高麗

摘 要：綜合布線課程是學(xué)校樓宇專業(yè)比較重要的基礎(chǔ)專業(yè)課程，但現(xiàn)實教學(xué)中存在著實訓(xùn)場地受限、實訓(xùn)設(shè)備有限、授課時間不夠、實訓(xùn)經(jīng)費不足、學(xué)生操作時有潛在的危險等問題。本文針對中職學(xué)校綜合布線課程實訓(xùn)的特點及基本原理進(jìn)行研究，利用計算機(jī)的相應(yīng)功能，設(shè)計一套計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)。設(shè)計計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的目的是解決中職學(xué)校綜合布線實驗操作問題，因此需要了解該課程在中職學(xué)校開設(shè)的情況，并進(jìn)行分析，了解需求，這樣才能根據(jù)實際情況設(shè)計虛擬實驗室系統(tǒng)，更好地服務(wù)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)布線 虛擬實驗室

隨著國家對中等職業(yè)教育的不斷重視，中等職業(yè)教育處在迅速發(fā)展階段，學(xué)校的招生規(guī)模不斷擴(kuò)大。招生人數(shù)的增多直接導(dǎo)致學(xué)校的教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重不足，往往2～3個學(xué)生使用一臺設(shè)備，而教師授課的時間是受限的，這就使得學(xué)生的練習(xí)時間大大縮短，影響學(xué)生對知識的掌握情況。同時，一些昂貴的或者易損的設(shè)備數(shù)量又是有限的，比如綜合布線課程中的光線切割機(jī)，一臺設(shè)備就要數(shù)萬元，一般一個學(xué)校也就一臺左右。在此類實驗中，往往只能教師演示，或者個別學(xué)生操作，大部分學(xué)生無法直接參與。這些綜合布線傳統(tǒng)教學(xué)中普遍存在的問題會使教學(xué)效果大打折扣。這不得不讓我們思考，有什么更好的方式可以避免傳統(tǒng)綜合布線教學(xué)中弊端的出現(xiàn)。

作為一名中等職業(yè)學(xué)校的老師，從事綜合布線課程教學(xué)已經(jīng)多年，在教學(xué)過程中，也深受以上限制困擾。綜合布線技術(shù)作為十分重要的專業(yè)知識，學(xué)校在智能樓宇自動化專業(yè)的能力模塊中，要求學(xué)生了解綜合布線系統(tǒng)的概念及常見材料和器件、布線在國際和國內(nèi)的最新標(biāo)準(zhǔn)、綜合布線的設(shè)計實施還有完工后的測試與驗收，還要求學(xué)生能夠完成一個典型綜合布線實例。因此從這些問題出發(fā)，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，希望以虛擬現(xiàn)實技術(shù)來妥善地解決綜合布線教學(xué)中出現(xiàn)的問題。

一、中職網(wǎng)絡(luò)布線虛擬實驗室系統(tǒng)需求

1.虛擬實驗系統(tǒng)不“虛擬”

該網(wǎng)絡(luò)布線課程虛擬實驗系統(tǒng)其實是虛擬和非虛擬相結(jié)合的模式，有別于其他虛擬實驗室只有虛擬部分，更有利于教學(xué)的需要。該系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。

（1）虛擬實驗室系統(tǒng)硬件方面。

①需要一臺能處理大量模擬操作數(shù)據(jù)的高性能電腦，WebGL基礎(chǔ)下的網(wǎng)頁編輯對顯卡要求較高。

②需要一個計算機(jī)房，大約50臺電腦，作為虛擬實驗室系統(tǒng)操作機(jī)房，機(jī)房內(nèi)需一臺服務(wù)器，用來處理數(shù)據(jù)。

③網(wǎng)絡(luò)布線實訓(xùn)室最好和計算機(jī)房靠近，這樣學(xué)生模擬操作結(jié)束后就可直接進(jìn)入實訓(xùn)場地操作。

（2）虛擬實驗室系統(tǒng)軟件方面。

①需要虛擬儀器及虛擬場景能用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線虛擬實驗操作。

②需要相應(yīng)的操作系統(tǒng)軟件來完成實驗操作。該虛擬實驗室由網(wǎng)絡(luò)綜合布線數(shù)據(jù)分析、總結(jié)、存儲這些過程組成并將這一系列的過程可視化，可操作。

2.虛擬實驗室的場景設(shè)計及工具說明

三種實驗設(shè)計于綜合布線虛擬實驗室系統(tǒng)中。一種是仿真墻虛擬實驗，另一種是現(xiàn)實生活建筑場景虛擬實驗，第三種是管理間子系統(tǒng)實驗。 主要構(gòu)建了兩個場景，一是兩室一廳居室場景，模擬水平子系統(tǒng)實驗；另一個是上下兩層的垂直解剖場景，模擬垂直子系統(tǒng)實驗。

PVC線槽、PVC線管、雙絞線、集線器、配線架、電腦、電話模塊及面板、管卡等工具，以工具欄的形式出現(xiàn)在綜合布線的虛擬設(shè)備中。學(xué)生只需通過鼠標(biāo)或鍵盤直接點擊工具欄中的各工具就可以在虛擬場景中靈活地使用，達(dá)到實訓(xùn)的目的。

二、本虛擬實驗室平臺的設(shè)計

1.虛擬實驗室的優(yōu)勢

作為一名中職綜合布線課程的老師，從學(xué)生需求和教學(xué)角度分析，設(shè)計該虛擬實驗室能有以下優(yōu)勢。

（1）學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提高。大部分學(xué)生都喜歡操作計算機(jī)，學(xué)生通過靈活地自主操作，充分發(fā)揮他們的靈動性，能更多地激發(fā)出學(xué)生對綜合布線這門課程的興趣。

（2）實訓(xùn)操作中存在的問題能有效地解決。比如受限的場地、有限的設(shè)備、過高的費用。通過模擬實訓(xùn)環(huán)境，學(xué)生猶如置身于實訓(xùn)環(huán)境中，對于發(fā)現(xiàn)的問題能及時解決，在實訓(xùn)時能避免出現(xiàn)問題，更快更高效地完成實訓(xùn)操作。

（3）學(xué)生的創(chuàng)新能力、問題意識、動手能力被有效地激發(fā)。相對于枯燥的理論學(xué)習(xí)，學(xué)生們更喜歡通過實訓(xùn)來學(xué)習(xí)。根據(jù)以往的經(jīng)驗，實訓(xùn)課上，即使平時學(xué)習(xí)較差的學(xué)生，也能很投入地進(jìn)行操作，更別說和計算機(jī)相結(jié)合來完成綜合布線的教學(xué)要求。

（4）學(xué)校實訓(xùn)經(jīng)費能有效地節(jié)約。傳統(tǒng)實訓(xùn)室需要配置較多的設(shè)備，利用率不高不說，還存在維護(hù)成本高的問題，虛擬實驗室恰恰能有效地避免這些問題。它只要利用學(xué)?，F(xiàn)有的計算機(jī)機(jī)房，讓學(xué)生有“身臨其境”的感覺。

2.本虛擬實驗系統(tǒng)的UI設(shè)計

UI即User Interface（用戶界面）的簡稱。通俗地講就是系統(tǒng)的操作界面，一個好的UI，可以使虛擬實驗室變得有特色、有亮點，還能讓軟件的操作變得方便、靈活。綜合布線虛擬實驗系統(tǒng)的控制UI設(shè)計如下。

該UI包括以下幾個部分：菜單欄、工具欄和登錄界面。

（1）菜單欄包括：文件、編輯、視圖、水平子系統(tǒng)、垂直子系統(tǒng)、工具、幫助七個部分。

（2）工具欄包括：PVC線槽、PVC線管、雙絞線、集線器、配線架、電腦、電話模塊及面板，管卡。

（3）登錄界面包含用戶名和密碼，主要是對實驗者身份的一個認(rèn)證，便于記錄。

虛擬實驗系統(tǒng)的操作UI設(shè)計：該UI是提供實驗者操作的界面，實驗者在這個界面完成虛擬實驗、在線學(xué)習(xí)等功能。

3.本虛擬實驗過程設(shè)計

過去在操作虛擬實驗時采用的是以下方式。

（1）通過鼠標(biāo)或者鍵盤點擊 “進(jìn)入”虛擬實驗室。

（2）在相應(yīng)的操作界面，通過鼠標(biāo)或鍵盤點擊、拖動、添加虛擬元件等操作方式來完成實驗提出的相應(yīng)要求。

（3）取得實驗成果，完成歸納總結(jié)。

本實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，在完成以上步驟后，還有不“虛擬”的部分，在前面實驗的基礎(chǔ)上，在綜合布線實訓(xùn)室進(jìn)行操作驗證。虛擬實驗室和實訓(xùn)室相結(jié)合，和一體化工作室相類似。

本虛擬實驗過程設(shè)計如下。

學(xué)生進(jìn)入—虛擬實驗室機(jī)房—熟悉實驗內(nèi)容—開始實驗—得到實驗結(jié)果—歸納總結(jié)實驗—實訓(xùn)設(shè)備操作—學(xué)生離開。

整個系統(tǒng)以TCP/IP為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，采用C/S體系結(jié)構(gòu)，建立了虛擬的實驗室系統(tǒng)。利用3DMAX搭建虛擬場景，模擬現(xiàn)實環(huán)境，制作工具欄中的虛擬器件。利用C++語言設(shè)計前端的實驗操作平臺，主題框架界面采用SDI單文檔結(jié)構(gòu)視圖。學(xué)生可選擇實驗場景，并在場景中對虛擬器件進(jìn)行動態(tài)地添加、屬性編輯等動作，就可隨時隨地進(jìn)行綜合布線的相關(guān)實驗。實驗結(jié)束后，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的實驗操作結(jié)果，生成一份實驗報告，包括耗材的使用情況；在實驗操作過程中，學(xué)生操作是否符合流程，行業(yè)規(guī)范，并產(chǎn)生相應(yīng)的提示。它所營造的實驗環(huán)境形象逼真，交互功能強(qiáng)大，盡可能使實驗取得真實的效果。

三、虛擬實驗室開發(fā)的技術(shù)難點

本虛擬三維實驗室是基于WebGL為基礎(chǔ)，采用JavaScript腳本語言開發(fā)的系統(tǒng)，這在國內(nèi)還是首次嘗試，沒有“前車”可以借鑒，碰到的技術(shù)難點包括：如何場景搭建、如何建立三維模型、如何模型設(shè)定、如何材質(zhì)設(shè)定、如何攝像機(jī)控制、如何場景邊界檢測、如何繪制不連續(xù)線段以及如何搭建UI結(jié)構(gòu)八個方面。

四、小結(jié)

任何實踐系統(tǒng)都必須經(jīng)過大量的實踐才能不斷改進(jìn)與完善，這樣就導(dǎo)致虛擬實驗的復(fù)雜性逐漸加大。我們要盡可能確保虛擬實驗室在系統(tǒng)簡單易學(xué)易操作的基礎(chǔ)上，盡量實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性與兼容性之間的有機(jī)平衡，將實驗室系統(tǒng)的作用發(fā)揮到最大化程度。

（作者單位：杭州第一技師學(xué)院）