基于VR的開放式計算機網絡虛擬實驗室探究

關鍵詞：VR；計算機網絡；虛擬實驗室

中圖法分類號：G647 文獻標識碼：A

1概述

網絡虛擬實驗室是基于VR虛擬技術所構建的一個網絡虛擬教學平臺，基本可以理解為將當前的實驗室環境進行數字化改建，通過網絡平臺讓學生在虛擬實驗室中進行實驗，其優勢如下。

（1）減少了實驗室的建設成本與費用。網絡虛擬實驗室基于VR技術為學生帶來虛擬仿真學習體驗，在網絡虛擬實驗室中不需要使用真實的實驗儀器、設備及相關材料，能夠通過程序寫入的方式制造出現實環境中沒有的儀器和設備，也可以通過網絡虛擬實驗室與其他網絡虛擬實驗室共享大型科學儀器，以有效避免設備材料的重復購置，同時減少了儀器設備的維護維修費用，節約了實驗室的建設成本與維護成本。

（2）實驗室不受時間、空間限制。網絡虛擬實驗室最大的特點在于不受時間和空間的限制，網絡虛擬實驗室是構建在虛擬網絡平臺上的實驗室，而虛擬網絡平臺可以搭建在任何有網絡的環境中。只要將設定好的數據和環境應用正確的算法進行模擬，就可以打造出所需的實驗室環境，不僅保障了實驗環境的多樣性，也能夠隨時隨地為學生提供實驗教學，進而科學培養學生的實踐能力。

（3）彌補傳統實驗教學的不足。網絡虛擬實驗室與普通實驗室不同，在實驗環節、場地、設備等方面都可以彌補傳統實驗室中的不足。其不僅可以打造出平時實驗室中無法使用的大型機械設備，也可以給學生創造出各種模擬場景，讓學生在實際的模擬場景中進行模擬情境實驗，從而更好地培養學生的實踐能力，同時可以減少各種危險設備的使用，提高學生實驗容錯率，為學生參加真實實驗打下良好基礎。

（4）塑造沉浸式學習體驗。開放式網絡虛擬實驗室，除了能夠應用各種先進儀器設備打造高仿真的實驗環境，還可以構建多樣化的實驗場景，如根據學生未來的工作環境打造實驗場景，讓學生在模擬情境中進行實驗，帶來沉浸性體驗，幫助學生沉浸于實驗環境中，以獲得良好的實驗學習成果，同時可以激發學生的學習興趣，讓實驗教學成為一種游戲、劇本，給學生帶來新奇的學習體驗，從而進一步提高學生的學習自主性和學習積極性。

2基于VR技術的開放式網絡實驗室建設

2.1系統結構組成

網絡虛擬實驗室可采用B/S（Browser/Server）模式，以保障虛擬設備能夠進行本地或遠程訪問，在該模式下能夠實現用戶界面的交互操作功能，同時能夠保證多用戶同時參與虛擬實驗室實驗活動。網絡虛擬實驗室的系統結構主要由數據庫流媒體服務器、Web服務器、虛擬實驗服務器、實驗儀器、防火墻以及多終端設備組成，Web服務器主要用于存放公共實驗數據、實驗說明等內容，接人Web服務器后能夠生成動態網頁、虛擬實驗服務器，負責進行遠程實驗儀器控制、實驗數據采集、實驗數據分析，并將實驗數據結果傳送到數據庫中進行保存，最后回傳到客戶端，配合動態網頁生成實驗數據。在此過程中用戶只要擁有賬戶就可以通過網站或瀏覽器訪問Web服務器頁面，使用虛擬仿真實驗環境以及使用各種實驗設備，不需要使用真實的實驗儀器和實驗設備，即可讓多人在同一時間完成實驗，參與實驗活動。

2.2虛擬實驗室功能組成

網絡虛擬實驗是一個開放性集成式的教學管理系統，其功能強大，主要功能模塊如下。（1）用戶管理模塊。由管理員、教師、學生共同組成，其中管理員負責進行系統維護、設備維護、故障處理、數據更新，教師負責進行實驗設計、實驗答疑、實驗交流、成績審核，學生負責進行虛擬實驗、請求虛擬實驗數據庫相關數據、調用儀器設備，進行相關實驗操作。（2）系統維護功能。一般只有管理員和教師擁有系統維護模塊的權限，負責對整個系統進行實時監控，掌握各實驗進程，防止惡意占用實驗資源，并對實驗數據進行備份。同時，教師可以通過系統維護模塊進行虛擬實驗課程設計、數據錄入。（3）實驗演示功能。主要用于實驗課程演示、理論演示、實驗效果演示、擴展知識演示，可通過資源庫或網絡進行流媒體在線播放，能夠讓學生根據自己實際情況進行自主學習，達到鞏固知識、檢驗成果的目的。（4）實驗指導功能。根據實驗課程指導學生進行實驗，讓學生明晰實驗目的、實驗內容、實驗步驟以及相關實驗注意事項。（5）仿真模擬實驗功能。根據不同課程需求，登錄網站或實驗界面之后選擇不同的課程進入相應的虛擬實驗室中，通過操作鼠標和鍵盤，控制界面中的虛擬設備并進行連接調試，得出實驗結果。（6）實驗報告功能。在完成實驗活動后，撰寫并提交實驗報告，為評估實驗成績提供重要依據。（7）成績分析功能。根據學生的實驗操作流程和實驗操作結果，自動進行數據采集，給學生提供相應的實驗評價分數，幫助學生和教師及時了解當前的教學效果與學習水平。（8）交流功能。主要用于實驗開始前、中、后期師生交流與生生交流，交流方式包括文字、音頻、視頻等。

2.3網絡虛擬實驗室系統設計

網絡虛擬實驗室應用了多種先進技術，包括Java技術、VR技術、組件技術、仿真軟件、大數據技術等，其中Java技術能夠進行語言編程，為用戶提供虛擬化網絡儀器操作界面：VR技術能夠創設虛擬現實情景，描繪三維物體的行為，構建多媒體集成自然逼真的實驗場景：組件技術是將各種復雜的軟件進行調整，整合成軟件單元，目前開放式網絡虛擬實驗室的技術組件主要包括應用層、邏輯層和數據層；仿真技術能夠通過網絡構建實驗模型：大數據技術能夠對實驗數據進行分析提取。多種先進技術基于互聯網建立的仿真虛擬實驗室可以為學生提供沉浸性虛擬實驗活動，既能夠保障實驗室系統的安全性和穩定性，又能夠對學生在實驗過程中的操作做出及時反饋。網絡虛擬實驗室系統設計主要包括如下。一是虛擬實驗系統結構設計。虛擬實驗系統結構主要包括一級界面和二級界面，一級界面能夠進入主界面，以學習者的視角進入實驗室，了解實驗室和實驗裝置。二級界面能夠進行實驗操作與探究，包括實驗器材操作、實驗材料使用，并切換不同視角觀察實驗過程。二是實驗室界面設計。實驗室界面設計應考慮實驗室的環境搭配，整體布局合理，色彩搭配協調，能夠在傳達實驗信息的同時，給學生帶來沉浸性的實驗體驗。三是實驗室交互設計。開放式網絡中虛擬實驗室包括視頻演示、實驗操作等多個功能，并設置語音、視頻、文字交互模塊，在實驗過程中用戶可進行溝通交流，對實驗中存在的問題進行討論。比如，實驗過程中的即時聊天模塊，在此模塊中學生可通過文字或語音交流實驗過程，對實驗結果進行對比。同時，可通過留言板模塊對學生的實驗過程進行留言，教師也可通過留言板提出實驗注意事項。

3開放式網絡虛擬實驗室應用注意事項

3.1加強用戶管理

網絡虛擬實驗室應根據課程內容、學生學習特點為學生提供相應的實驗活動，實驗活動主要包括個人實驗、小組實驗、集體實驗。網絡虛擬實驗室應充分保障學生的實驗學習需求得到滿足，為每個學生分配賬號，每個學生在系統中都有唯一的ID號作為出入虛擬實驗室的通行證，學生可以為自己的ID號設置密碼，在登錄實驗室界面時，輸入ID號即可登錄成功并可進行遠程實驗操作。學生進入虛擬實驗室后可根據自己的學習情況、興趣愛好自主選擇實驗室進行模擬實驗。在此過程中需要對學生的實驗室使用情況進行登記、保存，并保留學生的實驗數據。基于大數據系統的數據統計與分析功能可對賬號信息進行檢測，包括賬號登錄地點、登錄頻率、登錄時長等，杜絕非法訪問，保留學生的登錄信息，分析學生網頁登錄情況與實驗室使用情況，保障登錄安全，避免系統風險，進而為學生提供安全的實驗環境。

3.2構建全開放式虛擬實驗室

網絡虛擬實驗室應保持全年全天開放，進入實驗室中的用戶都能獲得實驗室的控制權，由用戶向Web服務器發送請求，服務器自動協調和處理用戶的請求。學生可隨時隨地進入虛擬實驗室中自己動手組織實驗，設計實驗方案，完成實驗并進行實驗數據整理與總結。同時，可在相應的實驗室中提供實驗說明書與實驗注意手冊，讓學生自行觀看與學習，幫助學生在實驗總結分析的過程中逐漸建立以自我為中心的學習習慣，促進學生獲得良好的個性化發展，培養學生的自主學習意識，提高學生的學習能力、學習興趣。除了面向校內學生開放網絡虛擬實驗室，也可以向其他學校學生或相關實驗愛好者開放網絡虛擬實驗室，為學生搭建良好的溝通交流平臺，促使學生在實驗的過程中進行交流學習，幫助學生在思維碰撞中獲得良好的發展。

3.3開展專業線上指導與答疑

為督促學生的實驗活動順利完成，為學生提供相應的指導意見與幫助，應組建專業的線上指導與答疑教師團隊，一方面可由校內教師組建線上指導團隊負責對學生進行指導，帶領學生開展實驗活動。另一方面可以聘用專業人士或相關行業專家作為線上指導團隊，對學生的實驗方法、實驗過程、實驗結論進行指導，讓學生獲得更多的專業意見和幫助。同時，可以在網絡虛擬實驗室的交流平臺中發表相應的意見或提出實驗建議，以增強實驗教學的互動性，引導學生以具體的任務為方向展開激烈討論與實驗，建立良好的成果導向教育模式，促進學生在實驗的過程中獲得良好的學習成果，建立學習信心。

3.4對實驗過程及效果進行全過程記錄與評價

評價是影響學生學習質量的關鍵，在開放式網絡實驗室應用過程中應生成學生個體實驗報告，及時反映學生的實驗成果和學習水平。（1）通過大數據技術分析整理學生的實驗數據，為學生建立三維評價模型，對學生的實驗情況進行記錄，分析學生的學習水平及進步情況，從而為學生綜合成績評價提供重要的數據支持。（2）對實驗過程進行評價，并保留相應的數據信息，為實驗方法的改進提供重要依據，如在實驗活動結束后，組織學生對實驗過程進行評分，根據學生的評分結果以及在課堂交流中的情況對實驗方法進行優化，使實驗方法、實驗過程、實驗環境能夠更好地適應學生，以滿足學生的學習需求。

3.5不斷更新實驗內容與場景

開放式網絡虛擬實驗室中的實驗內容、實驗課程以及實驗場景都需要根據學生的學習情況不斷更新，讓學生對實驗活動保持持久的新鮮感，并在實驗活動中獲得良好的學習成果。因此，應組建專門的教研團隊組根據校內實驗課程的開展情況不斷設計網絡虛擬實驗室實驗課程內容，更新實驗課程場景。一方面可以與相關行業的專業人士保持合作，根據行業的實際工作情況與教學內容構建實驗場景，使實驗場景更加真實，能夠在實驗過程中培養學生的專業能力與職業素養。另一方面可以與各大高校保持合作，根據各高校的教學資源，更新優化實驗場景與實驗內容，使現階段使用的實驗資源具有先進性和導向性，進而為學生提供良好的實驗學習條件。

3.6加強網絡虛擬實驗室維護

隨著網絡虛擬實驗室的用戶群體不斷增加，系統核載量也會持續上升，為保障平臺能夠實現所有功能，必須在原本的硬件軟件基礎上進行不斷的升級與維護。因此，應基于校園實驗室建設實際情況，組建專門的網絡虛擬實驗室維護團隊，及時對網絡虛擬實驗室的各個基本構件進行升級，以保障系統正常運行。

4結束語

隨著當前網絡技術的高速發展，開放式網絡虛擬實驗室不僅拓展了實驗教學的時間和空間，也使信息技術與學生的學習實驗活動相聯系，為學生提供了一種全新的實驗方式。但是，虛擬實驗只是實驗教學的一種輔助手段，并不能完全取代實驗的實際操作，應合理開展虛擬實驗與實踐實驗，使虛擬實驗室與真實實驗室優勢互補，滿足學生的學習需求，從而達到良好的教學目的。

作者簡介：

楊昌慶（1987—），本科，助理實驗師，研究方向：計算機技術。