虛擬現實技術下虛擬實驗室的研究與構建

祝秀芬++陳橋芳++曾岱++高瀚翔

摘 要：虛擬實驗是在20世紀末期，伴隨著計算機技術、多媒體技術、網絡通信技術、虛擬儀器技術的發展，孕育而生的一門適應時代需求的新興技術。它的出現，標志著人類在教學信息化的領域內，又向前邁進了一步。虛擬實驗技術可以通過計算機網絡、控制技術實現實時或非實時的實驗教學。虛擬實驗室的建立，對于開展虛擬實驗有著重要的意義。它與真實的實驗室相比，兩者的差別在于實驗過程中觸及的對象是否真實。我們在現實實驗室里使用的實驗工具、儀器儀表、實驗研究的對象都是真實狀態下的實物。而虛擬實驗里，我們使用的實驗工具和研究對象，不存在實物狀態，整個實驗過程主要圍繞虛擬物體完成操作。總的來講，虛擬實驗室讓實驗者親身感知基于原型計算機模擬技術的實驗過程，虛擬實驗室為其提供了一個虛擬的、逼真的實驗環境。

關鍵詞：信息化教育 虛擬現實技術 虛擬實驗室

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0161-02

信息技術環境下，基于虛擬現實技術的虛擬實驗室的研究，目前已經成為國內外信息化實驗教學研究的重點和熱點問題。同時，它也是實驗教學改革的一個新方向。作為現代信息化教育的重要組成部分，虛擬實驗室已經發揮出了舉足輕重的作用，并且正在被社會各界所關注和認可。特別是人類進入信息化時代以來，計算機技術、虛擬現實技術每天都在更新前進，虛擬實驗也逐漸實現了可視化、數字化。伴隨多種傳感技術在虛擬實驗中的運用，體驗者將在虛擬實驗室中，感受和體驗到更加逼真的虛擬場景模擬和實時交互界面，同時也能對虛擬對象進行更加感性的實驗操作，在身臨其境的同時達到虛擬實驗的最優效果。

1 虛擬現實技術和虛擬實驗的特點

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術作為計算機技術研究的一個新領域，它主要通過人的感知行為，在視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等多方面給體驗者提供一個虛擬的逼真場景。并采用先進的計算機技術，為體驗者搭建模擬場景，使體驗者仿佛置身其中。然后通過多項傳感技術，使虛擬環境產生不斷的變化，與體驗者進行“交流”。當前，虛擬現實技術已經融入和匯集了多項高水平的創新和關鍵技術，比如圖形圖像實時生成技術、傳感器技術、計算機仿真技術、多媒體技術、計算機圖形學、網絡技術、人工智能技術等等。該項技術主要通過特定的虛擬現實設備，利用高分辨顯示的可視化技術、3D數字技術以及傳感器交互技術，實現逼真的虛擬場景環境生成，完成人在虛擬環境中的各項活動。同時進行實時人機互動，最終完成體驗者對虛擬對象的接觸、操作和控制等目的。

1.2 虛擬實驗特點

當前，我們運用各種信息化技術完成了各種虛擬實驗操作。虛擬實驗不同于真實的實驗操作，真實的實驗室不但具有有形的場地，而且具有真實的實驗工具以及實驗對象。虛擬實驗的實驗室、實驗對象都是無形的。實驗者主要通過完成對虛擬儀器的操作，來實現實驗的過程。它的出現，展現出了更加先進的技術應用空間和發展前景。這主要是因為虛擬實驗具有幾大特點：第一、透明性。虛擬實驗操作具有統一標準和執行命令，可以實現對軟件、硬件設備、數據庫資源以及人員管理的統一。第二，共享性。在開展虛擬實驗的過程中可以實現資源的共享，在虛擬實驗中，實驗者可以通過數據資源庫、檢索系統、各類應用軟件工具，完成對信息、軟件和設備等資源的共享。在降低成本的基礎上，也大大提高了使用者的效率。第三，互動性。在進行虛擬實驗的操作過程中，實驗者不僅可以完成人機界面的實時互動，還可以進行用戶之間的信息溝通和交流。如果有遠程操作用戶加入，他們也可以完成對實驗的環境操作和控制。第四，擴展性。虛擬實驗除具備以上特點外，還可根據需要，完成用戶的自主性選擇，實現擴展。以上這些性能體現出了虛擬實驗的優勢。

2 虛擬實驗室的研究與構建

2.1 虛擬實驗室

虛擬實驗室，就是利用虛擬現實技術，構建出一個能夠完成虛擬實驗的系統。它可以復制出現實中的某個真實的實驗室，也可以根據使用者的需求，建立起虛擬實驗室。在虛擬的實驗室中，可以實現對現實實驗室設備的模擬仿真操作。置身于虛擬實驗室中，實驗者會有在現實實驗室中一樣的操作感。虛擬實驗室的構建，主要采用了計算機多媒體技術、虛擬儀器技術以及傳感技術。其中，虛擬現實技術是完成虛擬實驗室構建的關鍵技術。其虛擬對象的模型主要包括物理、運動、幾何、聲音等模型因素，為體驗者創建出身臨其境的感覺。

2.2 基于虛擬現實技術的虛擬實驗室構建

虛擬實驗室通常在物理設備分布式的基礎進行搭建，我們以計算機網絡為核心，通過網絡技術實現與物理設備的連接，從而實現數據的采集、交換、遠程操作和分析工作。作為一個龐大的系統工程，虛擬實驗室的建設主要包括了虛擬儀器、數據的采集和分析、計算機網絡以及虛擬實驗管理等系統。采用虛擬現實技術構建的虛擬實驗室，不僅可以具有高水準的交互性，而且可以為實驗者提供各種高級、仿真的實驗條件和場景，其真實感效果不遜于實物實驗室。通常，我們會把此類采用虛擬現實技術的虛擬實驗室分為若干子模塊，讓它們在互相獨立的同時，也能很好地形成一個統一系統。模塊一我們通常設置為用戶管理的子系統。此模塊下分為三級，分別是：管理員、教師、學生。我們在該子系統下，可以實現對各級各類用戶的信息管理，用戶添加、修改和刪除工作；模塊二為教務管理子系統。此系統只供管理員使用，在此模塊下，教學管理部門可以實現對班級的管理和課程的調配等工作；模塊三為虛擬實驗子系統。作為整個系統的核心，它主要包含了實驗庫、實驗材料管理、實驗功能添加與刪除三部分；模塊四為實驗報告管理子系統。教師和學生可以通過自己的賬號使用此模塊，并且結合實際情況，完成自己對應的工作任務。模塊五為成績管理子系統。主要幫助學生完成對自己的實驗成績查詢工作。以上就是虛擬實驗室構建的幾大模塊，合理利用以上模塊的功能，不僅可以達到與真實實驗室一樣的效果，還可以在很多實驗的環節上省去冗余的過程，提高工作效率。

2.3 虛擬實驗室建設的意義

在教育的信息化時期，建立優秀的網絡化虛擬實驗室，具有重要的教育發展戰略意義：首先，降低了科研的成本，節約了研究的經費，彌補了教學條件和設備的不足。而且，發揮了虛擬實驗室中虛擬儀器的使用效率。特別是在互聯網時代下，實現了虛擬實驗室的資源共享，避免了設備的重復購買等浪費現象的出現。其次，虛擬環境下進行的虛擬操作，在一定程度上避免了真實實驗操作所產生的各類危險。既保證了學生的安全，又可以讓他們獲得對實驗的感性認識。最后，打破了一些實驗項目在時間和空間的限制。虛擬實驗室的建設，在未來必定對教育的信息化發展產生重要的意義。

3 結語

綜上所述，合理利用虛擬實驗室的透明性、破各種實驗室的條件限制，更好地滿足實驗教學需求。同時也可以輔助高校開展科研和創新工作，改善傳統實驗教學的模式、方法，豐富教學手段和資源，激發學生的學習興趣。

參考文獻

[1] 夏俊博.基于虛擬現實技術構建虛擬實驗室的難點和解決辦法[J].經營管理者，2015（12）：129-131.

[2] 趙一鳴，郝建江，王海燕，等.虛擬現實技術教育應用研究演進的可視化分析[J].電化教育研究，2016（12）：26-33.

[3] 孫苗，蘭曉紅.虛擬現實技術在高校實驗課堂教學中的應用研究——以重慶師范大學為例[J].物聯網技術，2017（3）：117-120.endprint