基于VR的开放式计算机网络虚拟实验室探究

关键词：VR；计算机网络；虚拟实验室

中图法分类号：G647 文献标识码：A

1概述

网络虚拟实验室是基于VR虚拟技术所构建的一个网络虚拟教学平台，基本可以理解为将当前的实验室环境进行数字化改建，通过网络平台让学生在虚拟实验室中进行实验，其优势如下。

（1）减少了实验室的建设成本与费用。网络虚拟实验室基于VR技术为学生带来虚拟仿真学习体验，在网络虚拟实验室中不需要使用真实的实验仪器、设备及相关材料，能够通过程序写入的方式制造出现实环境中没有的仪器和设备，也可以通过网络虚拟实验室与其他网络虚拟实验室共享大型科学仪器，以有效避免设备材料的重复购置，同时减少了仪器设备的维护维修费用，节约了实验室的建设成本与维护成本。

（2）实验室不受时间、空间限制。网络虚拟实验室最大的特点在于不受时间和空间的限制，网络虚拟实验室是构建在虚拟网络平台上的实验室，而虚拟网络平台可以搭建在任何有网络的环境中。只要将设定好的数据和环境应用正确的算法进行模拟，就可以打造出所需的实验室环境，不仅保障了实验环境的多样性，也能够随时随地为学生提供实验教学，进而科学培养学生的实践能力。

（3）弥补传统实验教学的不足。网络虚拟实验室与普通实验室不同，在实验环节、场地、设备等方面都可以弥补传统实验室中的不足。其不仅可以打造出平时实验室中无法使用的大型机械设备，也可以给学生创造出各种模拟场景，让学生在实际的模拟场景中进行模拟情境实验，从而更好地培养学生的实践能力，同时可以减少各种危险设备的使用，提高学生实验容错率，为学生参加真实实验打下良好基础。

（4）塑造沉浸式学习体验。开放式网络虚拟实验室，除了能够应用各种先进仪器设备打造高仿真的实验环境，还可以构建多样化的实验场景，如根据学生未来的工作环境打造实验场景，让学生在模拟情境中进行实验，带来沉浸性体验，帮助学生沉浸于实验环境中，以获得良好的实验学习成果，同时可以激发学生的学习兴趣，让实验教学成为一种游戏、剧本，给学生带来新奇的学习体验，从而进一步提高学生的学习自主性和学习积极性。

2基于VR技术的开放式网络实验室建设

2.1系统结构组成

网络虚拟实验室可采用B/S（Browser/Server）模式，以保障虚拟设备能够进行本地或远程访问，在该模式下能够实现用户界面的交互操作功能，同时能够保证多用户同时参与虚拟实验室实验活动。网络虚拟实验室的系统结构主要由数据库流媒体服务器、Web服务器、虚拟实验服务器、实验仪器、防火墙以及多终端设备组成，Web服务器主要用于存放公共实验数据、实验说明等内容，接人Web服务器后能够生成动态网页、虚拟实验服务器，负责进行远程实验仪器控制、实验数据采集、实验数据分析，并将实验数据结果传送到数据库中进行保存，最后回传到客户端，配合动态网页生成实验数据。在此过程中用户只要拥有账户就可以通过网站或浏览器访问Web服务器页面，使用虚拟仿真实验环境以及使用各种实验设备，不需要使用真实的实验仪器和实验设备，即可让多人在同一时间完成实验，参与实验活动。

2.2虚拟实验室功能组成

网络虚拟实验是一个开放性集成式的教学管理系统，其功能强大，主要功能模块如下。（1）用户管理模块。由管理员、教师、学生共同组成，其中管理员负责进行系统维护、设备维护、故障处理、数据更新，教师负责进行实验设计、实验答疑、实验交流、成绩审核，学生负责进行虚拟实验、请求虚拟实验数据库相关数据、调用仪器设备，进行相关实验操作。（2）系统维护功能。一般只有管理员和教师拥有系统维护模块的权限，负责对整个系统进行实时监控，掌握各实验进程，防止恶意占用实验资源，并对实验数据进行备份。同时，教师可以通过系统维护模块进行虚拟实验课程设计、数据录入。（3）实验演示功能。主要用于实验课程演示、理论演示、实验效果演示、扩展知识演示，可通过资源库或网络进行流媒体在线播放，能够让学生根据自己实际情况进行自主学习，达到巩固知识、检验成果的目的。（4）实验指导功能。根据实验课程指导学生进行实验，让学生明晰实验目的、实验内容、实验步骤以及相关实验注意事项。（5）仿真模拟实验功能。根据不同课程需求，登录网站或实验界面之后选择不同的课程进入相应的虚拟实验室中，通过操作鼠标和键盘，控制界面中的虚拟设备并进行连接调试，得出实验结果。（6）实验报告功能。在完成实验活动后，撰写并提交实验报告，为评估实验成绩提供重要依据。（7）成绩分析功能。根据学生的实验操作流程和实验操作结果，自动进行数据采集，给学生提供相应的实验评价分数，帮助学生和教师及时了解当前的教学效果与学习水平。（8）交流功能。主要用于实验开始前、中、后期师生交流与生生交流，交流方式包括文字、音频、视频等。

2.3网络虚拟实验室系统设计

网络虚拟实验室应用了多种先进技术，包括Java技术、VR技术、组件技术、仿真软件、大数据技术等，其中Java技术能够进行语言编程，为用户提供虚拟化网络仪器操作界面：VR技术能够创设虚拟现实情景，描绘三维物体的行为，构建多媒体集成自然逼真的实验场景：组件技术是将各种复杂的软件进行调整，整合成软件单元，目前开放式网络虚拟实验室的技术组件主要包括应用层、逻辑层和数据层；仿真技术能够通过网络构建实验模型：大数據技术能够对实验数据进行分析提取。多种先进技术基于互联网建立的仿真虚拟实验室可以为学生提供沉浸性虚拟实验活动，既能够保障实验室系统的安全性和稳定性，又能够对学生在实验过程中的操作做出及时反馈。网络虚拟实验室系统设计主要包括如下。一是虚拟实验系统结构设计。虚拟实验系统结构主要包括一级界面和二级界面，一级界面能够进入主界面，以学习者的视角进入实验室，了解实验室和实验装置。二级界面能够进行实验操作与探究，包括实验器材操作、实验材料使用，并切换不同视角观察实验过程。二是实验室界面设计。实验室界面设计应考虑实验室的环境搭配，整体布局合理，色彩搭配协调，能够在传达实验信息的同时，给学生带来沉浸性的实验体验。三是实验室交互设计。开放式网络中虚拟实验室包括视频演示、实验操作等多个功能，并设置语音、视频、文字交互模块，在实验过程中用户可进行沟通交流，对实验中存在的问题进行讨论。比如，实验过程中的即时聊天模块，在此模块中学生可通过文字或语音交流实验过程，对实验结果进行对比。同时，可通过留言板模块对学生的实验过程进行留言，教师也可通过留言板提出实验注意事项。

3开放式网络虚拟实验室应用注意事项

3.1加强用户管理

网络虚拟实验室应根据课程内容、学生学习特点为学生提供相应的实验活动，实验活动主要包括个人实验、小组实验、集体实验。网络虚拟实验室应充分保障学生的实验学习需求得到满足，为每个学生分配账号，每个学生在系统中都有唯一的ID号作为出入虚拟实验室的通行证，学生可以为自己的ID号设置密码，在登录实验室界面时，输入ID号即可登录成功并可进行远程实验操作。学生进入虚拟实验室后可根据自己的学习情况、兴趣爱好自主选择实验室进行模拟实验。在此过程中需要对学生的实验室使用情况进行登记、保存，并保留学生的实验数据。基于大数据系统的数据统计与分析功能可对账号信息进行检测，包括账号登录地点、登录频率、登录时长等，杜绝非法访问，保留学生的登录信息，分析学生网页登录情况与实验室使用情况，保障登录安全，避免系统风险，进而为学生提供安全的实验环境。

3.2构建全开放式虚拟实验室

网络虚拟实验室应保持全年全天开放，进入实验室中的用户都能获得实验室的控制权，由用户向Web服务器发送请求，服务器自动协调和处理用户的请求。学生可随时随地进入虚拟实验室中自己动手组织实验，设计实验方案，完成实验并进行实验数据整理与总结。同时，可在相应的实验室中提供实验说明书与实验注意手册，让学生自行观看与学习，帮助学生在实验总结分析的过程中逐渐建立以自我为中心的学习习惯，促进学生获得良好的个性化发展，培养学生的自主学习意识，提高学生的学习能力、学习兴趣。除了面向校内学生开放网络虚拟实验室，也可以向其他学校学生或相关实验爱好者开放网络虚拟实验室，为学生搭建良好的沟通交流平台，促使学生在实验的过程中进行交流学习，帮助学生在思维碰撞中获得良好的发展。

3.3开展专业线上指导与答疑

为督促学生的实验活动顺利完成，为学生提供相应的指导意见与帮助，应组建专业的线上指导与答疑教师团队，一方面可由校内教师组建线上指导团队负责对学生进行指导，带领学生开展实验活动。另一方面可以聘用专业人士或相关行业专家作为线上指导团队，对学生的实验方法、实验过程、实验结论进行指导，让学生获得更多的专业意见和帮助。同时，可以在网络虚拟实验室的交流平台中发表相应的意见或提出实验建议，以增强实验教学的互动性，引导学生以具体的任务为方向展开激烈讨论与实验，建立良好的成果导向教育模式，促进学生在实验的过程中获得良好的学习成果，建立学习信心。

3.4对实验过程及效果进行全过程记录与评价

评价是影响学生学习质量的关键，在开放式网络实验室应用过程中应生成学生个体实验报告，及时反映学生的实验成果和学习水平。（1）通过大数据技术分析整理学生的实验数据，为学生建立三维评价模型，对学生的实验情况进行记录，分析学生的学习水平及进步情况，从而为学生综合成绩评价提供重要的数据支持。（2）对实验过程进行评价，并保留相应的数据信息，为实验方法的改进提供重要依据，如在实验活动结束后，组织学生对实验过程进行评分，根据学生的评分结果以及在课堂交流中的情况对实验方法进行优化，使实验方法、实验过程、实验环境能够更好地适应学生，以满足学生的学习需求。

3.5不断更新实验内容与场景

开放式网络虚拟实验室中的实验内容、实验课程以及实验场景都需要根据学生的学习情况不断更新，让学生对实验活动保持持久的新鲜感，并在实验活动中获得良好的学习成果。因此，应组建专门的教研团队组根据校内实验课程的开展情况不断设计网络虚拟实验室实验课程内容，更新实验课程场景。一方面可以与相关行业的专业人士保持合作，根据行业的实际工作情况与教学内容构建实验场景，使实验场景更加真实，能够在实验过程中培养学生的专业能力与职业素养。另一方面可以与各大高校保持合作，根据各高校的教学资源，更新优化实验场景与实验内容，使现阶段使用的实验资源具有先进性和导向性，进而为学生提供良好的实验学习条件。

3.6加强网络虚拟实验室维护

随着网络虚拟实验室的用户群体不断增加，系统核载量也会持续上升，为保障平台能够实现所有功能，必须在原本的硬件软件基础上进行不断的升级与维护。因此，应基于校园实验室建设实际情况，组建专门的网络虚拟实验室维护团队，及时对网络虚拟实验室的各个基本构件进行升级，以保障系统正常运行。

4结束语

随着当前网络技术的高速发展，开放式网络虚拟实验室不仅拓展了实验教学的时间和空间，也使信息技术与学生的学习实验活动相联系，为学生提供了一种全新的实验方式。但是，虚拟实验只是实验教学的一种辅助手段，并不能完全取代实验的实际操作，应合理开展虚拟实验与实践实验，使虚拟实验室与真实实验室优势互补，满足学生的学习需求，从而达到良好的教学目的。

作者简介：

杨昌庆（1987—），本科，助理實验师，研究方向：计算机技术。