支撑理论教学，培养实践型、创新型和应用型人才。计算机实验室作为实验教学的重要场所，其拥有的设备不仅包括显示器、键盘、鼠标、主机、服务器、交换机、路由器等，同时还包括各类型的教学辅助设备，比如液晶电视墙、电脑桌、电脑椅等，这些设备数量多、种类复杂，使用对象也很多，管理起来非常复杂和困难[1]。计算机实验室作为实践型人才的培养场所，其不仅是现代化信息技术的重要体现，同时还渗透了许多先进的管理方法和理念，促进了实验室管理手段的不断丰富和变革。

本文为了提高计算机实验室管理的效率，构建一个开放的、共享的、自动的实验室管理系统，引入了虚拟现实技术，该技术能够利用3D建模、人机交互、机器学习、云计算等建立一个并发性的管理系统，录入计算机设备信息，实时统计实验室的使用人数、时间、设备运行状态等。

二、虚拟现实技术

虚拟现实是一种集成多媒体、人机交互、设备建模的信息技术，能够实现计算机机器学习、模式识别、图像处理，是计算机发展到一定阶段的高科技产物。虚拟现实能够实时跟踪用户手势，感知用户的逻辑业务操作，然后生成一个虚拟的、沉浸的操作环境，整合多种信息技术，将其输出到视频显示器中，同时可以配合语音输出到播放器，具有重要的作用。目前，虚拟现实技术经过多年的发展，已经在很多领域得到普及，比如可以应用到古迹文物保护、工业制造装配、娱乐游戏、旅游展览、飞行训练，形成了一个强大的科研教学、工业设计、精工制造平台[2]。我国作为一个强大的历史古国，文化古迹众多，利用虚拟现实可以实现对文化古迹的复原，把数字化的虚拟影像提供给参观者，不仅可以使其清晰地看到文字解说，同时还可以重构古迹文物。工业制造装配流程复杂，如果采用传统的模式将会耗费巨大的人力物力资源，因此可以利用虚拟现实提供辅助信息，预先装配一个产品，查看是否存在运行故障，这样就可以实现工业制造的装配操作。虚拟现实可以让位于不同地点的玩家进入到一个仿真的环境中，以虚拟替身为操作对象，实现对网络游戏的操作。

三、基于虚拟现实的计算机实验室管理模式研究

（一）计算机实验室管理需求分析

计算机实验室管理的设备非常多，使用的学生和教师分布于不同的院系、年级，因此管理起来非常复杂，本文针对计算机实验室管理人员、使用人员进行调研，导出了计算机实验室的逻辑业务需求，将其划分为四个关键功能，分别是系统管理功能、教学服务管理功能、签到打卡管理功能、设备管理功能，详细描述如下：

1. 系统管理功能

系统管理主要完成用户对象、设备对象等基础数据管理，同时可以完成系统使用权限的设置、赋予功能。系统用户管理可以为用户分配密码、录入个人信息，分配账户的角色权限，保障系统用户的合法性和和合规性。比如，当系统新添加一个用户时，可以录入该用户的姓名、编号、性别、年级、院系，设置这个用户的角色，选择教师、学生、管理员等；如果一个账户不再使用，可以及时地删除该用户信息，避免账户滥用，保障账户的安全性。

2. 设备管理功能

计算机实验室中的设备很多，包括计算机组成设备、教学辅助设备，这些设备在使用过程中，由于设备自身制造固有的原因，使用一段时间之后就会产生问题，需要维护或更换，因此设备管理需要满足添加、删除、修改、查询功能，同时还要让用户能够申请使用设备，记录设备的维护次数，保证设备处于正常使用状态。

3. 教学服务管理功能

计算机实验室最为关键的功能就是教学服务，以便提高学生的实践能力、创新能力，具有重要的作用和意义。教学服务管理功能可以上传、审批学生的实验报告，实验报告是学生根据实践操作结果体会撰写的文件，能够总结计算机实践操作。学生上传实验报告之后，教师就可以批阅实验报告，同时也可以帮助学生预约实验室，保障实验室的科学利用，优化学生的资源配置，具有重要的作用和意义。

4. 签到打卡管理功能

计算机实验室的适用对象多为教师和学生，学生人数非常多，为了提高计算机实验室管理效率，实验室管理引入了签到打卡管理，签到打卡可以利用指纹记录上课学生，同时也可以针对学生进行统计分析，实时监控学生的出勤率，保证学生均可以参与实践训练。

（二）虚拟现实在计算机实验室管理中的应用

计算机实验室管理引入虚拟现实技术，充分地利用先进的云计算、多媒体、人工智能技术实现实验室人员、设备精细化管理。计算机实验室管理采用虚拟现实技术，该技术引入云计算技术，能够实现信息的分布式存储，可以描述不同运算规则之间的数据交换[3]。实验室管理系统允许应用程序之间共享数据资源，分散了代码单元操作，能够利用XML等技术实现企业数据交换，实现一个跨平台、跨操作、跨语言的应用软件。虚拟现实技术秉承着软件就是服务的原则，顺应计算机软件开发的潮流，引入了先进的分布式计算、透明化存储技术，进一步改进了软件资源共享处理能力[4]。计算机实验室管理系统架构设计如图1所示。

虚拟现实最为关键的技術就是渲染环境、手势交互[4]。渲染环境可以利用计算机软件生成，这些软件可以构建多种对象，比如在网络教学中的实验室现场环境，可以生成路由器、交换机、服务器、网线、终端等。手势交互就是识别用户的动作，目前常见的手势交互技术包括图像处理、特征识别，这样就可以在自然环境下根据用户需求生成一个对象，取代了传统电脑的鼠标操作，更好地模拟自然环境，创建一种沉浸感[5]。虚拟现实是一个能够提供高并发、易扩展、高可用的分布式搜索引擎，能够为系统提供一个易于查询和共享的接口，成为了一种电信级大数据解决方案的关键工具。虚拟现实应用特性包括多租户支持、分布式、高可用性、全文搜索和索引机制。虚拟现实提供了一个单一架构和服务的数据中心，为用户提供定制化服务，可以支持多个索引间的数据隔离，从底层支持多用户技术。如果多个节点处于同一个网段下，可以设置相同的集群名称，组成一个分布式的集群，设计一个良好的横向扩展模式。虚拟现实采用无中心化的集群设计模式，集群中的中央节点发生故障之后，虚拟现实能够遴选出一个新的节点，将这个新的中央节点进行分片，实现数据迁移操作，保证用户数据的安全访问。虚拟现实引入了索引、索引类型、Mapping和数据类型，具有关系型数据库的优势，但是丰富和扩展了许多功能，并且利用索引机制实现异构数据的存储，具有重要的作用和意义。

基于虚拟现实的计算机实验室管理系统采用先进的云计算、MapReduce、Hadoop等技术，能够实现数据采集抽取、清洗转换、加载存储、提供应用，能够实现数据可视化显示、标准化体系建设，实现信息加工和服务。数据采集抽取功能可以从组网设备、操作系统设备等一系列软硬件系统中获取数据资源，将这些信息保存到数据仓库。清洗转换可以针对采集到的实验室管理数据进行分析，利用归一化方法实现数据的清洗转换，删除许多的噪声数据或无用数据。加载存储由两个关键程序组成，数据中心设计和建设完成之后，可以将数据装载到中心存储器，数据加载存储需要大量的时间进行装载操作，能够为用户提供一个强大的数据加载引擎，按照变动的操作实现信息加工。实验管理系统为用户提供一个报表撰写、存储加工、分析应用和直接查询的操作，将这些操作通过后台进行分析，具体的实验室管理数据应用包括三个非常关键的环节，首先实验室管理数据需要以维度的模式展现出来，实现信息加工、存储和访问；其次，实验室管理数据中心需要涵盖原子数据，利用原子数据构建强大的操作。

3D建模是本文提出系统的一个重要功能。3D建模能够利用特征提取、模式匹配等关键技术，为计算机实验室的每一个设备提供3D模型，用户可以通过该模型查看相关的信息运行情况。3D建模过程中，首先就是利用机器学习技术实现特征提取，发现设备的关键特征，特征提取完毕之后，图像识别就可以将这些特征与模式库中保存的信息进行匹配，匹配也是模式搜索、对比的过程。图像识别可以设置一个模式匹配操作阈值，比如可以利用相似度作为度量，然后设置一个阈值，阈值设置完毕之后就可以进行对比，如果相似度超过规定阈值，则判定模式匹配成功。目前，模式匹配最常用的算法为BM算法，这个算法是精确字符串匹配算法的改进，引入了模糊匹配的关键功能，能够从右向左进行数据比较，同时利用了启发式的比较规则，也即是坏字符规则和好后缀规则，来决定向右跳跃的距离。BM算法实现模式匹配速度快，并发性好，更加适用于当前的不动产登记系统，具有重要的作用。模式匹配成功之后，图像识别能将机器语言转换为人们的自然语言，这样就可以使用语义分析技术，将识别的结果提供给人们，帮助人们进行决策，比如下达下一步操作指令等。语义分析过程中，系统需要审查识别出来的每一个字符，针对字符进行编译，编译可以按照系统规定的运算实现逻辑处理，翻译为自然语言，实现人机交互。

四、结束语

计算机实验室管理采用人工模式、半自动化模式已经较为落后，因此可以引入虚拟现实技术，将实验室中的设备进行建模，构建一个虚拟的实验室，实现信息交互和管理。基于虚拟现实的计算机实验室管理系统可以有效解决当前管理模式中存在的问题，提高了设备的可维护性，进一步提高系统的开放性、共享性和自动化，实现计算机实验室管理的智能化，利用现代化的计算机信息技术提高实验室工作效率及管理水平。

参考文献：

[1]王梅亮，任清褒.基于游戏模式的计算机组装与维护虚拟仿真实验室建设探究[J].丽水学院学报，2015，37（5）：123-128.

[2]张伟方.基于虚拟现实技术的计算机虚拟组装实验室的建模[J]. 数字技术与应用，2017（10）.

[3]蔡华.基于Virtools的虚拟现实仿真实验室构建研究[J].沙洲职业工学院学报，2016，19（4）.

[4]蔡卫国，陆栋，李秀辰，等.机械工程虚拟实验室及其教学管理平台的研究与构建[J].实验室科学，2015，18（3）：55-58.

[5]刘尚辉，娄岩，刘佳，等.基于医学教学的虚拟实验室建设与应用[J].中国医学教育技术，2015，29（6）：639-641.

[6]陈锦锡，童大鹏.虚拟现实技术在高职院校船机电专业教学中的应用研究[J].高教学刊，2015（18）：164-165+16.

[7]孙毅超，王艺璇，朱绍瑞，等.虚拟现实技术在教育领域的发展与困境[J].高教学刊，2017（04）：193-194.