陳飛燕，黃凱旋

（集美大學(xué)，福建 廈門(mén) 361021）

針對(duì)于教學(xué)過(guò)程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的問(wèn)題和培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)學(xué)生的需求，我們認(rèn)為采用虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲耆珡浹a(bǔ)或解決這些問(wèn)題，特別是對(duì)于一些設(shè)備投入少的學(xué)校，不失為一項(xiàng)很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。虛擬實(shí)驗(yàn)或模擬實(shí)驗(yàn)，因其投入少、效果好、安全、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，深受歡迎。如我校的輪機(jī)模擬器、電站模擬器，為學(xué)校的教學(xué)發(fā)展起著不可估量的作用。而虛擬實(shí)驗(yàn)[1－3]，基于它的開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)傳播的特點(diǎn)，隨時(shí)可做，其對(duì)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的促進(jìn)作用是非常巨大的。

1 真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的比較

真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)各自都有各自的特點(diǎn)，可以互相補(bǔ)充。真實(shí)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究、教學(xué)和分析問(wèn)題中是必不可少的，但是也存在一些不可逾越的問(wèn)題。

而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行虛擬拆裝、虛擬實(shí)驗(yàn)操作，或?qū)W習(xí)設(shè)備工作原理，是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和三維設(shè)計(jì)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將有形的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)，具有下列特點(diǎn)：

（1）通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的分析，減少真實(shí)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)的成功率；

（2）結(jié)合仿真技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)一些真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程；

（3）可將設(shè)備內(nèi)部工作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)過(guò)程明確的反映出來(lái)，這是真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到；

（4）可不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)和人員的限制，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可隨意組成實(shí)驗(yàn)小組；

（5）易于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估和分析；

（6）減少消耗材料的使用，節(jié)省開(kāi)支；

通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所存在的問(wèn)題。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要功能如圖1所示。

圖1 功能關(guān)系

系統(tǒng)主要有單人和多人（一般是兩人）兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑袑?shí)驗(yàn)操作、設(shè)備拆裝、設(shè)備工作過(guò)程學(xué)習(xí)和交互等。系統(tǒng)框架建立后，其他模塊可以方便隨時(shí)加入。

這些功能中，以設(shè)備拆裝比較簡(jiǎn)單，只是將設(shè)備的實(shí)體設(shè)計(jì)圖進(jìn)行爆炸演示就可以了，其設(shè)計(jì)過(guò)程主要涉及對(duì)設(shè)備零部件的拆卸順序和過(guò)程的處理，見(jiàn)圖2所示。設(shè)備工作原理演示主要是設(shè)備的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程自動(dòng)播放，其動(dòng)作設(shè)置可快可慢，以利觀察。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的，特別是交互模式下，涉及到模型建立、過(guò)程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)等問(wèn)題[4－10]。

圖2 設(shè)備拆裝

2.2 設(shè)備拆裝設(shè)計(jì)

圖2是一些設(shè)備的拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)。拆裝實(shí)驗(yàn)的零部件數(shù)量和大小是預(yù)先設(shè)計(jì)完成的，能拆裝到哪個(gè)程度是已經(jīng)設(shè)定的，利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊哪一個(gè)零件即拆開(kāi)哪個(gè)零件，直到所有零件拆完，如果把這些動(dòng)作自動(dòng)連接起來(lái)完成，則為演示操作，這樣的拆裝實(shí)驗(yàn)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)是有一些差距的。

拆裝實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生自由的學(xué)習(xí)設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程的建立，必須建立完善的數(shù)學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、實(shí)驗(yàn)可能結(jié)果和錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)處理等內(nèi)容。我們以實(shí)際例子敘述網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的建立，圖3是一個(gè)漸縮型噴管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置采用常規(guī)熱工實(shí)驗(yàn)臺(tái)為模型，如圖中（a），隨著流體在噴管中從左到右流動(dòng)，其氣體壓力也隨著發(fā)生變化如圖中（b）和（c），用圖形顯示其變化的進(jìn)程，通過(guò)背壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)不同的出口壓力，形成不同的壓力曲線。選擇其他參數(shù)也可以同樣的顯示其曲線變化。

圖3 漸縮型噴管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一些問(wèn)題的處理

在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，涉及一些設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題，有些解決起來(lái)需要費(fèi)一些構(gòu)思的，部分問(wèn)題有：

（1）每一個(gè)設(shè)備是由很多零部件組成的，設(shè)備的字節(jié)量直接影響到網(wǎng)絡(luò)的傳輸，設(shè)備容量小則可以使實(shí)時(shí)操作速度加快。因此在設(shè)計(jì)零部件時(shí)要盡量減少其組成的元素，在滿足要求情況下，一些諸如圓弧過(guò)度的可以省略。而能夠用一個(gè)元素形成的部分應(yīng)盡量不用兩個(gè)元素，以減少圖形的字節(jié)數(shù)。

（2）圖形圖像的設(shè)計(jì)和應(yīng)用主要以實(shí)體設(shè)計(jì)和動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，使用實(shí)體設(shè)計(jì)的零部件所占有的字節(jié)數(shù)多，特別要進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示時(shí)更是如此，因此所有涉及動(dòng)態(tài)過(guò)程的盡可能采用Flash的設(shè)計(jì)方式。但采用實(shí)體設(shè)計(jì)的設(shè)備比較真實(shí)，細(xì)致。

（3）在戶端主程序的設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮操作過(guò)程的速度和實(shí)時(shí)問(wèn)題，盡量把一些常規(guī)通用的東西安裝在用戶端，如基本實(shí)驗(yàn)環(huán)境、設(shè)備臺(tái)架。

（4）數(shù)據(jù)加密、保密措施。由于網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性，數(shù)據(jù)的加密和保密是必須的。采用128位隨機(jī)加密的保密措施應(yīng)足夠了。

（5）不同數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案，可采用基于web3D國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：ISO／IEC 19775：2004、包含 VRML97）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，或利用3DMax為中間文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 結(jié) 論

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展相結(jié)合的必然產(chǎn)物，也是實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，虛擬實(shí)驗(yàn)在很多方面彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足處，也解決了真正實(shí)驗(yàn)室全天候開(kāi)放的一些問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的硬件組成比較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)過(guò)程開(kāi)發(fā)和操作必須同時(shí)兼顧真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)進(jìn)行。主要應(yīng)解決的問(wèn)題是數(shù)據(jù)模型的大小、數(shù)據(jù)模型的傳送、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密等技術(shù)，這要求平臺(tái)軟件不能使用目前通用的一些建模技術(shù)，或必須對(duì)這些建模軟件開(kāi)發(fā)的3D模型進(jìn)行處理后，才能供網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)用。

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