網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)研究
網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)研究
下面是小編為你整理整合了關(guān)于計(jì)算機(jī)的論文，歡迎閱讀，希望對你有幫助。
摘 要 隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室得到越來越多的應(yīng)用。介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本特點(diǎn)及其體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的四種關(guān)鍵技術(shù)： Java、ActiveX、VRML、ASP，最后探討了虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)過程當(dāng)中應(yīng)注意的幾個問題。
關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn)室 遠(yuǎn)程教育 現(xiàn)代教育技術(shù)
迅速崛起的現(xiàn)代教育技術(shù)把虛擬實(shí)驗(yàn)引入到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教育模式，使得教與學(xué)方式發(fā)生了革命性的變化。目前，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件非常豐富，加上高校計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)資源，為虛擬實(shí)驗(yàn)的開設(shè)提供了必要的基礎(chǔ)條件。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠通過計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，它不僅僅能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，更加重要的是對一些缺乏實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)生，通過網(wǎng)絡(luò)同樣能夠身臨其境地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至和異地的學(xué)生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展及其特點(diǎn)
網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)就是在WEB中創(chuàng)建出一個可視化的環(huán)境，其中每一個可視化的物體代表一種實(shí)驗(yàn)對象。通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳操作，用戶可以進(jìn)行虛擬的實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。為實(shí)驗(yàn)類課程的教學(xué)改革及遠(yuǎn)程教育提供了條件和技術(shù)支持。許多國內(nèi)外從事實(shí)驗(yàn)室工作的研究者們在實(shí)踐中還提出這樣一些概念：Digital Lab、MBL(Micro-computer Based Lab)，盡管這些名詞不統(tǒng)一，但他們的實(shí)踐從不同的層面實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室。
1.1 印地安那州立大學(xué)的MBL化學(xué)實(shí)驗(yàn)室
該實(shí)驗(yàn)室在給新生開化學(xué)實(shí)驗(yàn)課時用計(jì)算機(jī)來輔助做這樣一些事，用計(jì)算機(jī)采集與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)展示實(shí)驗(yàn)，在網(wǎng)上發(fā)布相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料。
1.2 芝加哥伊利諾伊大學(xué)數(shù)字化有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室
該實(shí)驗(yàn)室充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，在網(wǎng)上提供了一系列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)：在線實(shí)驗(yàn)教材;實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間表;實(shí)驗(yàn)測評方法、形式、時間;虛擬實(shí)驗(yàn);相關(guān)教學(xué)資源的鏈接等。他們還用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教務(wù)管理。
1.3 卡羅萊納州立大學(xué)的LAAP(Learn Anytime Anywhere Physics)
他們利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，主要有以下幾個模塊：基于Java Applet的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)施;相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程模塊;實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果評價模塊;協(xié)作學(xué)習(xí)模塊。
虛擬實(shí)驗(yàn)室最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低，效率高。因?yàn)?ldquo;軟件即為儀器”，這樣就可解決因?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)不足或高檔次、高價位設(shè)備缺乏所不能開出的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，同時也不會造成因使用不當(dāng)，管理不善等因素造成的儀器損壞、元器件丟失等現(xiàn)象。同時虛擬實(shí)驗(yàn)還可以模擬實(shí)驗(yàn)室中沒有的設(shè)備，而且還可以不受時空的限制方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)具備一些基本特征：與現(xiàn)實(shí)的一致性(或現(xiàn)實(shí)的延伸)、高度交互性、實(shí)時的信息反饋。
2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)是一個集虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)課教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真等為一體的功能強(qiáng)大的網(wǎng)上運(yùn)行系統(tǒng)。各部分之間相互聯(lián)系相互補(bǔ)充，僅具有相對獨(dú)立性。開發(fā)虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)仿真應(yīng)是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心部分。圖1是虛擬實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)圖。
3 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)
目前國內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究還處于萌芽階段，國外已經(jīng)有很多大學(xué)進(jìn)行了這方面的研究?？偨Y(jié)他們所使用的技術(shù)，可以看出大多可以劃分下面幾類：
3.1 Java技術(shù)
Java是一個廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)編程語言，它是一種新的計(jì)算概念。首先，作為一種程序設(shè)計(jì)語言，它簡單、不依賴于機(jī)器的結(jié)構(gòu)、具有可移植性、安全性、并且提供了并發(fā)的機(jī)制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了網(wǎng)絡(luò)，Java的小應(yīng)用程序(applet)可在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行而不受CPU和環(huán)境的限制。另外，Java還提供了豐富的類庫，使程序設(shè)計(jì)者可以很方便地建立自己的系統(tǒng)，這一點(diǎn)對于構(gòu)建網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)來說也是非常關(guān)鍵的。
3.2 ActiveX控件
ActiveX技術(shù)允許不同軟件開發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上可以互相進(jìn)行操作。Ac?鄄tiveX使用了微軟的組件對象技術(shù)使得本地的組件可以和網(wǎng)絡(luò)上的組件進(jìn)行通信，使用ActiveX開發(fā)的另一個好處在于它的代碼復(fù)用性，也就是說在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程中，一個實(shí)驗(yàn)儀器可以在多個實(shí)驗(yàn)環(huán)境中重復(fù)使用，這一點(diǎn)對于持續(xù)開發(fā)過程尤為重要。這種技術(shù)使得一個大的工程項(xiàng)目可以劃分成小塊的組件，也就相當(dāng)于把復(fù)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(xiàng)目。可以開發(fā)ActiveX組件的環(huán)境有很多，其中開發(fā)效率最高和最易上手的是Visual Ba?鄄sic。
3.3 VRML技術(shù)
VRML是虛擬實(shí)境描述模型語言 (Virtual Reality Modeling Language) 的簡稱。它是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標(biāo)準(zhǔn)，也是在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵性技術(shù)。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關(guān)、三維、多媒體集成、逼真自然等，被成為“第二代WEB”，已經(jīng)被越來越多的人們所重視。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1998年1月正式將其批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)。VRML是一種建模語言，其基本目標(biāo)是建立Internet上的交互式三維多媒體，也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬境界。用VRML實(shí)現(xiàn)與Internet虛擬現(xiàn)實(shí)交互有下面幾個好處：豐富了媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善了協(xié)同環(huán)境的用戶界面、增強(qiáng)了協(xié)同環(huán)境的交互性?？梢?，將VRML融合到網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程中，既可以增強(qiáng)表現(xiàn)力和用戶的接受力，又可以實(shí)現(xiàn)較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。
3.4 ASP技術(shù)
ASP(Active Server Pages，動態(tài)服務(wù)器端網(wǎng)頁)，內(nèi)含在Internet Information Server 3.0及其以上版本中，提供一個服務(wù)器端的腳本環(huán)境，用于產(chǎn)生和執(zhí)行動態(tài)、高效率的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序。ASP不只是動態(tài)的網(wǎng)頁，它更是當(dāng)今眾多的Web應(yīng)用程序?qū)嵶鞣绞街?，它?fù)責(zé)整個Web應(yīng)用程序的控制部分。ASP提供五個內(nèi)建的對象供使用者調(diào)用，即Re?鄄quest對象(取得用戶信息)、Response對象(傳送信息給用戶)、Server對象(提供訪問服務(wù)器的方法、屬性)、Application對象(用于多個使用者在多個網(wǎng)頁間共享信息)和Session對象(用于單個使用者在多個網(wǎng)頁間共享信息)。
4 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)過程當(dāng)中應(yīng)注意的幾個問題
計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展到今天，為虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)提供了極大的方便。目前開發(fā)所需的系統(tǒng)軟件或工具均支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。它們都有事件驅(qū)動的支持，消息循環(huán)的程序設(shè)計(jì)方法及多媒體操作技術(shù)。在開發(fā)過程當(dāng)中要注意以下幾個問題：
事件觸發(fā)時機(jī)的選擇，實(shí)際操作當(dāng)中某個按鈕按下后并不立即反映，需要延時回應(yīng)，外部接口的輸入信號或其它信息往往是定時觸發(fā)或隨機(jī)觸發(fā)的事件，若為隨機(jī)觸發(fā)的事件則可用一定時限內(nèi)的隨機(jī)數(shù)來取代固定時間。
事件聯(lián)鎖關(guān)系或動態(tài)順序關(guān)系可以存放在一張數(shù)據(jù)庫表中描述，修改方便。給定相應(yīng)的條件、控制范圍，自動形成數(shù)據(jù)表，使數(shù)據(jù)和程序獨(dú)立。
模擬聲音，要使實(shí)驗(yàn)達(dá)到逼真，除了模擬控制臺實(shí)物景象，還要模擬它們實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的各種聲音，如汽笛聲、按鈕按動聲、內(nèi)部機(jī)械動作聲等。這樣，才能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室有身臨其境的感覺，全身心地投入學(xué)習(xí)。
模擬臺面各種動作的結(jié)果，臺面上每個控件的動作都會觸發(fā)一定的事件。這些事件在實(shí)物設(shè)備中是靠機(jī)械、電子電路等去完成，而現(xiàn)在將這些機(jī)械及電子邏輯關(guān)系使用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。
故障發(fā)生器，在實(shí)際工作中除了設(shè)備正常情況下的操作，還有各種意外情況，如某些設(shè)備故障的情況。此時，要求在虛擬系統(tǒng)中也能模擬手柄失靈、儀表信號不顯示及自然災(zāi)害發(fā)生的情況等，即給實(shí)驗(yàn)增加一些難度，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)際操作能力。
5 結(jié)束語
虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用、發(fā)展前景，隨著虛擬實(shí)驗(yàn)的普及，其優(yōu)越性會被越來越多的人認(rèn)識。但要使虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)真正得到推廣應(yīng)用，關(guān)鍵還是觀念的改變，首先是教師觀念的改變，除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應(yīng)有一個科學(xué)的投資理念，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和發(fā)展中，充分考慮投資效益，建設(shè)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室。其次要培養(yǎng)一支高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍，不斷地進(jìn)行知識更新，加強(qiáng)學(xué)習(xí)，重視信息的收集、加工、應(yīng)用，了解掌握最新技術(shù)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和發(fā)展，加快了實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，促進(jìn)了教育觀念的改變。是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新的實(shí)驗(yàn)手段。
虛擬實(shí)驗(yàn)在21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必將占有重要地位，無疑會起到很大的作用。
參考文獻(xiàn)
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