基于虚拟仿真技术的计算机网络与维护实验系统的设计

严萍

（河北医科大学第四医院，河北石家庄，050000）

0 引言

建设一个实体的计算机实验室，不仅造价高昂，而且后续使用中问题诸多，对于我国大部分高校而言，殊非易事。在此背景下，虚拟仿真技术在教育领域发挥着至关重要的作用。虚拟仿真技术通过沉浸式的教学体验，能够提高教育质量，并通过相应地平台实现来自不同地方、不同程度的学生之间的知识共享，特别是在有高技能教师和先进教育服务的地方，有助于提升教学质量和教学效率。

1 系统结构功能分析

1.1 系统硬件结构分析

应用虚拟仿真技术的计算机网络与维护实验系统，模拟真实世界的环境，并允许学生进入虚拟情景以应对实践作业需要。在此过程中，实验系统采用二维(2D)或完全浸入式(3D)界面，通过数据挖掘处理多用户视角，可用作独立的训练工具，让学生了解计算机网络与维护并参与课堂学习活动，可以有效提高学生在计算机网络与维护方面的实践性表现[1]。因此，所设计的计算机网络与维护虚拟实验系统硬件结构分作主控中心平台、智能网络设备和组控设备三个部分。通过与当地企业的合作，把计算机网络与维护仿真教学系统引入到三个硬件设备中，进而搭建起实验所需的网络环境。

1.2 系统软件功能分析

软件架构在计算机网络与维护实验系统中发挥着关键作用，包括管理在线用户请求和性能以提供高质量的学习；建议并响应在线查询，以提高虚拟培训在现实环境中的质量并提高其成功率。为了最大限度地减少用户和团队成员之间的沟通问题，实验系统提供多种课程进行教学和学习，并收集有关学生的专业知识、资格、经验、兴趣和其他因素的数据存储在数据库中，以备将来推荐使用。因此，所设计的系统软件需包含以下功能：

首先，用户登录和管理功能。该功能模块主要用于用户的登录和用户信息的管理。在用户登录功能中，通过用户ID和相应且正确的登录密码可以实现成功登录；在用户管理功能中，实现对用户信息的录入、存储和修改，例如，姓名、专业、班级、学号等。具体模型如图1所示。

图1 用户登录和管理模块模型图

其次，安全与数据管理功能。该功能模块用于管理员对计算机网络与维护实验系统的维护，以及完成计算机网络元器件的定义工作以及设计相关数据、CAD绘图工作、分析工程和检验数据、制定计划以及规则、产品的说明以及关于多媒体文件和其他数据的添加、修正、删除、更新升级等功能。具体模型如图2所示。

图2 安全与数据管理模块模型图

再次，数据检索与统计功能。该功能模块主要提供计算机网络与维护实验系统大数据集合和挖掘功能。由于计算机网络与维护所涉及的教学数据较多，为了让学生进行虚拟实验时有更好地学习实效，数据检索提供了“精准搜索”和“模糊查询”的功能，使得系统数据得到最大利用，优化了学生的素材管理，缩短了资料搜集方面的时间。在此基础上，数据统计应用大数据技术，做好学生训练的数据整理，提供学生更加优势的数据服务。具体模型如图3所示。

图3 数据检索与统计模块模型图

最后，虚拟实验功能。该功能模块是计算机网络与维护实验系统的核心功能，主要使用R（RCoreTeam，2019）文本挖掘库和RStudio工具（RStudioTeam，2019），从语义上分析文本，使用电子学习推荐架构集成，进行基于透视的知识挖掘。在输入数据预处理完成后，挖掘的术语将保存在提议的电子学习推荐系统的存储库中，旨在减少缺乏视图信息用户提供的点以及到数据之间的关系隐藏。为了处理新用户的请求，实验系统从新用户的个人资料和现有用户的偏好中提取信息，以获得正确的推荐，然后识别用户对类似课程和情感的相似反馈，从而对推荐进行识别和排名。

2 系统搭建说明

2.1 系统硬件搭建

信息技术在现代生产生活中有重要作用，因此，高素质的复合型信息技术人才是我国社会主义建设所必须的基础条件之一。专业学习中的三个成果——获得实践经验；使用知识和技能；解决实际问题——只有在实验课程中才能完全实现。特别是在信息类专业中，要培养具有动手能力的复合型人才，必须重视对学生的实验教学。然而，计算机网络与维护过程的模拟往往是一个非常具有挑战性的任务，主要是由于计算机网络与维护高水平的交互性，无论是在功能和直观性方面，交互需要尽可能自然。因此，在搭建实验系统硬件时，应用网络拓扑结构，优化计算机网络实验的组网功能，构建全新的发展模式，并结合同步语音提示功能，促使其实现同步的优化。

从某种角度来看，基于虚拟仿真技术的实验系统是一个需要模拟的互动过程[2]，主要涉及到的相关挑战是，虚拟环境不能像真实环境中的物体那样进行物理约束。这可能会导致不切实际的手部运动，同时伴随着视觉上的干扰情况。作为实验室课程的准备工具，即学生将在实验室课程中进行实验，因此，考虑到上述的挑战，实验系统硬件搭建的创新之处在于：允许缺乏经验的用户创建虚拟仿真环境；允许快速模拟实际维护过程以及评估可替代的技术过程；允许共同创造概念，因为运营商和工程师都在合作评估和改进计算机网络维护过程，允许双方获得隐性知识，从而降低成本。

2.2 系统软件搭建

所设计的系统的能够提取计算机网络与维护信息，并利用这些信息建立约束数据库，然后在运行应用程序时实时部署。为了增加沉浸体验，并为用户提供虚拟世界中的存在感，虚拟反馈被扩展到仅仅是可视化、多模态虚拟环境，具有刺激不同感官的潜力，如视觉和触觉。增加感官反馈可以提高用户的效率和性能，因此，在搭建系统软件时，将教学过程分为实验前阶段、实验阶段和实验后阶段，然后将这些阶段分为五个级别来引入分段。在这种特定的方法中，学生会逐渐通过各个级别，并且在完成当前级别之前不会被授予进入下一级别的权限。例如，将实验设计层面和数据处理层面结合在一个屏幕上，由几个选项卡组成：背景信息；网络协议；实验结果以及计算过程。每个选项卡都可以随时打开，但任何时候都只能打开一个选项卡。如果学生还没有达到所选选项卡的级别，例如，学生想要在制作流程图之前进行计算（数据处理级别）以获得所需的原始数据（实验设计级别），系统将仅指导学生达到他目前的水平。

由于虚拟仿真技术，学生在学习的过程中，结合的将是多媒体而不是单独的文本。多媒体是指文本和动态图形的组合，使用多媒体的学习材料，在图形不完全用于装饰的情况下，可以更长时间地保持学生的注意力，并且可以促进学生的主动学习和深度学习。为了更好的实现实训效果，系统软件通过引入解释性图形来解释数据库中提供的方法背后的原则。解释性图形是使无形现象变得可见和具体的视觉效果。为了支持这些方法的协议，使用了代表性和转换图形。代表性图形将实验室中使用的设备和材料可视化，而转换图形则通过短片将复杂的协议可视化[3]。系统软件让学生自己设计实验，让学生学习相关方法。这些设计原则是虚拟仿真系统的预实验阶段所固有的。通过为学生提供可以添加到工作流画布的方法数据库来应用这些原则，可以制作流程图，提供信息并回答交互式问题，以激发学生积极寻找和处理可用信息。这种设计与在实体实验室课程中仅向学生提供原始数据不同，能够更加有效地帮助学生熟悉和识别与方法对应的输出。