計算機網絡虛擬實驗室的構建及應用

摘要：在計算機軟件的發展過程中，一種虛擬實驗技術得到快速發展，并且通過網絡廣泛傳播。WEB是現代教育網絡傳播的一個基本依托，構建基于WEB的虛擬實驗室可以解決遠程教育中的技術問題。介紹了虛擬實驗室的基本特點及其體系結構，探討虛擬實驗室開發過程當中應注意的幾個問題。

關鍵詞：計算機軟件；虛擬實驗；現代教育技術

迅猛發展的計算機軟件技術，把現代教育技術的虛擬實驗引入到了實驗的教學中，改變了傳統的教育模式，使得教與學方式發生了革命性的變化。現在，新開發的計算機虛擬實驗軟件不斷翻新，通過網絡虛擬實驗室，能夠在計算機網絡中模擬實驗現象，它不僅僅能夠提高實驗教學效果，更加重要的是對一些缺乏實驗條件的學生，通過網絡同樣能夠身臨其境地進行實驗學習，甚至和異地的學生合作進行實驗。

一、 什么是虛擬技術

虛擬技術又叫做虛擬現實技術（Virtual Reality Technology），該技術融合了傳感技術、計算機圖形學、人機接口技術、心理學、工程學及人工智能的綜合技術。它利用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、嗅覺等各種感覺，使用戶通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。簡單地說，虛擬技術就是用計算機創造現實世界。

二、 虛擬技術的基本特征

虛擬技術的主要特征有以下幾方面：

1. 多感知性(Multi-Sensory)。所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，目前虛擬技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。

2. 浸沒感(Immersion)。浸沒感又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。

3. 交互性(Interactivity)。指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。

4. 構想性(Imagination)。強調虛擬技術應具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

一般來說，一個完整的虛擬系統由虛擬環境、以高性能計算機為核心的處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。

三、虛擬實驗室的體系結構

虛擬實驗室可以使得處于不同位置的學習者同時對一個實驗項目進行實驗操作。和其他領域相同的是，實驗工具和技術是獨立于各自領域的，不同之處在于虛擬實驗室中操縱的并不是真實存在的儀器和設備，而只是以軟件仿真來模擬已經存在和使用的設備。虛擬實驗室要求實驗的參與者共享實驗環境和實驗規則，這種要求使得它易于在WEB上得以實現。

WEB為虛擬實驗室的實現提供了一種基礎平臺，基于WEB的瀏覽器／服務器（B/S）計算模式也是實現網上虛擬實驗室的一種基本模式。

服務器端通過軟件技術對各種實驗環境進行仿真，并接收來自客戶端的實驗操作請求，根據客戶端不同的實驗請求，調整儀器的狀態，模擬產生實驗的現象，輸出對應的實驗數據。學習者在客戶端進行實驗，其中實驗過程中的數據和實驗結果數據可以放置于服務器端，對于一些保密數據也可以在客戶端獨立存放。為了在多人合作實驗過程保持同步，實驗人員可以利用WEB或利用其他途徑進行聯系，服務器端的后臺數據庫提供了可以共享的實驗數據和實驗方法。

四、 構建虛擬實驗室的關鍵技術

目前國內的虛擬實驗室研究還處于萌芽階段，國外已經有很多大學進行了這方面的研究。總結他們所使用的技術，大致可以劃分為下面幾類：

1. 使用JAVA進行開發。Java是一個應用非常廣泛的網絡編程語言，它是一種新的計算概念。首先，作為一種程序設計語言，它簡單、不依賴于機器的結構、具有可移植性、安全性、并且提供了并發的機制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了網絡，Java的小應用程序（Applet）可在網絡上運行而不受CPU和環境的限制。另外，Java還提供了豐富的類庫，使程序設計者可以很方便地建立自己的系統，這一點對于構建網上虛擬實驗室系統來說也是非常關鍵的。

2. 使用ActiveX控件進行開發。ActiveX技術允許不同軟件開發的組件在網絡上可以互相進行操作。ActiveX使用了微軟的組件對象技術使得本地的組件可以和網絡上的組件進行通信，使用ActiveX開發的另一個好處在于它的代碼復用性，也就是說在虛擬實驗室的開發過程中，一個實驗儀器可以在多個實驗環境中重復使用，這一點對于持續開發過程尤為重要。這種技術使得一個大的工程項目可以劃分成小塊的組件，也就相當于把復雜工程簡單為一個個組成部分，完成了每個組成部分之后集成起來就可以得到最終的項目。

3. 使用Vrml技術進行三維虛擬實驗室的開發。Vrml是虛擬實境描述模型語言 (Virtual Reality Modeling Language) 的簡稱。它是描述虛擬環境中場景的一種標準，也是在網上實現虛擬的關鍵性技術。Vrml的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關、三維、多媒體集成、逼真自然等，被成為“第二代Web”，已經被越來越多的人們所重視。

五、 虛擬實驗室的應用

將虛擬儀器技術推向網絡應用，更能發揮其“軟件就是儀器”的優勢，更有助于形成分布式的網絡測量體系，實現數據和儀器的遠程共享，從而為遠程測控服務。網絡虛擬實驗室的使用Bsda結構，由客戶端、Web服務器、應用服務器以及實驗設備四個模塊組成，具備開發周期短，成本低的特點，同時又具有很強的兼容性和擴展性，能夠大大提高儀器的使用效率。

虛擬實驗技術在實驗教學中具有廣闊的應用、發展前景，隨著虛擬實驗的普及，其優越性會被越來越多的人認識。但要使虛擬實驗技術真正得到推廣應用，關鍵還是觀念的改變，首先是教師觀念的改變，除了具有創新精神和能力外，還應有一個科學的投資理念，在實驗室建設和發展中，充分考慮投資效益，建設現代化的實驗室。

虛擬實驗在21世紀實驗教學中必將占有重要地位，無疑會起到很大的作用。虛擬技術正成為人類認識自然、探索自然界奧妙的強有力的工具。可以預言，人作為認識主體的地位將進一步躍升，人與認識客體的關系將發生質的變化，人的創造潛能將得到更充分的發揮。

參考文獻：

[1]琚新剛，李金波.虛擬現實及其應用[J].河南教育學院學報：自然科學版，2003(12).

[2]鄒湘軍，孫健，等.虛擬現實技術的演變發展與展望[J].系統仿真學報，2004(16).

[3]姜學智.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報，2004(23).

（岳陽職業技術學院）