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虚拟实验设计论文范文

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虚拟实验设计论文

第1篇

一、网络虚拟实验室的建立

1.虚拟现实技术

虚拟现实VR(VirtualReality)是近几年来信息技术迅速发展的产物,毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境,即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。

虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性,是指观察者对虚拟世界的情感反映,这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界,这是虚拟现实的首要特征。交互性,是指虚拟现实是一个开放的环境,能对用户的输入作出响应,并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性,是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面,还是一个应用系统,它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同,可以分为三种类型:沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景,用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互,它的特点是结构简单、成本较低,易于推广。

2.网络虚拟实验室

所谓网络虚拟实验室,是指利用区域网或互联网,由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现,也可以是虚拟构想的实验室,虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中,实验者有逼真的感觉,有身临其境的感受,好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中,没有一个有形的实验室,也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象,实验过程主要是对虚拟物的操作。

3.计算机专业虚拟实验室的创建

构建专业虚拟实验室,其实就是搭建一个网络平台系统,包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,

目前各校都建立了校园网络并接入了互联网,这些基础设施基本可以满足需求,不需要太多的投入。在软件方面,一个是实验室平台软件系统的开发,它与网站建设相联系;另一个是网站的内容(实验内容)建设,这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑,不然软件平台就是一个空架子,形同虚设。同时,该平台上还应有实验管理的支持,对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理,并对虚拟实验室进行监控,计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。

(1)实验管理模块,由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登陆成功后可浏览实验项目,查看实验的详细资料,预约实验项目及做实验的时间,在线发送和接受消息,进行问题讨论,进行实验登记,实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面,可对实验内容添加、修改、整理、删除,对学生提交的实验报告列表,批改实验报告,填写评语和成绩,提交批改结果,与学生进行讨论。仪器管理方面,对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理,以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况(实验次数、实验报告及完成情况)给出成绩,并进行统计分析及提供查询等。

(2)仪器展示模块,对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理,以图形的方式直观呈现出来,供学生在实验时进行选择。

(3)实验指导模块,包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

(4)实验报告模块,主要对学生完成实验后,提供相关的实验报告模板,供学生下载,由学生填写相关内容以及实验的结果,完成后上传电子版实验报告,由教师进行批阅,并进行记载。

(5)实验答疑模块,由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答,帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度,并及时反馈、调整教学。

(6)论坛交流模块,教师和学生可以通过论坛进行充分的交流,学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上,教师可以将一些典型的问题提出来,供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解,教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息,以便整改7)虚拟实验模块,是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验,医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设,可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单,容易实现,见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整,有一个磨合期。另一种是因地制宜,自主开发。根据本校的实际教学和实验情况,结合学生的实际水平,由任课教师或聘请部分专家组成开发小组,进行一系列的虚拟实验项目的开发研究,并将研究的成果连接到虚拟实验室中,逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活,能充分发挥教师的积极性,能有针对性地进行设计开发,适合学生的实际情况,学生容易接受,并且经费投入较少。缺点是开发周期较长,系统性不够,水平有限。也可以将上述两种方式结合起来,一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目,二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目,如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。

二、加强网络虚拟实验室的管理

1.加强用户管理,为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室,使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室,在上面提出问题、发表见解,做好实验,努力提高虚拟实验室的人气。

2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验,自己设计实验方案,动手完成实验,整理和总结实验数据,职称论文提交实验报告,培养学生的分析能力和创新能力,逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。

3.组织专业教师网上指导与答疑,参与论坛讨论交流,及时批改实验报告,为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中,教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答,并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点,提出问题让学生思考,使师生在虚拟实验室中有较强的互动性,教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。

4.对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况,给学生一个成绩和评价,反馈给学生,英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时,征求学生对虚拟实验室的意见,对学生反馈的信息进行整改。

计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。

参考文献

[1]王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报,2005(4).

[2]蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报(自然科学版),2002(3).

第2篇

(一)实验分析

高锰酸钾制取氧气是利用酒精灯、试管、铁架台、导管、集气瓶、水槽等仪器,通过加热高锰酸钾制取氧气,利用排水法来收集氧气。学生不仅要掌握实验原理、目的,实验仪器和药品的使用方法及注意事项,实验步骤、化学方程式的书写等内容,还要培养观察、分析能力和实践操作能力。

(二)《高锰酸钾制取氧气》的实验目的

(1)通过虚拟实验中的文本展示工具,使学习者了解实验目的、原理和方法。

(2)通过对虚拟实验的操作,掌握药品的选择以及仪器连接的先后顺序,能够动手制取氧气。

(3)通过对实验过程、现象的观察、分析实验反应机制,加深对实验的认知和理解。

(三)《高锰酸钾制取氧气》的虚拟实验活动设计

学生要完成虚拟实验首先需要安装Secondlife客户端,进入Secondlife虚拟环境,通过以下流程完成整个虚拟实验。

(1)准备阶段:学习者通过Secondlife提供的地图工具搜索到虚拟实验室地标并通过瞬间移动工具进入虚拟实验室。

(2)实验阶段:学习者通过人-机交互选择事先通过3D建模工具创建好的虚拟实验仪器、药品并通过资源工具查询相关仪器的使用方法及实验装置图,完成实验仪器的装置;点击各个实验仪器、添加药品来完成实验。

(3)评价反馈阶段:教师根据学生提交的实验报告和学习者的学习记录对学习者本次实验进行一个综合评价,并将评价结果通过评价反馈系统及时反馈给学习者。

二、《高锰酸钾制取氧气》的虚拟实验环境设计

本研究以《高锰酸钾制取氧气》为例设计的虚拟实验环境。以实验过程的设计为理论基础从场景及模型设计、交互设计、支持工具设计、特效设计、评价设计这几方面设计三维虚拟实验环境。

(一)实验环境的场景及模型主要虚拟教室、虚拟实验室和仪器设备组成

虚拟教室由讲台、桌椅、多媒体系统、音响设备、电子白板、书柜、书、电脑组成,供学习者实验后进行交流、报告、探究、形成实验结论。虚拟实验室主要由实验环境、实验操作台、水池、药品柜、灭火设备为为学习者完成实验并获取实验数据。仪器设备主要是酒精灯、试管、铁架台、导管、集气瓶、水槽、铁夹、烧杯。药品耗材主要是高锰酸钾等。

(二)交互系统设计

(1)人机交互设计:在实验中通过操作交互,学习者能够感受到实验设备的控制感和体验感。在Secondlife中,利用创建工具可以实现简单的“点击”“移动”“坐在上面”等操作,Secondlife提供的林登脚本语言可以设置改变物体的性质、运动方式、运动轨迹、对外力的反应等等,能够较好地支持学习者的操作交互。

(2)交流工具:学习者在实验过程中和老师、同伴交流的方式主要有在线的同步交流和异步交流。

(三)支持工具设计

实验支持工具是指支持学习者完成实验的所有工具,本研究的支持工具主要包括搜索工具、资源工具、实验认知工具、评价反馈工具等。搜索工具主要是地图工具和瞬间移动工具通过它们是搜索定位各种学习场所、用户,并瞬间移动到目的地。资源工具包含Secondlife内部资源和外部资源。内部资源主要是3D浏览器;外部资源包括各大搜索引擎。这些工具可以搜索Secondlife内部和外部各种信息资源实验认知工具主要包括3D建模工具、拍摄工具、记事本工具主要为为实验过程中学习者观察记录实验现象、采集数据提供支持。评价反馈工具主要包括问卷系统(choicer、Quizchair)、学习记录系统(Tracker)、Web-Intercom,为实验后学习者自评、反思以及教师评价反馈提供支持。

(四)特效设计

在Secondlife中,通过粒子系统结合林登脚本语言可以营造烟雾、火焰、气体、雪花等各种现象。在本实验中酒精灯加热的火焰、水槽里面的气泡、集气瓶中的氧气、反应过程中的烟雾、药品晶体的状态变化等效果都可以通过粒子系统来实现。

三、结论

第3篇

1.1功能设计

(1)实验信息管理。

实验信息管理主要包括对实验室工作人员、实验室规章制度、实验室通知以及实验室办公文件等信息的集中管理。

(2)实验课程管理。

实验课程管理是指面向不同的老师、不同的开设班级,对实验课程进行编排,以完成实验课程的统一集中管理,做到实验课程的时间、教室不冲突。

(3)实验设备管理。

实验设备是实验教学过程中的重要资源,对实验设备统一进行信息登记和管理,有助于实现对实验设备的网络化管理。

(4)实验教学管理。

实验教学管理主要包括实验课程的准备,学生实验过程视频的保存,实验报告的电子化及成绩评定,以及实验教学总结。

1.2模式设计

该设计采用了C/S模式和B/S模式相结合的设计模式。整个实验室信息管理系统在WEB环境下运行,客户端与数据库服务器之间采用B/S模式,从而避免了客户端专用程序的开发;而数据库服务器与应用服务器之间采用C/S模式,适宜满足应用程序和数据库系统之间的大批量数据访问和调用,从而提高了数据访问的灵活性。另一方面,由于数据全部存储在专用的数据库服务器上,而应用程序服务器和客户端只负责发出相应的数据请求指令,这样在一定程度上也提高了数据的安全性,后期维护也更加趋于合理。

2虚拟现实技术在虚拟实验中的设计与应用

2.1虚拟现实技术的应用方法

要将传统的动手实验演变为基于虚拟现实技术的虚拟实验,必须要完成三维建模、虚拟场景重建以及动作响应设定等一系列设置,这样才能够实现实验教学的信息化和虚拟化。目前三维建模主要依赖SolidWorks三维软件完成,而虚拟场景的重新构建,在很大程度上依赖于LabView等图形化编程软件的使用。要实现虚拟实验系统的设计,离不开数据库系统的应用,因为在虚拟实验操作过程中,离不开对数据库的实时动态访问,因此如何快速访问数据库系统成为虚拟技术应用的关键。目前应用在虚拟实验系统中的数据库访问技术,主要是依赖于数据的快速存储方式。对于底层传递来的数据,按照数据自身的属性进行分类,从而将数据自动划分到不同的数据类中。在同一数据类中,按照所定义的关键字对数据进行存储。采用分类的数据存储和访问方式,能够极大地提高数据库访问的效率。

2.2机电一体化实验的虚拟化设计应用

本研究课题以具体的机电一体化实验为例探讨虚拟实验系统的设计与应用。机电一体化实验主要完成传感器检测、数据滤波、数据采集、数据显示、电机控制等一系列任务。针对该实验的内容,虚拟化和信息化可以按照如下步骤实施:

(1)三维建模。

借助于SolidWorks三维软件对传感器、滤波器、数据采集卡、数码管、CPU控制器、步进电机等进行三维建模,实验室内的万用表、示波器等其他实验仪器也要建模,以增强实验环境的真实性。

(2)场景重建。

利用LabView图形化编程软件,将上述三维模型进行空间布局设置,构建与实验室完全一致的实验场景。

(3)界面接口设计。

仅仅有图形化场景是远远不够的,还必须借助LabView图形化编程软件对接口进行设计。比如数据采集卡的接口应当与传感器的输出接口保持相同的电平规格;再比如,CPU控制器的输出脉冲应当跟步进电机的驱动电流保持相同电平规格,以确保电机能够被驱动。

(4)虚拟动作响应。

设计了界面接口,就能够利用VRML工具对虚拟动作响应进行设定,通过设定使虚拟实验系统能够智能地感知到操作者的意图,从而顺利完成虚拟实验。

(5)数据库的快速访问。

在机电一体化实验中,需要保存的数据有传感器采集数据、数据采集卡的采集频率、CPU控制器的输出脉冲规格以及步进电机的相关参数。这些参数按照其自身属性可以划分为采集数据、控制数据和输出数据三大类,将上述的数据自动地划分到这三大类中。当虚拟动作响应需要访问数据库系统查询上述相关数据时,可以首先按照数据所在的大类进行查询,这样有助于提高数据库系统访问的快速性和准确性。

3结语

第4篇

一、网络虚拟实验室的建立

1.虚拟现实技术

虚拟现实VR( Virtual Reality) 是近几年来信息技术迅速发展的产物, 毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境, 即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。

虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性, 是指观察者对虚拟世界的情感反映, 这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界, 这是虚拟现实的首要特征。交互性, 是指虚拟现实是一个开放的环境, 能对用户的输入作出响应, 并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性, 是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面, 还是一个应用系统, 它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同, 可以分为三种类型: 沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景, 用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互, 它的特点是结构简单、成本较低, 易于推广。

2.网络虚拟实验室

所谓网络虚拟实验室, 是指利用区域网或互联网, 由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统, 包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现, 也可以是虚拟构想的实验室, 虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中, 实验者有逼真的感觉, 有身临其境的感受, 好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中, 没有一个有形的实验室, 也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象, 实验过程主要是对虚拟物的操作。

3.计算机专业虚拟实验室的创建

构建专业虚拟实验室, 其实就是搭建一个网络平台系统, 包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,

目前各校都建立了校园网络并接入了互联网, 这些基础设施基本可以满足需求, 不需要太多的投入。在软件方面, 一个是实验室平台软件系统的开发, 它与网站建设相联系; 另一个是网站的内容( 实验内容) 建设, 这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑, 不然软件平台就是一个空架子, 形同虚设。同时, 该平台上还应有实验管理的支持, 对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理, 并对虚拟实验室进行监控, 计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。

( 1) 实验管理模块, 由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面, 学生通过浏览器进行注册登录, 登陆成功后可浏览实验项目, 查看实验的详细资料, 预约实验项目及做实验的时间, 在线发送和接受消息, 进行问题讨论, 进行实验登记, 实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面, 可对实验内容添加、修改、整理、删除, 对学生提交的实验报告列表, 批改实验报告, 填写评语和成绩, 提交批改结果, 与学生进行讨论。仪器管理方面, 对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理, 以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况( 实验次数、实验报告及完成情况) 给出成绩, 并进行统计分析及提供查询等。

( 2) 仪器展示模块, 对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理, 以图形的方式直观呈现出来, 供学生在实验时进行选择。

( 3) 实验指导模块, 包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

( 4) 实验报告模块, 主要对学生完成实验后, 提供相关的实验报告模板, 供学生下载, 由学生填写相关内容以及实验的结果, 完成后上传电子版实验报告, 由教师进行批阅, 并进行记载。

( 5) 实验答疑模块, 由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答, 帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度, 并及时反馈、调整教学。

( 6) 论坛交流模块, 教师和学生可以通过论坛进行充分的交流, 学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题发布到论坛上, 教师可以将一些典型的问题提出来, 供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解, 教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息, 以便整改。

( 7) 虚拟实验模块, 是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验, 医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件, 可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设, 可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单, 容易实现, 见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整, 有一个磨合期。另一种是因地制宜, 自主开发。根据本校的实际教学和实验情况, 结合学生的实际水平, 由任课教师或聘请部分专家组成开发小组, 进行一系列的虚拟实验项目的开发研究, 并将研究的成果连接到虚拟实验室中, 逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活, 能充分发挥教师的积极性, 能有针对性地进行设计开发, 适合学生的实际情况, 学生容易接受, 并且经费投入较少。缺点是开发周期较长, 系统性不够, 水平有限。也可以将上述两种方式结合起来, 一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目, 二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目, 如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。

二、加强网络虚拟实验室的管理

1.加强用户管理, 为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室, 使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室, 在上面提出问题、发表见解, 做好实验, 努力提高虚拟实验室的人气。

2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验, 自己设计实验方案, 动手完成实验, 整理和总结实验数据, 职称论文提交实验报告, 培养学生的分析能力和创新能力, 逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。

3.组织专业教师网上指导与答疑, 参与论坛讨论交流, 及时批改实验报告, 为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中, 教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答, 并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点, 提出问题让学生思考, 使师生在虚拟实验室中有较强的互动性, 教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。

4. 对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况, 给学生一个成绩和评价, 反馈给学生, 英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时, 征求学生对虚拟实验室的意见, 对学生反馈的信息进行整改。

计算机网络虚拟实验室的建立, 可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题, 对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系, 不能一味地强调虚拟实验, 要“虚实”结合, 既相互补充, 又各有侧重, 这样才能取得很好的实验教学效果。同时, 在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。 参考文献

[ 1] 王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报, 2005( 4) .

[ 2] 蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报( 自然科学版) , 2002( 3) .

[ 3] 易小琳, 王鑫等.网上计算机系统虚拟实验室的研究.计算机工程, 2002( 1) .

第5篇

    一、网络虚拟实验室的建立

    1.虚拟现实技术

    虚拟现实VR( Virtual Reality) 是近几年来信息技术迅速发展的产物, 毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境, 即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。

    虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性, 是指观察者对虚拟世界的情感反映, 这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界, 这是虚拟现实的首要特征。交互性, 是指虚拟现实是一个开放的环境, 能对用户的输入作出响应, 并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性, 是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面, 还是一个应用系统, 它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同, 可以分为三种类型: 沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景, 用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互, 它的特点是结构简单、成本较低, 易于推广。

    2.网络虚拟实验室

    所谓网络虚拟实验室, 是指利用区域网或互联网, 由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统, 包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现, 也可以是虚拟构想的实验室, 虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中, 实验者有逼真的感觉, 有身临其境的感受, 好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中, 没有一个有形的实验室, 也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象, 实验过程主要是对虚拟物的操作。

    3.计算机专业虚拟实验室的创建

    构建专业虚拟实验室, 其实就是搭建一个网络平台系统, 包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,

    目前各校都建立了校园网络并接入了互联网, 这些基础设施基本可以满足需求, 不需要太多的投入。在软件方面, 一个是实验室平台软件系统的开发, 它与网站建设相联系; 另一个是网站的内容( 实验内容) 建设, 这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑, 不然软件平台就是一个空架子, 形同虚设。同时, 该平台上还应有实验管理的支持, 对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理, 并对虚拟实验室进行监控, 计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。

    ( 1) 实验管理模块, 由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面, 学生通过浏览器进行注册登录, 登陆成功后可浏览实验项目, 查看实验的详细资料, 预约实验项目及做实验的时间, 在线发送和接受消息, 进行问题讨论, 进行实验登记, 实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面, 可对实验内容添加、修改、整理、删除, 对学生提交的实验报告列表, 批改实验报告, 填写评语和成绩, 提交批改结果, 与学生进行讨论。仪器管理方面, 对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理, 以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况( 实验次数、实验报告及完成情况) 给出成绩, 并进行统计分析及提供查询等。

    ( 2) 仪器展示模块, 对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理, 以图形的方式直观呈现出来, 供学生在实验时进行选择。

    ( 3) 实验指导模块, 包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

    ( 4) 实验报告模块, 主要对学生完成实验后, 提供相关的实验报告模板, 供学生下载, 由学生填写相关内容以及实验的结果, 完成后上传电子版实验报告, 由教师进行批阅, 并进行记载。

    ( 5) 实验答疑模块, 由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答, 帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度, 并及时反馈、调整教学。

    ( 6) 论坛交流模块, 教师和学生可以通过论坛进行充分的交流, 学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题发布到论坛上, 教师可以将一些典型的问题提出来, 供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解, 教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息, 以便整改。

    ( 7) 虚拟实验模块, 是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验, 医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件, 可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设, 可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单, 容易实现, 见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整, 有一个磨合期。另一种是因地制宜, 自主开发。根据本校的实际教学和实验情况, 结合学生的实际水平, 由任课教师或聘请部分专家组成开发小组, 进行一系列的虚拟实验项目的开发研究, 并将研究的成果连接到虚拟实验室中, 逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活, 能充分发挥教师的积极性, 能有针对性地进行设计开发, 适合学生的实际情况, 学生容易接受, 并且经费投入较少。缺点是开发周期较长, 系统性不够, 水平有限。也可以将上述两种方式结合起来, 一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目, 二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目, 如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。

    二、加强网络虚拟实验室的管理

    1.加强用户管理, 为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室, 使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室, 在上面提出问题、发表见解, 做好实验, 努力提高虚拟实验室的人气。

    2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验, 自己设计实验方案, 动手完成实验, 整理和总结实验数据, 职称论文提交实验报告, 培养学生的分析能力和创新能力, 逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。

    3.组织专业教师网上指导与答疑, 参与论坛讨论交流, 及时批改实验报告, 为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中, 教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答, 并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点, 提出问题让学生思考, 使师生在虚拟实验室中有较强的互动性, 教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。

    4. 对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

    评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况, 给学生一个成绩和评价, 反馈给学生, 英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时, 征求学生对虚拟实验室的意见, 对学生反馈的信息进行整改。

    计算机网络虚拟实验室的建立, 可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题, 对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系, 不能一味地强调虚拟实验, 要“虚实”结合, 既相互补充, 又各有侧重, 这样才能取得很好的实验教学效果。同时, 在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。

    参考文献

    [ 1] 王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报, 2005( 4) .

    [ 2] 蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报( 自然科学版) , 2002( 3) .

第6篇

一、网络虚拟实验室的建立

1.虚拟现实技术

虚拟现实VR( Virtual Reality) 是近几年来信息技术迅速发展的产物, 发表毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境, 即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。

虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性, 是指观察者对虚拟世界的情感反映, 这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界, 这是虚拟现实的首要特征。交互性, 是指虚拟现实是一个开放的环境, 能对用户的输入作出响应, 并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性, 是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面, 还是一个应用系统, 它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同, 可以分为三种类型: 沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中,桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景, 用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互, 它的特点是结构简单、成本较低, 易于推广。

2.网络虚拟实验室

所谓网络虚拟实验室, 是指利用区域网或互联网, 由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统, 包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现, 也可以是虚拟构想的实验室, 虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中, 实验者有逼真的感觉, 有身临其境的感受, 好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中, 没有一个有形的实验室, 也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象, 实验过程主要是对虚拟物的操作。

3.计算机专业虚拟实验室的创建

构建专业虚拟实验室, 其实就是搭建一个网络平台系统, 包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上,

目前各校都建立了校园网络并接入了互联网, 这些基础设施基本可以满足需求, 不需要太多的投入。在软件方面, 一个是实验室平台软件系统的开发, 它与网站建设相联系; 另一个是网站的内容( 实验内容) 建设, 这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑, 不然软件平台就是一个空架子, 形同虚设。同时, 该平台上还应有实验管理的支持, 对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理, 并对虚拟实验室进行监控, 计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。

( 1) 实验管理模块, 由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。发表硕士论文在学生管理方面, 学生通过浏览器进行注册登录, 登陆成功后可浏览实验项目, 查看实验的详细资料, 预约实验项目及做实验的时间, 在线发送和接受消息, 进行问题讨论, 进行实验登记, 实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面, 可对实验内容添加、修改、整理、删除, 对学生提交的实验报告列表, 批改实验报告, 填写评语和成绩, 提交批改结果, 与学生进行讨论。仪器管理方面, 对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理, 以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况( 实验次数、实验报告及完成情况) 给出成绩, 并进行统计分析及提供查询等。

( 2) 仪器展示模块, 对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理, 以图形的方式直观呈现出来, 供学生在实验时进行选择。

( 3) 实验指导模块, 包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

( 4) 实验报告模块, 主要对学生完成实验后, 提供相关的实验报告模板, 供学生下载, 由学生填写相关内容以及实验的结果, 完成后上传电子版实验报告, 由教师进行批阅, 并进行记载。

( 5) 实验答疑模块, 由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答, 帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度, 并及时反馈、调整教学。

( 6) 论坛交流模块, 教师和学生可以通过论坛进行充分的交流, 学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题发布到论坛上, 教师可以将一些典型的问题提出来, 供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解, 教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息, 以便整改。

( 7) 虚拟实验模块, 是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验, 发表医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件, 可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设, 可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单, 容易实现, 见效较快。但需要投入较多的软件购置费用,同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整, 有一个磨合期。另一种是因地制宜, 自主开发。根据本校的实际教学和实验情况, 结合学生的实际水平, 由任课教师或聘请部分专家组成开发小组, 进行一系列的虚拟实验项目的开发研究, 并将研究的成果连接到虚拟实验室中, 逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活, 能充分发挥教师的积极性, 能有针对性地进行设计开发, 适合学生的实际情况, 学生容易接受, 并且经费投入较少。缺点是开发周期较长, 系统性不够, 水平有限。也可以将上述两种方式结合起来, 一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目, 二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目, 如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。

二、加强网络虚拟实验室的管理

1.加强用户管理, 为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室, 使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室, 在上面提出问题、发表见解, 做好实验, 努力提高虚拟实验室的人气。

2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验, 自己设计实验方案, 动手完成实验, 整理和总结实验数据, 发表职称论文提交实验报告, 培养学生的分析能力和创新能力, 逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。

3.组织专业教师网上指导与答疑, 参与论坛讨论交流, 及时批改实验报告, 为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中, 教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答, 并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点, 提出问题让学生思考, 使师生在虚拟实验室中有较强的互动性, 教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。

4. 对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行

评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况, 给学生一个成绩和评价, 反馈给学生, 发表英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时, 征求学生对虚拟实验室的意见, 对学生反馈的信息进行整改。

计算机网络虚拟实验室的建立, 可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题, 对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系, 不能一味地强调虚拟实验, 要“虚实”结合, 既相互补充, 又各有侧重, 这样才能取得很好的实验教学效果。同时, 在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。 参考文献

[ 1] 王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报, 2005( 4) .

[ 2] 蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报( 自然科学版) , 2002( 3) .

第7篇

关键词:虚拟机技术,网络实验平台

 

一、引言

无论在软件开发调试过程中,还是在网络教学科研环节里,都需要搭建专门的网络实验室。为了能在不同的网络环境下进行实验,网络实验室通常需要配备多种网络设备和辅助设施,不但增加了成本开销,同时资源也得不到合理有效的利用。利用VMWare虚拟机软件搭建虚拟的网络实验平台,能够方便快捷的配置和更改网络实验环境,同时也降低了网络实验成本和设备维护费用。

二、VMWare虚拟机软件

VMWare是一个虚拟机软件,可以在一台机器上同时运行多个操作系统和应用程序,利用虚拟基础构架在多台虚拟机之间共享单台物理机的资源,以提高资源的使用效率。同以往的“多启动”系统不同,VMWare真正实现了“同时”运行多个操作系统。每个虚拟的计算机模拟了一个相对独立的标准PC环境,包含自己的虚拟CPU、RAM 硬盘和网络接口卡 (NIC)。此外,多个虚拟机之间还支持TCP/IP、NovellNetware、Microsoft网络虚拟网络以及Samba文件共享等多种功能。用户可以在主机(GuestOS)和客户机(HostOS)之间任意切换,并在不同的操作系统上开发测试软件或配置网络实验环境。论文格式。

1、配置需求

(1) 硬件配置。

VMware的硬件配置要求CPU 主频不低于266MHZ、内存最小128 MB、硬盘不小于6OO MB的空闲空间。而实际上现在的主流PC的配置已远远满足需求,考虑到要组建包含多台虚拟机的网络实验环境,硬盘和内存的存储容量需要配置得大些,这样可以满足更多的虚拟机同时运行。

(2) 软件配置。

除了主操作系统外,在计算机上还需安装VMware Workstation6.0虚拟机软件,并在计算机上存放Windows2000/2003、WindowsXP、Linux,Unix等操作系统镜像文件,和其他网络管理安全等实验的相关软件。

2、VMWare工作原理

VMware可以使用8个虚拟局域网,提供了桥接(Bridged)联接、仅为主机(Host—only)联接、网络地址转换(NAT)联接和不用网络联接四种主要的联网方式。系统通过虚拟的交换设备来实现虚拟机与主机之间或虚拟机之间的网络连接。论文格式。虚拟的交换设备分别是VMnet0,VMnetl,VMnet2,?? ,VMnet8,在默认情况下,VmnetO默认设置为桥接联网模式,Vmnetl默认设置为仅主机联网模式,而Vmnet8默认设置为NAT联网模式,通常情况下,建立虚拟机时可以根据实际需求直接将虚拟计算机加入网络即可。

3、VMWare的网络模式

(1) 桥接(Bridged)联接

桥接模式下,VMware提供了虚拟网桥进行桥接,主机的物理网卡与虚拟机的虚拟网卡共同连接在VMnet0交换机上,虚拟机与主机处于同一网段,网络中其它计算机中可以访问到这台虚拟机,这台虚拟机也可以使用虚拟网络提供的服务,并且还可以与其他的机器共享资源。

(2)仅为主机(Host—only)联接

主机模式提供隔离的虚拟机环境,虚拟机与主机建立虚拟私有网络,通过VMnet1交换机动态分配虚拟网络的TCP/IP配置信息。外界无法直接访问虚拟网络中的成员,只有同为Host—Only模式下虚拟机和主机可以互相访问。

(3)网络地址转换(NAT)联接

NAT模式中外网机器不能访问虚拟机,但虚拟机可以通过主机代理访问外网。VMnet8虚拟出主机与虚拟机的内网,由主机作为NAT设备提供网络地址转换功能,主机的物理网卡连接外网,而虚拟网卡则连接内网,通过Mnet8虚拟网络的DHCP服务器提供虚拟系统的TCP/IP配置信息。

(4)不用网络联接

这种模式下,虚拟机不与任何计算机联网。这种方式主要用于不需要网络的工作环境,比如在不同操作系统下的测试软件,或者出于安全不需要联网等。

三、构建虚拟网络实验环境

如今VPN技术得到了广泛的应用,虚拟专用网络VPN(Virtual Private Network)是在公共网络的基础上,通过特殊的加密的通讯协议,达到私有专用网的安全性能。虚拟专用网的任意两个节点之间,没有传统意义上的真实物理连线连接,而是通过对公共网络的资源进行动态组合形成。虚拟专用网可用于实现网站之间安全通信的虚拟专用线路,可以帮助远程用户建立可信的安全连接,并保证数据的安全传输。

利用VMWare虚拟机软件搭建虚拟的网络实验环境,配置VPN服务的主要步骤如下:

1、网络环境配置

实验需要Windows Sever 2003操作系统主机一台,用做VPN服务器;在主机上安装VMware虚拟机软件,虚拟Windows XP操作系统客户机一台,用于VPN客户端,并设置为NAT网络连接模式。

2、VPN服务器配置

首先在Windows Sever 2003主机的管理工具中打开“路由和远程访问”后,进入本地服务器的“配置并启用路由和远程访问”界面。在“路由和远程访问服务器安装向导”对话框中选择“自定义配置”,随后选择“VPN”访问以开启VPN服务。

VPN服务开启后,需要设置IP地址池。在“路由和远程访问”的界面下面选择“属性” 进行配置,在VPN服务器的“属性”窗口中点击“IP”标签。如图1所示,在“IP地址指派”中选择“静态地址池”,并设置IP地址范围。这个IP地址范围就是VPN局域网内部的虚拟IP地址范围,每个拨入到VPN服务器的客户机都会分配到一个范围内的IP地址,在虚拟局域网中通过这个IP地址相互访问。

图1:设置静态地址池

3、创建VPN用户

在Windows Sever 2003管理工具中选择“计算机管理”。根据实际需要添加用户,然后在用户属性界面里选择“拨入”标签栏,并设置“远程访问权限”为“允许访问”,这样该用户可以就通过VPN拨入服务器了。如图2所示。

图2:用户属性界面

4、VPN客户端配置

打开VMware Workstation6.0虚拟机软件,选择并运行虚拟的Windows XP操作系统客户机。客户机启动完成后,在“网络连接”窗口下,选择“创建一个新的连接”。在“新建连接向导”对话框里,选择连接类型为“连接到我的工作场所的网络”,并将工作点与网络连接方式设置为“虚拟专用网络连接”,接下来输入该VPN连接的名称,然后在 “公用网络“界面”里 选择“不拨初始连接“单选按钮,在随后的“VPN服务器选择”界面中,需要填写上VPN服务器的IP地址,最后单击“完成”按钮以保存连接。

5、测试VPN服务

运行虚拟的Windows XP操作系统,在“网络连接”窗口中打开已经建好的VPN连接,输入在WindowsSever 2003的VPN服务器中事先添加的“用户名”和“密码”,并进行连接。连接成功后,在虚拟的Windows XP客户机上运行ipconfig/all指令,这样就可以看到客户机从VPN 服务器获得的IP 地址,如图3所示。论文格式。

图3:VPN服务器分配的IP地址

四、后记

有效应用虚拟机技术,在保证实验设备的安全性的同时,还为计算机网络实验提供了新的平台。通过使用虚拟网络环境进行实验,不但提高了现有系统的利用率,还一定程度上解决了实验设备和场地不足的问题。当前虚拟机技术仍在不断的发展更新,今后的运用前景将会更为广阔。

参 考文 献

[1] 王太成,利用虚拟机技术完成复杂网络实验[J],计算机技术与发展,2009(4):246-249

[2] 全金连 覃毅..VMware在计算机网络实验中的应用[J].现代计算机,2009(12): 144-146

[3] 刘真.虚拟机技术的复兴[J].计算机工程与科学,2008,3O( 0):105-107

[4] 王海军,张敏锐,李凌云,等.网络虚拟实验系统实现技术的比较与分析[J].南京晓庄学院学报,2006(4):1O1-102

第8篇

关键词:虚拟现实;建模;交互;虚拟实验室

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2696-02

Design and Research on Structured Cabling System Virtual Lab

CHEN Ze-bin, GUO Yao-tian, WANG Jian-xin

(School of Information Science Technology, Hainan Normal University, Haikou 571158, China)

Abstract: In this paper, we present effective measures to achieve a structured cabling virtual experiment platformfor the needs of experimental teaching for the structured cabling. According to the Hainan Normal University as a specific application environment and the virtual laboratory performance requirements, the use of three-dimensional virtual modeling, network virtual interaction, data optimization and other key technologies, the virtual laboratory system base on Internet interactive was established.

Key words: virtual reality; digital modeling; interactive; virtual lab

1 概述

我国的高等教育历来强调理论性、系统性,学时安排也以理论教学为主,实践教学为辅;重理论、轻实践、重知识、轻能力的现象普遍存在。另外,我国的高等教育投入不足,扩招使一些学校,特别是理工科学校面临的硬件设施不足和经费短缺方面的困难更加突出,实践教学环节被进一步削弱。这就不可避免地导致学生在一定程度上理论与实践脱节,创新素质不高,动手能力不强。结构化综合布线课程在理工科专业中已经占据了非常重要的地位,是在同类课程中以上问题最突出的专业基础课程之一。建设虚拟实验室目的是运用现代教育和教学理论,结合先进的计算机及网络技术,改革传统的实验教学模式,构建一个基于虚拟现实技术的网络实践教学平台,解决目前所存在的问题,提高实践教学效果。

2 基于VRML结构化综合布线虚拟实验室的设计

结构化综合布线虚拟实验室是以结构化布线理论为指导,利用现代网络技术与虚拟现实技术,集理论教学、实验项目演示和虚拟实验训练一体的网络虚拟教学平台。按照结构化综合布线课程实验教学大纲的实验项目设置,建立一个使得实验者具有身临其境的现实感觉,通过网络随时随地的进行课程实验,提高实践学习的兴趣,提高学习的效率。

2.1 虚拟实验室设计与分析

虚拟实验室是针对结构化综合布线实验室进行虚拟建模,要求的虚拟环境完成结构化综合布线课程的相关实验,具有高仿真度、全交互、可视化、易访问等特点,结合VRML、3DS MAX、Photoshop和Javascript等开发工具[1-3],使用户可以随时随地的访问,通过鼠标和键盘对实验设备模型进行多角度多方位操作,完成实验项目的演示和虚拟训练,使用户对虚拟实验教学内容有直观认识,达到远程虚拟实验教学的目的,提高学生的动手能力。 具体的实验清单如表1所示。

2.2 虚拟实验对象建模

根据以上结构化综合布线实践项目清单,实验环境和实验项目主题对象包括了实验室的实验展示台、网线、打线器、配线架、机柜和线槽等,建模要求的数量多,形状复杂,直接采用虚拟语言逐一编写模型代码非常繁琐,因此,本文采用3DMAX工具预先建立三维模型,在应用环境中对建模进行拍错调整,减小文件大小,以更好的匹配实际的实验场景模型[4-5]。其中,实验室环境模型主要是静态试题模型,如:门,窗,实验台,凳子等,可采用几何建模技术实现,通过VRML自身自带功能,如Scale,Inline等实现环境造型,且数据量小,方便网络传输应用。而其他实验器材工具模型的构建非常复杂度,需要借助三维建模软件建模,本文采用3DMAX软件完成,但是,采用3DMAX建模对不规则物体建模转换为VRML代码后,产生大量无效代码,影响浏览效果,需要对代码进行优化。

首先,VRML文件的数据量直接影响网络实时浏览,需要减少文件传输数据。三维模型中的重复建模造成VRML文件存在重复代码,通过重用代码来减小代码的数量;同时,适当降低数据精度,在可接受的浏览效果范围内,尽量多采用整数数据,并对数据进行压缩处理。其次,提高渲染速度。多使用规则几何节点来建模,简化模型的复杂度;实验场景光照单一,相应使用单一光源;非关键部分使用贴图的形式。本虚拟实验室的模型如图1所示。

2.3 虚拟实验交互设计

VRML文件包括场景描述与动态交互处理,采用场景描述来构造实验虚拟场景,实验场景由各种实验器材或场景实物节点组成,它们之间通过消息来进行联系。动态交互处理通过VRML的节点和路由连接而成,节点产生事件,路由传播和处理事件[6-7]。虚拟实验项目操作过程即为事件的动态处理过程,VRML中定义了时间感应器、触发感应器、邻近感应器、可见感应器、平面感应器、球面感应器和圆柱感应器来对不同的动态变化进行检测,经过感应器检测动态交互引起的动态变化。

VRML的节点之间的事件处理只能达到简单虚拟动态变化效果,不能满足实验虚拟操作的细节要求,为了提高VRML事件之间的控制能力,扩展交互功能,采用Java编程为VRML浏览器提供相应的功能增强支持。通过VRML内部Script节点和外部编程接口与java连接,管理内部事件之间的变化和网络交互控制。将Java与VRML结合,能够很好地实现网络虚拟实验平台。使用VRML进行场景构造,内嵌用Java编写的程序设计实现对象的编程行为。这使VRML在网上创建充满真实感的三维虚拟世界,为用户提供一种自然的、身临其境的体验方式,包括交互性、动态效果、连续性及参与感。

3 结论

本文阐述了虚拟实验教学在实践教学中的发展意义,对结构化综合布线实验进行了系统的分析、设计与实现。并研究了3D建模技术和虚拟现实编程语言等关键技术,结合结构化综合布线的实际问题,选用适当的三维建模工具和网上交互方式,以达到结构化综合布线实验的实践教学要求。

参考文献:

[1] 何书前,桂占吉,高慧鸿.多用户网络虚拟校园漫游系统的构建与研究[J].现代计算机,2009(2):17-19.

[2] 吴金来.基于VRML的坦克火炮网络教学系统的研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[3] 严子翔.VRML虚拟现实网页语言[M].北京:清华大学出版社,2001.

[4] 邱进冬,杨志雄,顾新建.基于Web的虚拟现实的开发与应用[J].计算机应用研究,2003,20(3):92-95.

[5] 刘航,王积忠,王春水.虚拟校园三维仿真系统关键技术研究[J].计算机工程与设计,2007,28(12):2934-2936.

第9篇

论文摘 要:随着时代的进步和信息化时代的到来,我国的网络虚拟技术得到了跨越式的发展。传统的教学实验室已不能满足当代教育发展的需要,被虚拟实验室所替代已逐步成为发展潮流。本文通过对电工电子虚拟实验室的概述和思考,分析电工电子虚拟实验室的重要功能,旨在与同行交流,以适应新时代下的教学实验需求。

我国中职学校在电工电子教学过程中,不仅应注重中职学生基本知识、基本技能和基本方法的培训,也注重中职学生自主实验的要求。这就要求必须配备相应的实验室,因为它是用于培养中职学生的创新能力和发展复合型人才的基本教学和科研场所。而传统的电工电子实验的投资相对较大、硬件设施依赖性强、运行与维护成本过高且效率不高,又由于受到实验课数、实验室的开放和环境等因素的影响,导致我国中职学校的电工电子教学效果不理想。因此,加强对电工电子虚拟实验室的功能探究,对虚拟实验室建设的认识具有十分重要的意义。

一、概述

随着计算机网络的普及与虚拟现实技术的不断完善,我国中职学校在虚拟实验室的建设方面得到了一定的普及。虚拟实验室的本质意义就是泛指计算机系统中,集虚拟现实、数据库、虚拟仪器、计算机网络与计算机实时监控等技术为一体的虚拟实验环境,用户通过一些渠道把控制信号和参数指令发送至仿真对象或物理设备,然后把实验结果通过文档、图片、视频和动画等形式发给用户,满足用户通过远程服务进行实验。虚拟实验室是集Internet网络技术、仪器控制技术和通信技术于一体的虚拟实验教学系统,用户只需拥有一台电脑,通过因特网就能访问这一虚拟实验教学系统,在Web页面上挑选有关实验实现远程操纵实验所需的仪器设备,并进行实验操作,另外用户还可以直接从网上获取实验数据,动态监控实验结果。目前很多中职学校的虚拟实验室的构造都是客户端在web的基础之上,运行在浏览器之中,由Web服务器自动下载用户系统所需的客户端程序;随后客户端程序与现实意义的服务器端的应用程序建立一个即时通信平台并进行实验。这个虚拟实验教学系统是由实验设备、客户端和服务器端组合而成。

二、关于电工电子虚拟实验室的思考

随着教学体制的改革,实践环节成为中职学生深刻理解理论知识的一个重要环节,实验成为教学环节中不可缺少的重要组成部分。许多中职学校的实验室存在教学设备陈旧、教育资金不足,难以满足日益增长中职学生的需求和跟上技术日新月异发展的步伐。并且有些实验危险性大,在实验室难以开展,使中职学生难以亲眼观察实验现象及结果。随着计算机的性价比和易用性的提高,使得虚拟实验室在教学、科普教育和技术研究领域应用将越来越广泛。在虚拟实验室中,实验者有逼真的感觉,他似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础,中职学生可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面拥有自己的实验室。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室智能化特征,通过网络中职学生可以身临其境地观察实验现象,并可以观察各实验仪器的详尽情况,不受时间和空间的限制。

近年来,随着电工电子虚拟实验室的不断发展。虚拟实验室表现在人们可以自主地、灵活地模拟操作各种实验仪器,完成各种分析测试任务,评价实验者的操作水平与实际能力。但是现在很多中职学校的电工电子虚拟实验室的实现和播放课件方式相似,中职学生只能通过虚拟实验室进行简单的浏览及实验结果曲线的动画显示。中职学生没有身临其境的感觉,没有真正动手通过实验仪器的操作而显示实验结果,而只是简单对实验数据的输入产生实验结果。

三、电工电子虚拟实验室的重要功能

我国中职学校的传统电工电子实验室一般有电工电子技术实验室、电路实验室和高频电路实验室等实验室。它们的主要功能是用于开设基础训练课目,培养中职学生了解和使用常用实验仪器设备的使用方法和技术,使中职学生具备最基本的实验能力,加以巩固理论课中的所学的电路工作原理,进一步证明理论的准确性。中职学校可以利用多媒体软件、电路仿真软件和虚拟仪器软件组建电工电子虚拟实验室,不仅可以解除实验教学的空间限制,还能使实验教学的实际内容和形式变得丰富多彩,从而提高实验教学的效果、培养中职学生的学习兴趣,使他们学会利用计算机网络技术进行自主学习,通过不断实践和学习,逐步摆脱传统实验室带来的时间、地点、设备和内容等方面的束缚。所以,中职学校应注意电工电子虚拟实验室在基础性实验、综合型设计实验和演示型实验教学中的重要作用。

(一)基础性实验

基础性实验的重要意义就在于能够培养中职学生了解和使用常规的仪器设备,并对理论课中的所学的电路工作原理进一步验证和巩固。借助电工电子虚拟实验室,中职学生通过一台计算机就可以熟悉常用仪器设备的性能及使用注意事项,分析电路的性质,从而提高中职学生的自学能力,减轻教师的教学负担,考验中职学生独立思考能力、分析问题能力和解决问题的能力。

(二)综合型设计实验

借助电工电子虚拟实验室进行课程设计。例如,在设计电路时,可以让中职学生先检验自己设计的电路能否符合仿真检验电路的性能要求,只有符合仿真检验电路的性能要求,才能输到protel进行电路板绘制工作,完成电路板制作、焊接与测试。从而大大节省设计时间、节约设计成本。

(三)演示性实验

对于一些开设成本高、仪器设备复杂的教学实验只能进行演示性实验。比如调频、调幅收发机的实验就十分复杂,不仅有高频电路,也有低频电路;不仅有时域分析,也有频域分析,在传统的实验室内是难以完成综合性强的实验。因此,只有借助于电工电子虚拟实验室进行实验演示,才能使中职学生掌握综合性复杂实验,逐步意识到虚拟实验室的重要作用。

总之,在中职学校的教学实践工作中,所构建的电工电子虚拟实验室应具备为实验教学提供重要的技术支持和服务,从而推动实验教改,替代传统的教学实验仪器设备,降低办学成本,助推学校健康和谐的飞速发展。

参考文献

[1]陈烨,袁小平.电工类专业中职学生创新能力培养的研究与实践[J].电气电子教学学报,2010,(S2) .

第10篇

论文摘要 目前计算机教学存在硬件、软件和教学三方面的问题,虚拟机是解决这些问题的很好的技术途径。虚拟机具有集成性、移植性、经济性和可维护性的优点,在计算机教学中的具体应用包括操作系统安装、计算机维护、网络技术应用、网络安全、软件测试和课件制作。

近几年,虚拟机逐渐被应用于许多学校的计算机教学领域,成为一种非常有效的辅助工具。笔者从自身的计算机教学实际出发,借助虚拟机解决计算机教学中的一些问题,有效地提高了计算机教学的质量,取得良好的教学效果。

1 计算机教学的现状

目前,计算机教学取得一定的成绩,也存在一些问题,主要表现为以下几个方面。

1.1 硬件方面

计算机是一门实践性非常强的学科,需要给学生提供良好的实践环境。同时,随着科学技术的迅猛发展,计算机硬件的更新速度加快,计算机教学的开展也受到全新的挑战。由于我国目前招生规模的扩大,经费又相对投入有限,使得实验设备和实验场地不能及时得到扩充,教学设备的硬件建设相对欠缺和滞后,新建计算机硬件实验室、计算机网络实验室等更是不现实的。但是,计算机教学中的很多实验,如局域网的搭建,需要利用多台计算机和多种设备,由于现有的硬件配置条件有限,学生没有亲自做实验的条件和机会,无法培养其动手操作能力。

1.2 软件方面

目前的计算机教学一般是使用公共机房。公共机房只能满足一般的实验要求,同时为了便于机房的管理和维护,通常为所有的计算机安装硬盘保护卡和应用系统策略来限制学生的某些操作。学生上机的时候,不允许他们随意安装软件,更不允许进行如硬盘分区、格式化等操作。学生无法在实际的环境中操作练习,只能被动地进行一些简单的实验操作,实践教学的效果较差。

1.3 教学方面

许多计算机教师的思想观念还没有完全转变,在计算机教学中,重理论、轻实践,一直采取单一的理论讲授教学,非常抽象、枯燥,学生难以理解和掌握。当然,也由于经费等各方面的原因,教师一般采取以讲代练或课堂演示的方式进行教学,使得学生只有理论知识而缺乏动手实践,无法操作实验,对一些知识点无法掌握透彻。

综合以上分析,可以看出目前计算机教学存在问题的关键是教学设备不足。如何充分利用好现有的教学设备,来满足最大化的教学需求,这是一个新的挑战。笔者认为利用虚拟机可以改善上述计算机教学中存在的问题,较好地达到一机多用的目的。

2 虚拟机简介

2.1 虚拟机的概念

虚拟机(Virtual Machine,简称VM),就是虚拟的计算机,是指运行于物理计算机上的、用软件模拟出来的、具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的计算机系统。虚拟机是相对于常用的物理计算机而言的,又被称为逻辑计算机,其本质上是对物理计算机的模拟仿真。

虚拟机以文件的形式存放于物理计算机中,仅占用物理计算机的一部分资源。一台物理计算机,可以虚拟出多台完整的虚拟机,并且不同的虚拟机可以运行单独的操作系统而互不干扰,使用的时候就如同打开一个应用程序一样。

每台虚拟机都具有自己的CPU、内存、硬盘、网卡、BIOS、光驱、显卡、声卡、USB接口等,只不过这些硬件设备都是用虚拟软件模拟出来的。在计算机教学中,可以利用虚拟机进行开机、关机、硬盘格式化、设置BIOS等操作,这一切对主机没有任何影响。

目前,计算机教学中比较常用的虚拟机软件主要有WMware公司的WMware Workstation和微软公司的Microsoft Virtual PC这两种。VMware技术相对比较成熟,可以虚拟更多的主流操作系统,功能更强大,使用起来比较容易,市场占有率比较高。

2.2 虚拟机的优点

1)集成性。能够在一台PC机上运行多个虚拟机,每个虚拟机都可安装不同的操作系统,而不需要对物理硬盘进行分区或重新开机,不受到物理计算机硬件的限制。各虚拟机与主机之间可以进行通信、共享文件和网络资源。

2)移植性。虚拟机表现在物理电脑上是一个文件,不同的操作系统之间能够进行互动操作。使用者可以直接拷贝备份好的虚拟机文件到其他计算机上使用,大大节省系统安装的时间。

3)经济性。由于虚拟机是利用软件来模拟完整的计算机系统,无需添加新的硬件设备,真正可以做到一机多用,同时又节省维护费用。

4)可维护性。虚拟机与主机之间有良好的隔离性,在虚拟机上进行的操作不会破坏物理计算机的操作系统和软件,对主机现有的硬盘分区和数据都不会造成任何破坏。

3 虚拟机在计算机教学中的具体应用

3.1 操作系统安装

操作系统有MS-DOS、Windows98、Windows2000、Windows XP、Linux、Unix等不同系列、不同版本。由于操作系统的安装具有一定的危险性,学生可以在硬盘上建立自己的虚拟机,并进行安装操作系统的练习。在虚拟机环境下可以实现多个操作系统同时运行,带来极大的方便。

3.2 计算机维护

出于公共安全考虑,磁盘分区、格式化等危险操作,学生一般没有机会亲手实践。在虚拟机环境下,学生可以任意进行磁盘分区、格式化、设置CMOS、设置BIOS SETUP参数等一些计算机维护操作。操作完成后,通过映象功能可以非常轻松地将操作系统恢复到原样。

3.3 网络技术应用

学生在学习局域网的组建、网络配置与管理、FTP、邮件服务器等各种网络服务的配置、远程访问和路由的设置等知识时,单凭理论讲授是很难理解和掌握的。利用虚拟机,学生可以在单台计算机上组建网络环境,进行各种网络配置,也可以组建虚拟局域网,实现集群试验。若学生不能按时完成实验,借助虚拟机的挂起功能,保留当前状态,以便下次继续完成。

3.4 网络安全

在网络环境下,病毒、木马、黑客程序非常盛行。教师在讲解计算机病毒、木马等知识时只能停留在讲述阶段,利用虚拟机可以改变这一状况。教师可以在虚拟机系统上植入病毒文件进行病毒、木马程序的传播与演示,以及实现安全防御等操作,让学生更加直观地了解系统的安全及防御技术。

3.5 软件测试

学生在学习软件设计、网页设计等课程时,编写的程序需要在多种环境及多种操作系统环境下进行测试。应用虚拟机,不需要实际安装所有的系统与插件,就可以轻松地模拟出各种测试环境,有利于发现问题和解决问题。

3.6 课件制作

计算机教师在制作课件时,常常会需要多种操作系统中的操作。通过虚拟机软件,可以使用Snagit、HyperSnap-DX等屏幕捕捉程序,方便地把样图抓取下来,或者直接利用视频捕捉功能将操作过程录制下来,有助于制作图文并茂的课件。

总之,虚拟机是计算机教学的有效工具,在计算机教学中有非常重要的作用和广泛的应用。如何利用虚拟机更好地为计算机教学服务,是每个计算机教师需要研究的一个新课题。

参考文献

[1]刘晙.谈谈计算机教学中虚拟机的应用[J].科技资讯,2009(36):190

[2]蔡友林,祝红琴,司红伟.虚拟机技术在计算机教学中的探讨[J].电脑知识与技术,2009,5(10),7889-7990

第11篇

关键词: 虚拟实验室 虚拟实验 体系结构 功能 功能模块

随着高等教育的深化改革和招生规模的急剧扩大,我国高校普遍陷入了实验教学的困境,主要表现在硬件设施不足、教学时空受限、教学方法和内容落后。在计算机和网络通信技术快速发展的前提下,充分利用计算机资源的虚拟实验室成为解决这些现存问题、提高实验教学质量的重要选择。

1.虚拟实验室的功能

1.1教育功能

让学生通过使用虚拟或真实仪器、装置或系统的模拟装置来熟悉实验过程,掌握相关技术:能满足不同知识背景学生的要求,根据其能力、实验经验等调整资源模块,保证学生在单独使用模拟环境时能进行各种实验操作。

1.2辅助设计功能

例如现代电子系统的设计与分析,是运用EDA(Electronic Design Automation),在分布式网络环境下,在EDA平台上进行设计、下载、综合、仿真,然后在实际条件下进行测试。EDA模拟软件将仪器、仪表、模拟器件、数字器件等直观地反映在计算机屏幕上,可灵活地改变电路结构和参数,反复观察实验的结果,并动态显示电路的波形。

1.3协同实验和研究功能

虚拟实验室利用当前网络技术和设施,使参与试验的人员在远程相互合作,进行试验研究,为分布在世界各地的研究人员提供共同从事一个项目的分布式问题解决环境。

2.虚拟实验室系统体系结构及功能

2.1系统体系结构

组装计算机虚拟实验室的设计应遵循开放性、交互性、安全性、易于维护等原则。构建一个完整的虚拟实验模型,是开发虚拟实验的重要环节。根据虚拟实验室必须完全网络化的要求,以及计算机硬件系统的特性及课程的教学要求,我们设计如图所示的计算机硬件系统虚拟实验室体系结构。

2.2系统功能

2.2.1网络管理平台

2.2.1.1用户管理子系统。从安全性角度考虑,按权限由高到低将用户分为管理员、教师、学生和普通用户4个等级。管理员可对整个实验室的各个子系统进行控制管理;教师能够编写、修改和更新实验教学材料,确定实验报告提交的具体事项和修改实验报告,网上与学生交流,等等;学生能进入各子系统,能设计实验项目;普通用户仅能进行网上讨论、仿真运行已有的实验和浏览系统的教学资料。

2.2.1.2教学管理子系统。包括实验选择、实验报告管理、师生交互等。实验选择子项包括实验教学内容浏览,实验项目选择。实验报告管理子项包括实验报告的上传,教师对实验报告的批阅,学生下载批阅后的实验报告。该子项可确定实验报告的内容、提交的时间,并对报告提交进行时限管理。师生交互子项主要实现师生和学生之间的网上交流,并可通过电子邮件和BBS的方式实现。

2.2.2虚拟实验平台

虚拟实验平台主要用于实验项目(计算机硬件系统电路)的设计和仿真运行,是整个系统的核心部分。

2.2.3数据库

根据虚拟实验室性能要求,设计的系统数据库有:元器件库,设备库,实验项目库,用户库,实验报告库。

2.3系统功能模块

系统功能模块共分为七大模块。

2.3.1实验管理模块

由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。在学生管理方面,学生通过浏览器进行注册登录,登录成功后可浏览实验项目,查看实验的详细资料,预约实验项目及做实验的时间,在线发送和接受消息,进行问题讨论,进行实验登记,实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面,可对实验内容添加、修改、整理、删除,对学生提交的实验报告列表,批改实验报告,填写评语和成绩,提交批改结果,与学生进行讨论。仪器管理方面,对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理,以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况(实验次数、实验报告,以及完成情况)给出成绩,并进行统计分析与提供查询,等等。

2.3.2安装过程演示模块

对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理,以图形的方式直观呈现出来。

2.3.3实验指导模块

包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

2.3.4实验报告模块

主要对学生完成实验后,提供相关的实验报告模板,供学生下载,由学生填写相关内容以及实验的结果,完成后上传电子版实验报告,由教师进行批阅,并进行记载。

2.3.5实验答疑模块

由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答,帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度,并及时反馈、调整教学。

2.3.6论坛交流模块

教师和学生可以通过论坛进行充分的交流,学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上,教师可以将一些典型的问题提出来,供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解,教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息。

2.3.7虚拟实验模块

该模块是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验,以达到巩固强化知识的目的。模块内容根据学习的具体情况及实验建设条件,可不断增加。

计算机网络虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。

参考文献:

[1]朱凤,王汝传,王海艳等.基于VRML室内虚拟环境构建的研究与实现[J].南京邮电学院学报,2004,24,(4):80-85.

第12篇

关键词:体验;科学探究;虚拟实验;实效性

中图分类号:G434 文献标志码:A 文章编号:1673-8454(2013)18-0080-04

一、引言

培养学生科学实验的精神和方法是培养学生科学素养的重要途径,它能培养学生对科学的兴趣,提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力,还可以锻炼学生的科学技能,培养和提高学生的科学素养,同时也是学习科学知识的一种重要方法。但在目前,基于对实验经费和实验安全的考虑,学校中的大部分学习实验往往都只能按照教师规定的操作步骤一步步进行,这样必然也只能得出符合课本结论的实验结果。从本质上讲,这也是一种死记硬背。这样的实验管理不利于培养学生的探索精神和提高其创新能力,同时也有悖于开展科学实验的初衷。

根据波普理论,一个假设是否成为科学,不在于其是否能被证实,而在于其被证伪。[1]在科学实验中,人们可以试错,不断试验以求正确的结果。实验教学也应该让学生去自主探索,在探索中体验,在体验中学习,而不是死记操作步骤来验证已知的结果。但在目前的实验条件和实验环境下要达到这一点有难度,所以我们转而求助虚拟现实技术。

虚拟实验是将虚拟现实技术应用于科学实验教学中,是虚拟现实技术与实验教学发展的必然产物。虚拟实验不仅可以提高实验教学的经济性和安全性,同时还可以实现实验情景和实验数据的可视化、增强实验过程的可控性,对革新传统的实验教学观念也有很大的促进作用。关于虚拟实验和虚拟实验系统的研究有很多,其主要目的或是为了解决异地教学中的实验困难,或是为了缓解实验设备的台套数与学生人数之间的矛盾。大部分虚拟实验系统都有严格的实验规程和实验步骤,真正能让学生“亲身”尝试错误、能让学生在真实的情境中体验错误的研究很少。

体验式虚拟实验是一种将体验式学习理论与虚拟现实技术相结合应用于科学实验的一种学习方法。它将体验式学习理论与虚拟现实技术相结合,让学生在虚拟的实验情景中尽情地发挥其想象力,像做“游戏”一样地反复尝试修改其中的变量,尽可能多地获取具体经验,在体验学习乐趣的同时促进其对知识的建构。为此,我们在遵循科学探究的原则和体验原则的基础上对体验式虚拟实验的功能模块和实验流程进行设计,并通过实践,探索体验式虚拟实验在培养学生的科学探索能力上的可行性及其有效的使用策略。

二、体验式虚拟实验的设计

1.体验性虚拟实验设计的基本原则

(1)科学探究的原则

设计体验式虚拟实验的目的是为了更好地进行实验教学。在实验教学中,对学生进行科学探究能力的培养是一项非常重要的教学目标。因此,科学探究是设计体验式虚拟实验的第一原则。

《美国国家科学教育标准》是这样表述的:科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获得的证据做出解释的各种方式。科学探究也指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念,领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。[2]科学探究是一种多侧面的活动,它需要通过观察提出问题;需要利用已有知识提出猜测或假设,并设计相关方案对猜测或假设进行验证;需要运用多种手段来收集数据,并对数据进行分析和解读。

因此,在进行体验性虚拟实验设计时应该给学生提供“试误”的机会,让学生“亲身”尝试错误,这样不仅能培养学生正确的错误观,同时也能让学生真正体会到科学探索的真谛。因为科学发展的历程本来就是一个不断地提出猜想和假设,发现错误并证伪,再提出新的猜想和假设的循环往复的过程,在科学研究中只有敢于犯错才能推动科学向前发展。[3] 如果只是让学生按部就班地重复“正确”的实验过程,不仅违背了科学实验的初衷,也不利于调动学生参与实验的积极性和探索精神的培养。

另外,在科学实验中,不管是“证实”还是“证伪”,都要以实验数据为依据。因此,体验性虚拟实验也要能为实验提供各种数据,便于学生对实验结果进行分析和解读。

(2)体验的原则

“体验”是体验性虚拟实验的第一个定语,体验学习的原理和方法也是设计体验性虚拟实验要遵循的重要原则。体验是指通过实践来认识周围的事物,亲身经历。体验既是一种活动,也是活动的结果。作为活动,指主体亲历某件事并获得相应的认识和情感;作为活动的结果,指主体从其亲身经历中获得相应的认识和情感。[4]在实际学习活动中,体验强调学生的参与,用心灵亲自感悟。

将体验学习的原理应用于实验教学应该认识到:①体验是一种非知识本位的学习,而是指向学生人格的和谐发展。[5] 因此,在实验设计时应倡导以综合活动为特征,整体吸收知识经验而不是独立地背诵答案的过程;②古人将体验解释为“以身体之,以心验之”。“以身体之”指鼓励学习者寻求自己的体验和自我发展,而不是强调在与他人竞争中获胜的目标。“以心验之”则指仅有学习者的身体力行(体)是不够的,更重要的是学习者对学习经验的领悟、体察和反思,强调质的感悟而非量的增加之结果。[6]

因此,体验性虚拟实验在设计时应坚持学习者的主体地位,为学生提供情境,鼓励探索,并积极反思。

2.体验式虚拟实验设计

(1)实验的功能模块设计

基于以上设计原则,对体验式虚拟实验的功能设计如下:能根据实验要求构建合适的实验条件、能自主地设计实验方案并能对方案的可行性和正确性进行验证、能根据需要收集实验所需要的数据,能以实验报告的形式对实验的过程和结果进行总结。其功能模型见图1。

构建实验条件功能块是指学习者在清楚实验目的和实验要求的基础上,可以在体验式虚拟实验环境中自行选择或配置所需要的仪器设备,为具体的实验做好准备;设计实验方案功能块是指学习者可以自主地进行实验方案的设计并且能将设计方案付诸于实践;验证实验方案功能块是指学习者在实施实验方案的过程中可以对实验方案的可行性和准确性进行检验,为确定之前的设计方案是否有效提供必要的数据;编写实验报告功能块是为学习者提供一个分析实验数据和评价实验方案的平台,让学习者在总结的过程中进行自我评价,针对没有实现的目标重新构建实验条件,对实验方案进行修改和完善,最终实现知识的迁移。

(2)实验流程设计

根据体验性虚拟实验的特点,设计的实验过程如图2所示。首先,熟悉实验的目的和要求,清楚要做什么,理解相关的实验原理;然后根据需要选择和配置实验所需的设备;再综合运用所学知识和技能设计实验方案;在方案的实施过程中不断地对方案进行审视、修改,直至设计方案具体实现;通过各种手段对方案的正确性和合理性进行检测,根据测试结果对实验方案进行修改和完善。当实验结束后,要求编写实验报告,包括实验的目的和要求、实验设备的选配、实验方案的设计、实施过程中的问题和改进的措施、测试结果和对方案的评价以及实验反思等内容。

三、体验式虚拟实验的实施及实效性分析

1.体验式虚拟实验的实施过程

为探索体验式虚拟实验在培养学生科学探索能力方面的可行性,以及了解真实实验和体验式虚拟实验各自的特点,为以后能合理的使用这两种不同的实验模式提供借鉴,笔者选择《计算机网络》课程,在任课教师的协助下,在湖南科技大学教育技术学专业二年级的两个班级开展了体验式虚拟实验的实践尝试。对教育技术学专业的学生而言,《计算机网络》这门课程对实践能力要求比较高,受实验设备和实验时间的限制,这个课程的实验大都是分组(3-5人)进行的,并且在实验内容和时间上也很受限制。比如:在对等网互联的实验中,实验室提供是设备都安装的是统一的操作系统(如:Windows XP),但如果有学生想尝试在不同的操作系统下进行实验就行不通。诸多的限制让我们萌发了进行体验式虚拟实验的尝试。

(1)虚拟实验平台的选取

基于以上的设计理念,我们选择VMware公司出品VMware Workstation软件做为体验式虚拟实验的平台,主要基于它的以下优点:[7]

仿真性强。虚拟机软件可以提供一个近似真实的计算机硬件环境,在真实机器上完成的试验在虚拟机上均可完成。同时它还可以在一台宿主机上集成几个虚拟客户机操作系统,组建一个虚拟机局域网环境,这个网络的行为与真实的网络完全一致。

获取数据便利。实验过程中每一步实验状态均可通过虚拟机技术的“快照”功能保存,以便对实验结果进行对比分析或进行阶段性结果的保存。

安全性高。虚拟技术使虚拟机成为独立于宿主机之外的计算机,虚拟机仅表现为存储于主机磁盘上的一系列文件――配置文件(*.vmx)、磁盘文件(*.vmdk)、日志(vm.log)等,因而对虚拟机的“物理”底层的配置修改,仅仅是针对文件的修改,不会对宿主机系统产生影响;但VMware Workstation软件不具备实验报告的编辑功能,所以实验报告模块需在其它的应用程序中完成。

(2)实践内容

《计算机网络》课程的实验部分一共设计了5个实验:双绞线线缆的制作,对等网的配置,主从网络的配置,网络Web、FTP、DNS服务器的建立和无线网络的设置。根据虚拟实验的特点,在体验式虚拟实验的过程中只选择其中的3个实验:对等网的配置,主从网络的配置,网络Web、FTP、DNS服务器的建立。

(3)实践过程

考虑到计算机网络对学生而言是一个全新的知识,并且在此之前,学生都没有接触过VMware Workstation软件,所以本次尝试同时使用了真实实验和体验式虚拟实验。对所选的实验内容都要求学生以小组的形式在计算机网络实验室进行一次真实实验,了解实验基本原理、需要使用的仪器设备以及基本操作过程。在真实实验的基础上,利用虚拟实验进行拓展。在虚拟实验的过程中,学生可以将自己所有可能的想法付诸实践,检验其可行性,并对出现的问题进行分析,从而加深对所学知识的理解。在整个实践过程中,教师扮演协助者和资源提供者的角色。

2.体验式虚拟实验的实效性分析

湖南科技大学教育技术学专业二年级的两个班共有52人,在进行完真实实验和体验式虚拟实验后一周,利用自编的问卷对虚拟实验环境的特点、真实实验与虚拟实验优势比较、虚拟实验的适用领域、影响虚拟实验使用效果的主要因素以及真实实验与虚拟实验的组合方式等方面进行了调查。共发放问卷50份(有2人请假),共回收有效问卷43份。

对虚拟实验环境的特点的调查结果显示,有88%的参与者对本阶段所选用的虚拟实验软件VMware Workstation的仿真度持肯定态度,52%的参与者认为它的操作难度适中,有46%的参与者认为它比较难或很难操作,只有1人(占2%)认为该软件操作难度低。

通过本阶段的虚拟使用,对实验原理更清楚的占70%(30人),保持原样的占30%(13人),对实验方法更清楚的占50%(22人),保持原样的占50%(21人),对实验步骤更清楚的占53%(23人),保持原样的占47%(20人),对实验数据处理更清楚的占35%(15人),保持原样的占58%(25人),更加模糊的占7%(3人)。

在与实验有关的10项能力(A.激发兴趣和注意力,B.自主思考和主动参与,C.协助能力,D.对规则和原理的掌握,E.对技能的掌握,F.对抽象思维能力,G.对逻辑思维能力,H.对综合应用能力,I.对分析和解决问题能力,J.对创新能力)的培养方面,认为真实实验比虚拟实验更有优势的是(选3项)E、C和D;认为虚拟实验比真实实验更有优势的是(选3项)J、F和G。

在利用体验式虚拟实验进行实验教学的优点:A.可以不受时空限制方便地进行实验,B.可以尝试不同的操作,C.出现错误时不必担心损坏设备,D.实验环境安全,E.减少实验室硬件投入,F.调动学生的积极性,要求参与者按重要程度由强到弱的顺序排序。结果显示,其中将A排在第一位的有13人(占30%),将B排在第一位的有12人(占28%),C排在第一位的有15人(占35%),将F排在最后一位的有28人(占65%)。

在影响体验式虚拟实验使用效果的原因:A.不能很好地体现操作过程的真实性,B.没有提供合作学习环境,C.没有提供探索学习的空间,D.对虚拟实验环境不熟悉,E.对实验原理不熟悉,F.虚拟环境与真实环境有差别,不能很好投入,要求参与者按重要程度由强到弱的顺序排序。结果显示,其中将D排在第一位的有20人(占47%),将F排在第一位的有12人(占28%),将E排在最后一位的有28人(占65%)。

关于虚拟实验在实验教学中的作用的调查(多选),其中认为可用于取代真实实验的占9%(4人),认为可用于实训、技能考核前使用的占67%(29人),认为可用于用作预习或巩固实验内容的占86%(37人),认为可用于用于拓展实验的占74%(32人)。

在对最佳实验途径(A.真实实验,B.虚拟实验,C.先进行真实实验,再进行虚拟实验,D.先进行虚拟实验,再进行真实实验,E.先进行真实实验,再进行虚拟实验,再真实实验, F.先进行虚拟实验,再进行真实实验,再虚拟实验)的选择结果如图4所示。其中D的得票率最高(24人),占56%,主要理由是:安全、成本低,通过虚拟实验先进行探索和试误,再进行真实实验更有真实感和成就感;其次是E(10人),占23%,主要理由是:通过一个循环,系统性和科学性更强,更有感觉。

综合以上数据,可知虚拟实验具有出现错误时不必担心损坏设备、可以不受时空限制方便地进行实验和可以尝试不同的操作的优点。与真实实验相比,虚拟实验在培养创新能力、抽象思维能力和逻辑思维能力上更有优势,而真实实验在对技能的掌握、协助能力的培养和对规则原理的掌握上比虚拟实验更胜一筹。

对体验式虚拟实验效果的影响,虚拟实验环境的熟悉程度占第一位。虽然绝大部分参与者认为实验软件VMware Workstation的仿真度尚可,但有近半数的人认为它的操作有难度,只有1人认为它的操作很容易,所以在利用体验式虚拟实验进行实验教学的优点的调查中,有65%的参与者将调动学生积极性排在了最后一位。这与参与者是第一次使用该软件有一定影响。另一个影响大的因素是真实环境与虚拟环境之间的迁移。由于虚拟机中的网卡等网络设备都是虚拟元件,与真实环境中差别较大,很多参与者都觉得难以想象经过IP设置后,这些虚拟机就构成了一个网络。所以本次实践在实验方法和实验步骤的理解上并没有取得明显的进步,在对实验数据的获取上甚至还有人觉得更加模糊。

大部分参与者都认为单纯的真实实验或虚拟实验都不是最佳的实验途径。从调查来看,虽然大家都认可虚拟实验的安全、低成本,但真实实验的真实感还是无可替代,绝大部分人都认为最终还是要返璞归真才感觉踏实。

四、对体验式虚拟实验的实践反思与启示

本次对体验式虚拟实验的实践活动虽然实现了预期的目标,但也存在一些不足:首先,虽然在本次实践中,参与者认为虚拟实验在培养创新能力、抽象思维能力和逻辑思维能力上比真实实验更有优势,但本次实践只选用了一种虚拟实验软件,对于其他类型或类似的虚拟软件是否能得到相类似的结论尚不清楚;其次,受时间、人力和物力等因素的限制,无法对虚拟实验的效果进行长期跟踪,对影响虚拟实验效果的因素分析也有其局限性。

通过本次实践得到的两点启示:

1.认知负荷最小化,让体验更轻松

所谓的认知负荷是指同时被要求施加在工作记忆上的智力活动的全部数量,即工作记忆必须注意和处理的内容总和。认知负荷理论提出了三种基本类型的认知负荷:内部认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷。其中内部认知负荷取决于所要学习材料的本质与学习者的专业知识之间的交互程度。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷,它主要是由设计不当的教学引起。相关认知负荷是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的认知负荷。为了促进有效学习的发生,在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷,增加相关认知负荷,并且使总的认知负荷不超出学习者能承受的认知负荷,否则,就会产生较低的认知效率。[8]

体验式虚拟实验是在一个虚拟的环境下进行,其虚拟环境的仿真程度、信息的呈现方式、学习者对系统的熟练程度等都可能给学习者带来附加的认知负荷,增加学习者在信息加工过程中的负担,从而影响信息加工的效果。因此,在选择体验式虚拟实验环境时应尽可能地减少认知负荷,让学习者的体验过程更轻松。比如:可以在实验前预留足够的时间让学习者熟悉虚拟环境;提供详细的虚拟环境使用手册;提供丰富的资源,减少一些与实验目的不相关的准备工作的耗时。在这次实践中就可以为学习者提供安装了各种操作系统的虚拟机,这样可以节约学习者下载系统软件和安装系统的时间,而把精力用在如何构建基于不同操作系统的计算机网络上。

2.虚实结合,让体验更真实

虚拟实验的优势在于其可以提供安全的实验环境,可以毫无顾及的尝试错误,在错误中理解实验的原理和操作规则;真实实验的魅力在于其真实的触感和操作时身处其中的感觉。实验教学应该将虚拟实验和真实实验相互结合,做到实中有虚,虚实结合,这样既能给学生提供放纵的空间,也能让学生有回归现实的机会,让其体验更加真实,同时也能使实验教学更加丰富、有趣。

参考文献:

[1]王永平.证伪主义思想的意义及启示[J].求实, 2010(1):106-107.

[2]美国国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].北京:科学技术文献出版社,1999.

[3]庞文,尹海洁. 证伪主义的理论实质及其再认识[J].自然辩证法研究,2008(9):88-91.

[4]李梅.体验学习――21世纪重要的学习方式[D].南京:南京师范大学,2004.

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[6]王灿明.体验学习解读[J].全球教育展望,2005(12):14-17.

第13篇

>> 可视化通信原理仿真平台GUI方案的设计与实现 基于“通信原理教学仿真平台”的课程设计 通用实验教学仿真平台的设计与实现 基于LabVIEW的通信原理虚拟实验平台设计 钢结构稳定原理虚拟仿真平台开发探索 Maltab仿真平台在《通信原理》理论教学模式的应用与探索 基于虚拟仿真平台的电气工程实验教学改革研究 物联网虚拟仿真平台在农学专业实验教学中的应用 《信号与系统》虚拟教学仿真平台设计 采油厂安全培训虚拟仿真平台设计 基于虚拟仿真平台的高职《电路分析》课程设计与开发 基于89C51的单片机虚拟仿真平台设计 浅谈虚拟仿真平台编撰脚本的建议 嵌入式实时仿真平台接口通信的设计与应用 基于MATLAB/Simulink实验仿真平台的《自动控制原理》实验教学改革探析 面向医院环境的网络仿真平台的设计与实现 航空发动机总体性能仿真平台的设计与实现 公路隧道交通诱导仿真平台的设计与实现 城市轨道交通系统运行仿真平台的设计与实现 数字通信原理的虚拟实验室系统的设计与实现 常见问题解答 当前所在位置:l?s_cid=baidu_matlab

[6]焦瑞莉,南利平,李学华. 基于LabVIEW的通信专业远程虚拟实验室[J]. 国外电子测量技术(虚拟仪器),2005(3):4-7.

[7]廖云伢.基于Java与Matlab集成的数字通信原理虚拟实验平台的设计与实现. 中南大学硕士学位论文.2007.

第14篇

[关键词]虚拟现实技术 发展前景 汽车工业

[中图分类号]TP391

[文献标识码]A

[文章编号]1672-5158(2013)05-0230-01 虚拟现实技术概述 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最关键的三个组成部分,是21世纪科技的三大核心技术。自1962年美国Morton Heilig研制了街道虚拟器这样的早期VR技术产品以来,虚拟现实技术(Virtual Realty Technology,VRT)作为虚拟技术的重要分支,具有非凡的先进性和创造性,在近几十年内蓬勃发展,体现出了未来良好的发展前景。

VRT是在计算机图形学、计算机仿真、人机接口、多媒体以及传感器等技术的基础上发展起来的一门交叉学科.VRT利用计算机和电子技术来产生逼真的视、听、触、力等三维感觉环境,通过多通道用户界面,综合运用视觉、语音、手势等新的交互通道、设备和交互技术,以实现用户与虚拟环境中的对象的自然、并行、协作的人机交互。VRT产生的身临其境的交互式仿真充分体现了其“3I”特征,即沉浸感、交互性、想象性。这些优势都说明了虚拟现实技术在制造工业中具有巨大的应用潜力。近年来许多国家在虚拟制造领域开展了研究与应用,主要包括产品外形虚拟设计、产品布局的虚拟设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、企业生产过程仿真与优化和虚拟企业的可合作性仿真与优化等方面。在产品的设计、制造、性能测试的过程中,克服了传统的文本和二维工程图纸单一且临场感较差等缺点,极大地提高了产品设计的一次性成功率,节约了时间,提高了产品竞争力,避免了开发实际产品以及实地性能检测带来的高昂的费用。

1.虚拟现实技术在汽车行业的应用

汽车工业相当发达的国家,尤其以美日德为代表,将虚拟现实技术运用于汽车的设计、制造、性能测试中,获得性能成本质量的最佳组合,保证了在汽车行业的绝对竞争力。与此同时降低了汽车设计的成本,提高了效率。

1.1虚拟设计技术

目前所采用的虚拟技术引入CAD环境,将便于模拟新产品开发过程中的一些性能,便于设计人员对产品的修改。设计人员也可以利用VRCAD系统,直接在虚拟环境中进行设计与修改。在对汽车的设计过程中,设计人员在交互环境的设计环境中,利用头盔显示器、具有反馈功能的数据手套、操纵杆、立体鼠标灯装置,将视觉、听觉、触觉与虚拟概念概念产品模型相连。在此过程中,不仅进行虚拟的合作,产生身临其境的感觉,而且可以实时地对虚拟产品设计过程进行检查、评估、实地解决设计中的决策问题,使得设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上,设计人员对虚拟设计模型的直接设计,提高了设计人员积极性与创造性。

1.2虚拟装配技术

对于汽车的零部件的设计可以通过CAD等软件得以实现,但是在现今大多数的汽车制造厂中,装配环节绝大部分都是靠实际的经验去实现,很多设计问题只有在装配的过程中才得以发现,而这往往会付出惨重的代价和昂贵的学费,也势必会使得汽车制造厂的利润下降和阻碍企业的发展。虚拟装配技术在此种『青况下应运而生。在虚拟的装配环境中,设计人员可以检查各零件之间的装配间隙和干涉,通过程序自动检测装配状态。通过相关设备辅助,实现对虚拟场景中零件的抓取、移动、装配等动作,大大地提高了设计人员的主动性、创造性。在虚拟环境中出现了装配问题,可以在计算机中更改模型并重新生成,自动更新装配图,切实有效地提高了实地的装配成功率,缩短了周期,降低了生产成本。

1.3虚拟实验技术

汽车虚拟实验就是把虚拟现实技术用于对汽车的实验研究中,通过交互改变车辆参数、道路状况、驾驶控制等实验条件和参数,虚拟真实实验,通过现代计算机分析得出运动数据,方便研究人员了解实验全过程,以及假设、验证理论的正确性。

汽车操纵稳定性是一个典型虚拟现实实验的例子。在建立虚拟系统的基础上,可以获得方向盘转角、横摆角速度、侧倾角和侧向加速度等能体现操纵稳定性的要特征参数。同时配合单移线实验的场景来动态观察车辆本身以及参数的变化。虚拟仪表的设置,让实验者更加精确的知道汽车运行中的参数的变化。在加强场景的沉浸感方面,开发了双视口的立体场景显示效果。在此实验中,综合不同工况对车辆性能进行了虚拟检验。

国内在汽车方面虚拟实验较为成功的有吉林大学的对汽车防抱制动系统(ABS)混合仿真实验。建立了用于硬件在环仿真的车辆模型、ABS液压系统模型等,并进行了硬件在环仿真实验。将ABS实际部件嵌入到软件环境中进行混合仿真,大大地扩展了软件仿真的功能。为ABS的开发和实验提供了平台。

2.虚拟现实技术的发展趋势

虚拟现实技术是上世纪80年代才兴起的一门综合性信息技术,远没有达到成熟的阶段,但是其惊人的生命力,让人们毋庸置疑在不久的将来,虚拟现实技术将渗透到信息系统的各个领域,改变人机交互方式。虚拟现实技术也大大满足了以用户为主体的要求。21世纪俨然是一个信息时代,网络与计算机已经十分普及,都已经融人了人们的生活、工作和学习中。这都必将促进虚拟现实技术的蓬勃发展。

与此同时,计算机图像压缩技术与现实技术的不断进步以及相应现实硬件的日趋完善,我们可以预测未来虚拟现实技术的发展动向,这种动向可以分为两个方向。一方面是朝着桌面级虚拟现实发展,尤其以商业领域。许多大型公司开发桌面级虚拟现实来展示教育培训以及仿真实验等。另一方面是朝着高性能沉浸式虚拟现实发展。可以用于很多高科技领域,例如航空军事训练,模拟实验等,由于某种特殊性以及追求方便和利润,择优进行仿真实验。目前国内外已经建成了许多商性能的沉浸式虚拟现实仿真系统。

3.结束语

虚拟现实技术经过几十年的发展,已经取得了长足的进步,其优越性及其顽强的适应能力都使得人们不断地发展新技术,促进虚拟现实技术的发展。21世纪是一个信息时代,知识就是力量这个真理得到了十足的验证。我国已经改革开放三十多年,整个社会正处于转型和发展的新时期,汽车行业作为我国制造业的支柱产业,其面临着诸多挑战和机遇。国际汽车市场的风雨变幻让人捉摸不透,要在竞争激烈的市场中立于不败之地,必须要依靠先进的设计、制造、实验技术,缩短设计和生产周期,降低实验成本,提高汽车产业的竞争能力和综合经济效益。虚拟现实技术就是这样一种能促使我国汽车产业发展的一项技术,其发展潜力不可估量。

参考文献

第15篇

关键词:虚拟现实;交互设计;VRML;漫游

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2013)08-1968-07

1 概述

虚拟现实,早已不再是一个陌生的名词,随着计算机图形学的进一步发展,虚拟现实技术的应用变得更加广泛。其应用领域覆盖了军事、教育、医疗、城市规划、远程实验等众多领域。虚拟现实技术通过硬件设备和软件资源,为用户提供一种身临其境的真实感觉,增强用户的体验深度和记忆层次,进而达到辅助行业的作用。其硬件设备主要包括立体头盔、数据手套及各种传感器,软件资源包括图形处理系统、建模软件及各种交互软件。

虚拟现实技术的发展与成熟,为教育行业的实验教学带来了新的手段和机遇。传统的实验教学一直存在着一些无法逾越的障碍,主要体现在三个方面,其一,学校硬件设备资源有限,对于部分贵重的设备无法做到一人一份,学生无法自由地进行实践性尝试;其二,设备管理与维护的成本较高,很多学校的教师承担了上课与管理设备的双重压力;其三,实验过程中,学生的人身安全及设备的安全问题都很难得到控制,这也导致了部分实验的搁浅;通过采用虚拟现实技术,打造一个虚拟的三维空间,将现实世界中的实验设备,完全地、完整地迁移到虚拟空间,学生在虚拟的仿真空间中,通过鼠标和键盘的操作,进行完全逼真的实验,基本达到教育实践的目的。

2 虚拟现实技术分析

几何造型节点(shape):shape节点定义了立体图形的色彩、材质、纹理、尺寸、形状等外观特征。主要有外观特征节点(appearance)和几何形状节点(geometry)。

交互节点:交互节点可以用来强调虚拟环境的真实程度。从侧面反映出现实世界中的事物相互之间存在联系。

插补器节点:该节点的使用是用来操纵动画的,原理很简单,通过引入一组跟时间对应的关键点,让每个关键点跟其中一组动态的动画产生联系,当场景中的时间发生变化的时候,场景中的与之关联的对象会同步地对位移、造型做出变化。

传感器节点:传感器节点(Senser)类似人的神经系统,可以一定程度上提前感知某些外界的状态的变化,用户可以借此做出合理的判断。通过传感器节点的合理应用,可以方便地感知用户的操作状态和目的,让互动场景更加具有真实性。

脚本节点: 脚本节点(Script)指包含程序设计的节点,通过使用编程语言,引入不同的脚本,可以为开发人员提供更强大的用户接口,可以使编程更加灵活,设计出更加有趣的场景。

3 三维建模与系统设计

3.1 系统总体框架

3.1.1 系统需求分析

虚实结合的虚拟现实系统的主要目的在于:使学生不受时间、地点、网络带宽的限制,通过访问接入网络的VRML服务器,利用虚拟实验设备进行实验,通过鼠标或键盘对虚拟三维模型进行合理地操作,增强趣味型。通过观看虚拟设备动画,加深对理论知识的理解。

虚拟现实系统在设计时考虑的角度有:

1)为学生搭建一个自由、开放的学习环境

虚拟现实技术能够为学生搭建一个自由、开放的学习环境,学生的学习时间可以不再局限于有限的课堂教学,空间上也有了更大的选择余地,比如在家里、在寝室等环境,通过虚拟现实提供的“虚拟仿真环境",学生在可以接入网络的任何地方都可以自由地借助计算机进行学习,通过与共同学习者合作、交流,讨论获取知识或技能。

参考文献:

[1] Steve Cunningham.计算机图形学[M].北京:机械工业出版社,2007.

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[4] 奥利弗・格劳.虚拟艺术[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5] 刘光然.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社,2011.

[6] 吕建德.游戏程序设计概论[M].北京:中国铁道出版社,2006.