基于互联网的非接触式虚拟仿真实验室的创建

刘恩芳

（德州职业技术学院 山东省德州市 253034）

随着近年来社会的发展速度不断加快，对于创新应用型人才的需求也在不断加大。基于此背景下，许多高校加大了实验室的投入。计算机虚拟仿真实验是近年来多媒体教育的一个新领域，其不仅具有良好的经济性，并且安全性、便捷性高。所以，虚拟仿真实验的出现弥补了传统实验的不足。学生可以预览和修改实验，提高实验效果。但是，因为实验教学任务繁重，并且实验人才匮乏，所以学生在任何时候都不能满足计划的要求。“互联网+”模式是互联网与传统产业的深度融合，可以促进传统产业转型升级。随着互联网技术的飞速发展，互联网使用已经渗透到社会的各个层面。为了解决虚拟仿真实验室不能满足学生需求和开放性的问题，结合互联网技术和实验室，开发了非接触式虚拟仿真实验室，提高了实验室的利用率。

1 虚拟仿真实验室的概念和特点

虚拟实验室是通过互联网构建的开放式虚拟实验平台，实现各种测量实验的数字化和虚拟化，是在虚拟平台上开发和共享的。与真实实验类似，实验者可以根据实验项目的需要随时模拟使用不同的实验设备。在虚拟实验的过程中，学生可以得到及时的反馈和科学准确的指导，方便相关知识的获取。虚拟实验室具有如下特点：

（1）开放性。通过互联网，用户可以随时随地登录虚拟仿真实验室进行学习、工作和研究，并进行类似的实验和科学研究。

（2）灵活性。在虚拟仿真实验室建设的背景下，应近两选择易于扩展和维护的组件，方便实验者可以根据测试需要对相应的实验模块进行组合和改进。

（3）防干扰。虚拟仿真实验室可以避免实际硬件实验中仪器的日常接触和故障。

（4）交互性。虚拟仿真实验室还可以为用户的实验操作提供反馈信息。实验者能够根据自己的需要设计或定制虚拟设备。

（5）经济性。在虚拟仿真实验室中，虚拟设备可以满足用户重复使用的需要，无磨损、损坏、误差等问题，更好的满足实验教学的需要，节省实验经费，提高工作效率。

（6）安全。对于高风险、高成本和破坏性的实验，用户可以在虚拟仿真实验室中安全地进行。

2 虚拟仿真技术在非接触式实验的应用优势

虚拟仿真实验是利用三维建模软件和虚拟现实软件建立虚拟实验场景和虚拟实验仪器，对真实实验进行模拟或再现，以达到实验目。该实验平台丰富和拓展了现代教育实践的教育理念，具有较强的普及性。根据实验方法，可分为接触实验和非接触式实验。接触实验是指使用工具、设备开展实验。因此，接触式实验往往需要手动进行，效率低，精度受人类经验的影响。因此，在某些情况下，非接触实验的优势是显而易见的，包括实验效率高，不会损伤材料等。

2.1 非接触式虚拟仿真实验的安全性

非接触式实验无需接触材料，可以直接获取实验结果。非接触式虚拟仿真实验室通过利用计算机硬件设备和计算机技术实现信息共享，处理三维图像，用虚拟元件实施实验步骤，模拟现场实验环境。所有实验环节都是由计算机来完成，大大提高了实验的安全性和效率。通过实验前的模拟，使学生熟悉实验步骤，有效保护实验设备和人身安全。此外，在复杂实验环境中进行非接触式虚拟仿真实验，可以模拟这些复杂的环境，设置环境参数来模拟实际的环境条件，并进行更精确的实验。另外，非接触式虚拟仿真实验还可以设置环境条件和实验条件，寻求最佳的实验环境，提高实验精准度。

2.2 理论与实践多元化能力培养

当前社会对于应用型人才的需求在不断增加，培养专业知识理论扎实、实践能力较强的应用型人才已经成为教育目标之一。构建非接触式虚拟仿真实验能够满足理论和实践的需要，培养学生的创新能力。根据学生的学习能力和任务，教学任务也有所不同。安排各种实验任务，确保不同学生能够满足不同作业的要求。非接触式的虚拟仿真实验也考验了计算机软件的可操作性。

2.3 强化基础知识概念

高校课堂教学一般采用信息化教学，多媒体设备是主要的硬件设备。教师利用多媒体帮助学生从多个角度理解知识的概念。非接触式虚拟仿真模拟实验过程中，可以观察数据的变化和数据处理的过程。因此，非接触式虚拟仿真实验可以直接反映实验过程，提高学生对基本概念的理解。非接触式仿真技术在实验中的应用，提高了实验教学的灵活性，为进一步支持实验教育奠定了良好的基础。非接触式虚拟仿真实验结果的处理为其他学习奠定了基础。

3 虚拟仿真实验室存在的问题

3.1 与传统实验室结合不充分

虚拟仿真实验室在当前主要开展一些传统实验室无法开展的试验项目，实验室的占用率并不高。但是，虚拟仿真实验室中的实验方案也包含了许多的传统实验室，如果学生可以通过虚拟仿真实验室开展课前学习的话，能够帮助学生提升实践能力和学习效果。同时，学生还可以在虚拟仿真实验室中开展一些设计实验，提升创新能力与实验经验。

3.2 学生与教师交流受限

在虚拟仿真实验过程中，学生必须学习实验原理，观看实验操作视频。然而，由于学生自主学习能力的差异，一些学生可能不理解实验原理和过程，需要老师的帮助。目前，虚拟仿真软件还没有建立起与教师交流的平台，只能依靠实验室教师的指导。因此，无法保证学生在实验过程中能及时得到老师的指导。此外，仿真软件只记录数据表，没有创建和提交电子实验报告的窗口，导致学生在实验结束后仅能提高纸质的实验报告。

3.3 资源难以得到合理利用

缺乏实验室的在线预约机制，在某个时候没有人，但在某个时候会有很多人需要实验室。这种传统管理模式无法帮助学生随时了解实验室使用情况，从而提前做好准备工作，导致实验室资源被浪费，未能得到充分利用。学生进入实验室之后，仅经过纸质登记并随机选择实验室。这也导致教师与管理者无法及时了解实验情况，难以有效控制和控制学生的实验状态。

4 非接触式虚拟仿真实验室构建思路

根据教学实践中使用的技术手段，开展针对性的数字化操作，创建虚拟仿真实验室。这一过程要求使用计算机仿真软件建立与理论假设一致的数学模型。基于仿真技术的非接触式虚拟仿真实验室具有以下三个特点：

（1）云特性。网络技术与移动通信技术的结合，可以形成现代远程教育等先进的教学方法和理念。

（2）扩展性。虚拟仿真软件可以根据不同的教学条件和设备进行修改。

（3）开放性。由于虚拟空间和虚拟界面是通过仿真技术建立的，因此实验活动可以通过一个公共平台向多台计算机开放。

非接触式虚拟仿真实验室的建设应遵循五个原则：

（1）具有较强的实用性和特色，具体设计教学项目，总结层次结构和运行模式，体现教学科研特点，尊重传统教学理念。

（2）它必须非常安全。在数据层，可以自动备份相关虚拟文件、培训信息等数据信息，并在实验运行过程中保护或重启实验模块。

（3）标准化建设，突破教育信息化的障碍。教学的各个方面都可以实现无障碍的信息共享和数据融合，这有利于扩大教育平台。因此，项目配置必须科学化、规范化。数字教育需要随时随地进行。应该创建划分章节和教育模块，从而减少模块和项目配置中的冗余。

（4）实现资源整合与共享。根据不同专业的实验需求，实验项目与虚拟仪器相结合，以满足不同学校、不同专业和外部网络的需求。

（5）实现交互性。为了确保学生在非接触式虚拟仿真实验室中拥有实际体验感，激发学生的学习兴趣，可以建立小组合作、游戏操作、创新性实验教学等多种互动式实验教学方法，建立丰富的师生沟通渠道，形成有趣的教学形式。

5 基于互联网的非接触式虚拟仿真实验室构建

5.1 虚拟平台搭建

非接触式虚拟仿真实验室由计算机硬件、三维建模软件和数据处理软件组成。虚拟仿真软件的设计选择了非接触式实验仪器的类型和参数，并对实验数据进行了采集和处理。根据数据处理结果，将理论模型与建立的理论模型进行了比较，得出了理论模型的误差。图1显示了非接触虚拟仿真研究的过程。其中，登录平台可以更好地捕捉学生的实验数据，并为实验过程提供提示。最终的误差模型可以用来补偿误差，虚拟仿真研究可以减小实验误差。

图1：虚拟仿真实验操作流程图

5.2 用户角色分配及权限

非接触式虚拟仿真实验室智能管理系统的用户主要包括实验管理员、教师、学生等。不同的角色拥有不同的登录界面和权限。实验室工作人员负责虚拟仿真实验室的运行和日常管理，并且还负责管理仿真实验室设备和发布实验室信息、批准协议等，负责管理所有师生信息，所以实验室管理人员的权限最高。而在非接触式虚拟仿真实验室中，教师也不需要一直呆在实验室中，通过软件能够了解学生的实验状态，并且组织实验内容、控制学生的实验进度，甚至还可以通过聊天窗口对学生进行指导。学生在登录后，则可以查看实验室的使用情况，并预约实验室，避免时间冲突。而学生在实验过程中还可以通过聊天窗口向教师在线咨询。结束实验之后，学生在专门的窗口加载实验报告，输入相应的实验信息并发送数据处理。最后，教师还可以对实验进行评价，帮助学生及时修改。

5.3 智能硬件系统

为了保证非接触式虚拟仿真实验室的正常运行，实验室中需要安装智能门禁系统、设备电源控制系统和摄像头、窗帘控制系统、照明控制系统等硬件设备。如图2所示为管理系统组成。通过Wi-Fi将这些智能硬件设备连接到服务器，可以掌握设备状态，并根据用户应用程序的指示发出适当的执行命令。收到指令后，必须及时评估智能设备，实现设备的智能化控制。门禁系统位于门禁系统的面部识别窗口中。如果预约人员站在门禁系统的面部识别伤口处，系统可以比较上传到学生预约服务器的照片。如果对比正，服务器将发出一条语句以启用访问控制。照明和窗帘系统配备智能控制节点。当学生们进来时，实验者指示设备打开窗帘和灯光，风光与窗帘自动打开。当学生进入实验室之后，设备电源系统自动开启，最后在学生结束实验之后再次发送电源关闭命令，实现节约能源、规范化实验过程的目的。通过摄像头可以随时查看实验室的状态，判断学生的实验状态，还可以记录其视频，具有视频存储功能，避免实验室发生异常获仪器损坏而无法找到责任人的情况。

图2：非接触式虚拟仿真实验室管理系统

5.4 智能软件系统

5.4.1 预约管理

非接触式虚拟仿真实验开展需要实验人员提前在手机安装的应用软件上预约。学生必须先登记，输入姓名、班级和学号。系统批准后，学生在预约界面预约实验室，预约信息包括使用起止时间、实验室预约、实验名称预约等，但是学生只能预约虚拟仿真实验室当天和次日的时间。虚拟仿真实验室的所有信息都会发送给服务器，并由服务器进行保存。学生可以在特定时刻观看，避免在时间和空间上与他人发生冲突。实验室工作人员和教师可以在用户界面中点击日历查询，查看学生预约、当前主要实验室发展情况等。如果发生特殊情况需要关闭实验室，管理人员会及时推送公告。

5.4.2 实验室管理

非接触式虚拟仿真实验室的智能控制系统将实验人员从繁琐工作中解放出来，不再需要开关门、操作仪器设备等。实验管理人员通过APP界面可以了解学生的预约申请，并进行批准、拒绝等操作。同时还可以通过摄像头随时随地监控实验室的状况，确保实验室的安全。实验可以看到接口上的所有设备都在工作。如果某项程序未正确打开，应用程序支持将显示为红色，以提醒实验进行检查。

5.5 结果提交与评价

在传统的模拟实验中，学生在结束实验之后将会编写并提交文件和报告，这不利于教师了解学生的实验结果并及时做出评估。而非接触式虚拟仿真实验室可以在实验结束之后，通过智能管理系统中增加编写和报告实验的窗口。完成实验后，学生在系统中选择完成并提交电子实验报告。教师应及时评估学生的实验结果和数据处理，而学生也可以快速意识到自己的缺点，并恢复实验。在时间不充足的情况下，学生也可以申请延长使用时间。所以，非接触式虚拟仿真实验室可以有效的弥补传统实验早期评价和反馈存在的不足，有助于培养学生的探索精神和创新精神。

6 实验室运行与管理支撑平台

非接触式虚拟仿真实验室主要由虚拟仿真实验室、管理系统、人员等组成，而其运行则是基于支撑平台决定。虚拟学习模拟中心有多个门户模块，主要包括建设检查、中心团队、网站信息服务、管理体系、建设理念、中心资源等新闻信息中心，具有一定的兼容性。门户网站主要用于共享虚拟仿真实验室的相关信息，使师生能够对非接触式虚拟仿真实验室的设计和应用进行更全面的研究。系统实现了分级用户管理，可以定义不同的角色，也就是实验室管理人员、教师、学生。不同的用户有着不同的权限，能够保障虚拟仿真实验室的安全。从组织保障、制度保障、管理标准和运行机制等方面设计了非接触式虚拟仿真实验室的管理体系。劳动人才队伍由多学科、多专业教师组成，形成多样化的教学、研究团队，促进实验室的可持续发展。

7 非接触式虚拟仿真实验室的构建途径

7.1 要以虚实为辅，增强实际操作能力

在非接触式虚拟仿真实验过程中，实验人员没有实际操作感和触觉，失去了传统实验室的体验感。因此，实验者会产生一定怀疑，并且不利于实验者建立信息。为了将非接触式虚拟仿真实验室结合传统实验，可以充分利用数字仿真技术，虚实结合，虚实互补。在非接触式虚拟仿真实验室时，可以考虑这一原则。同时，非接触式虚拟仿真实验的设计应考虑实时性、多样性和广泛的应用性。对于范围广泛的实验教学资源，特别是获奖课程可以有针对性、广泛开放和推广，因为数字子平台的建设不受时间和空间的限制。为了保证丰富的服务功能，进一步完善各种实验手段的全方位虚拟仿真实验，各种虚拟仿真实验和手段可以通过自主研发、合作引进等方式来实施。实验教材应根据现有课程及时更新。虚拟教育中的一些实验教学活动需要通过先进的教学方法和工具加以完善。

7.2 进一步开展项目实践

一是设立创新学分、学科竞赛基金和学生自主创新创业基地，调动学生实验积极性，保留3D打印、虚拟设计等各类科研探索项目，更新各类教学资源。二是为了提高学生理论联系实际的能力，达到举一反三的效果，还可以促进教育对象进行自主科研创新，进行虚拟实验教育创新，允许学生和学生组成的学习小组自主选择教育学科主导的研究课题，提高不同学生的学习能力。三是利用先进的仿真设备等资源，引导学生参与科研活动，引导学生建立自己的社区组织。

7.3 共享开放

为了创建实时更新的教材和非常开放的高等教育资源交换机制，虚拟仿真实验室必须向大学和社会开放。为了提高设备和人员的利用率，虚拟仿真中心可以统一分配所有实验室资源。为了使有限资源的价值最大化，还可以使用先进的网络管理工具和完善的管理机制来优化财务、物资和人力资源。通过开放实验内容、空间和时间，可以为学生创造相对宽松的条件，提高实验效果。

8 总结

综上所述，随着互联网的飞速发展，虚拟仿真技术在高效便捷、开放应用方面得到了更好的发展。虚拟实验室作为学习平台，学习者可以通过计算机模拟、模型、动画、视频等来创建互动内容，无需开展真正的实验。并且虚拟仿真实验室相较于传统实验室来说，能够提高实验教学的安全性，避免发生意外。虚拟仿真实验室是科学技术与教育相结合的产物。它的出现旨在解决少数实验设备和局部教学限制的影响。“互联网+”是指互联网作为创新2.0推动下由互联网发展的新业态，也是一种新的经济和社会发展形式。由于互联网与传统产业的有机联系，迸发出更多的活力。基于互联网的非接触式虚拟仿真实验室打破了传统实验室的局限，为教学要求创造了更好的条件，解决了一些实验矛盾，促进了实验质量的不断提高。