劉恩芳

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253034）

隨著近年來社會的發(fā)展速度不斷加快，對于創(chuàng)新應(yīng)用型人才的需求也在不斷加大?；诖吮尘跋?，許多高校加大了實驗室的投入。計算機虛擬仿真實驗是近年來多媒體教育的一個新領(lǐng)域，其不僅具有良好的經(jīng)濟性，并且安全性、便捷性高。所以，虛擬仿真實驗的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)實驗的不足。學(xué)生可以預(yù)覽和修改實驗，提高實驗效果。但是，因為實驗教學(xué)任務(wù)繁重，并且實驗人才匱乏，所以學(xué)生在任何時候都不能滿足計劃的要求。“互聯(lián)網(wǎng)+”模式是互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，可以促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)使用已經(jīng)滲透到社會的各個層面。為了解決虛擬仿真實驗室不能滿足學(xué)生需求和開放性的問題，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和實驗室，開發(fā)了非接觸式虛擬仿真實驗室，提高了實驗室的利用率。

1 虛擬仿真實驗室的概念和特點

虛擬實驗室是通過互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的開放式虛擬實驗平臺，實現(xiàn)各種測量實驗的數(shù)字化和虛擬化，是在虛擬平臺上開發(fā)和共享的。與真實實驗類似，實驗者可以根據(jù)實驗項目的需要隨時模擬使用不同的實驗設(shè)備。在虛擬實驗的過程中，學(xué)生可以得到及時的反饋和科學(xué)準確的指導(dǎo)，方便相關(guān)知識的獲取。虛擬實驗室具有如下特點：

（1）開放性。通過互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以隨時隨地登錄虛擬仿真實驗室進行學(xué)習(xí)、工作和研究，并進行類似的實驗和科學(xué)研究。

（2）靈活性。在虛擬仿真實驗室建設(shè)的背景下，應(yīng)近兩選擇易于擴展和維護的組件，方便實驗者可以根據(jù)測試需要對相應(yīng)的實驗?zāi)K進行組合和改進。

（3）防干擾。虛擬仿真實驗室可以避免實際硬件實驗中儀器的日常接觸和故障。

（4）交互性。虛擬仿真實驗室還可以為用戶的實驗操作提供反饋信息。實驗者能夠根據(jù)自己的需要設(shè)計或定制虛擬設(shè)備。

（5）經(jīng)濟性。在虛擬仿真實驗室中，虛擬設(shè)備可以滿足用戶重復(fù)使用的需要，無磨損、損壞、誤差等問題，更好的滿足實驗教學(xué)的需要，節(jié)省實驗經(jīng)費，提高工作效率。

（6）安全。對于高風險、高成本和破壞性的實驗，用戶可以在虛擬仿真實驗室中安全地進行。

2 虛擬仿真技術(shù)在非接觸式實驗的應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬仿真實驗是利用三維建模軟件和虛擬現(xiàn)實軟件建立虛擬實驗場景和虛擬實驗儀器，對真實實驗進行模擬或再現(xiàn)，以達到實驗?zāi)?。該實驗平臺豐富和拓展了現(xiàn)代教育實踐的教育理念，具有較強的普及性。根據(jù)實驗方法，可分為接觸實驗和非接觸式實驗。接觸實驗是指使用工具、設(shè)備開展實驗。因此，接觸式實驗往往需要手動進行，效率低，精度受人類經(jīng)驗的影響。因此，在某些情況下，非接觸實驗的優(yōu)勢是顯而易見的，包括實驗效率高，不會損傷材料等。

2.1 非接觸式虛擬仿真實驗的安全性

非接觸式實驗無需接觸材料，可以直接獲取實驗結(jié)果。非接觸式虛擬仿真實驗室通過利用計算機硬件設(shè)備和計算機技術(shù)實現(xiàn)信息共享，處理三維圖像，用虛擬元件實施實驗步驟，模擬現(xiàn)場實驗環(huán)境。所有實驗環(huán)節(jié)都是由計算機來完成，大大提高了實驗的安全性和效率。通過實驗前的模擬，使學(xué)生熟悉實驗步驟，有效保護實驗設(shè)備和人身安全。此外，在復(fù)雜實驗環(huán)境中進行非接觸式虛擬仿真實驗，可以模擬這些復(fù)雜的環(huán)境，設(shè)置環(huán)境參數(shù)來模擬實際的環(huán)境條件，并進行更精確的實驗。另外，非接觸式虛擬仿真實驗還可以設(shè)置環(huán)境條件和實驗條件，尋求最佳的實驗環(huán)境，提高實驗精準度。

2.2 理論與實踐多元化能力培養(yǎng)

當前社會對于應(yīng)用型人才的需求在不斷增加，培養(yǎng)專業(yè)知識理論扎實、實踐能力較強的應(yīng)用型人才已經(jīng)成為教育目標之一。構(gòu)建非接觸式虛擬仿真實驗?zāi)軌驖M足理論和實踐的需要，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和任務(wù)，教學(xué)任務(wù)也有所不同。安排各種實驗任務(wù)，確保不同學(xué)生能夠滿足不同作業(yè)的要求。非接觸式的虛擬仿真實驗也考驗了計算機軟件的可操作性。

2.3 強化基礎(chǔ)知識概念

高校課堂教學(xué)一般采用信息化教學(xué)，多媒體設(shè)備是主要的硬件設(shè)備。教師利用多媒體幫助學(xué)生從多個角度理解知識的概念。非接觸式虛擬仿真模擬實驗過程中，可以觀察數(shù)據(jù)的變化和數(shù)據(jù)處理的過程。因此，非接觸式虛擬仿真實驗可以直接反映實驗過程，提高學(xué)生對基本概念的理解。非接觸式仿真技術(shù)在實驗中的應(yīng)用，提高了實驗教學(xué)的靈活性，為進一步支持實驗教育奠定了良好的基礎(chǔ)。非接觸式虛擬仿真實驗結(jié)果的處理為其他學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

3 虛擬仿真實驗室存在的問題

3.1 與傳統(tǒng)實驗室結(jié)合不充分

虛擬仿真實驗室在當前主要開展一些傳統(tǒng)實驗室無法開展的試驗項目，實驗室的占用率并不高。但是，虛擬仿真實驗室中的實驗方案也包含了許多的傳統(tǒng)實驗室，如果學(xué)生可以通過虛擬仿真實驗室開展課前學(xué)習(xí)的話，能夠幫助學(xué)生提升實踐能力和學(xué)習(xí)效果。同時，學(xué)生還可以在虛擬仿真實驗室中開展一些設(shè)計實驗，提升創(chuàng)新能力與實驗經(jīng)驗。

3.2 學(xué)生與教師交流受限

在虛擬仿真實驗過程中，學(xué)生必須學(xué)習(xí)實驗原理，觀看實驗操作視頻。然而，由于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的差異，一些學(xué)生可能不理解實驗原理和過程，需要老師的幫助。目前，虛擬仿真軟件還沒有建立起與教師交流的平臺，只能依靠實驗室教師的指導(dǎo)。因此，無法保證學(xué)生在實驗過程中能及時得到老師的指導(dǎo)。此外，仿真軟件只記錄數(shù)據(jù)表，沒有創(chuàng)建和提交電子實驗報告的窗口，導(dǎo)致學(xué)生在實驗結(jié)束后僅能提高紙質(zhì)的實驗報告。

3.3 資源難以得到合理利用

缺乏實驗室的在線預(yù)約機制，在某個時候沒有人，但在某個時候會有很多人需要實驗室。這種傳統(tǒng)管理模式無法幫助學(xué)生隨時了解實驗室使用情況，從而提前做好準備工作，導(dǎo)致實驗室資源被浪費，未能得到充分利用。學(xué)生進入實驗室之后，僅經(jīng)過紙質(zhì)登記并隨機選擇實驗室。這也導(dǎo)致教師與管理者無法及時了解實驗情況，難以有效控制和控制學(xué)生的實驗狀態(tài)。

4 非接觸式虛擬仿真實驗室構(gòu)建思路

根據(jù)教學(xué)實踐中使用的技術(shù)手段，開展針對性的數(shù)字化操作，創(chuàng)建虛擬仿真實驗室。這一過程要求使用計算機仿真軟件建立與理論假設(shè)一致的數(shù)學(xué)模型?；诜抡婕夹g(shù)的非接觸式虛擬仿真實驗室具有以下三個特點：

（1）云特性。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與移動通信技術(shù)的結(jié)合，可以形成現(xiàn)代遠程教育等先進的教學(xué)方法和理念。

（2）擴展性。虛擬仿真軟件可以根據(jù)不同的教學(xué)條件和設(shè)備進行修改。

（3）開放性。由于虛擬空間和虛擬界面是通過仿真技術(shù)建立的，因此實驗活動可以通過一個公共平臺向多臺計算機開放。

非接觸式虛擬仿真實驗室的建設(shè)應(yīng)遵循五個原則：

（1）具有較強的實用性和特色，具體設(shè)計教學(xué)項目，總結(jié)層次結(jié)構(gòu)和運行模式，體現(xiàn)教學(xué)科研特點，尊重傳統(tǒng)教學(xué)理念。

（2）它必須非常安全。在數(shù)據(jù)層，可以自動備份相關(guān)虛擬文件、培訓(xùn)信息等數(shù)據(jù)信息，并在實驗運行過程中保護或重啟實驗?zāi)K。

（3）標準化建設(shè)，突破教育信息化的障礙。教學(xué)的各個方面都可以實現(xiàn)無障礙的信息共享和數(shù)據(jù)融合，這有利于擴大教育平臺。因此，項目配置必須科學(xué)化、規(guī)范化。數(shù)字教育需要隨時隨地進行。應(yīng)該創(chuàng)建劃分章節(jié)和教育模塊，從而減少模塊和項目配置中的冗余。

（4）實現(xiàn)資源整合與共享。根據(jù)不同專業(yè)的實驗需求，實驗項目與虛擬儀器相結(jié)合，以滿足不同學(xué)校、不同專業(yè)和外部網(wǎng)絡(luò)的需求。

（5）實現(xiàn)交互性。為了確保學(xué)生在非接觸式虛擬仿真實驗室中擁有實際體驗感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以建立小組合作、游戲操作、創(chuàng)新性實驗教學(xué)等多種互動式實驗教學(xué)方法，建立豐富的師生溝通渠道，形成有趣的教學(xué)形式。

5 基于互聯(lián)網(wǎng)的非接觸式虛擬仿真實驗室構(gòu)建

5.1 虛擬平臺搭建

非接觸式虛擬仿真實驗室由計算機硬件、三維建模軟件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。虛擬仿真軟件的設(shè)計選擇了非接觸式實驗儀器的類型和參數(shù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行了采集和處理。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，將理論模型與建立的理論模型進行了比較，得出了理論模型的誤差。圖1顯示了非接觸虛擬仿真研究的過程。其中，登錄平臺可以更好地捕捉學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，并為實驗過程提供提示。最終的誤差模型可以用來補償誤差，虛擬仿真研究可以減小實驗誤差。

圖1：虛擬仿真實驗操作流程圖

5.2 用戶角色分配及權(quán)限

非接觸式虛擬仿真實驗室智能管理系統(tǒng)的用戶主要包括實驗管理員、教師、學(xué)生等。不同的角色擁有不同的登錄界面和權(quán)限。實驗室工作人員負責虛擬仿真實驗室的運行和日常管理，并且還負責管理仿真實驗室設(shè)備和發(fā)布實驗室信息、批準協(xié)議等，負責管理所有師生信息，所以實驗室管理人員的權(quán)限最高。而在非接觸式虛擬仿真實驗室中，教師也不需要一直呆在實驗室中，通過軟件能夠了解學(xué)生的實驗狀態(tài)，并且組織實驗內(nèi)容、控制學(xué)生的實驗進度，甚至還可以通過聊天窗口對學(xué)生進行指導(dǎo)。學(xué)生在登錄后，則可以查看實驗室的使用情況，并預(yù)約實驗室，避免時間沖突。而學(xué)生在實驗過程中還可以通過聊天窗口向教師在線咨詢。結(jié)束實驗之后，學(xué)生在專門的窗口加載實驗報告，輸入相應(yīng)的實驗信息并發(fā)送數(shù)據(jù)處理。最后，教師還可以對實驗進行評價，幫助學(xué)生及時修改。

5.3 智能硬件系統(tǒng)

為了保證非接觸式虛擬仿真實驗室的正常運行，實驗室中需要安裝智能門禁系統(tǒng)、設(shè)備電源控制系統(tǒng)和攝像頭、窗簾控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)等硬件設(shè)備。如圖2所示為管理系統(tǒng)組成。通過Wi-Fi將這些智能硬件設(shè)備連接到服務(wù)器，可以掌握設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)用戶應(yīng)用程序的指示發(fā)出適當?shù)膱?zhí)行命令。收到指令后，必須及時評估智能設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的智能化控制。門禁系統(tǒng)位于門禁系統(tǒng)的面部識別窗口中。如果預(yù)約人員站在門禁系統(tǒng)的面部識別傷口處，系統(tǒng)可以比較上傳到學(xué)生預(yù)約服務(wù)器的照片。如果對比正，服務(wù)器將發(fā)出一條語句以啟用訪問控制。照明和窗簾系統(tǒng)配備智能控制節(jié)點。當學(xué)生們進來時，實驗者指示設(shè)備打開窗簾和燈光，風光與窗簾自動打開。當學(xué)生進入實驗室之后，設(shè)備電源系統(tǒng)自動開啟，最后在學(xué)生結(jié)束實驗之后再次發(fā)送電源關(guān)閉命令，實現(xiàn)節(jié)約能源、規(guī)范化實驗過程的目的。通過攝像頭可以隨時查看實驗室的狀態(tài)，判斷學(xué)生的實驗狀態(tài)，還可以記錄其視頻，具有視頻存儲功能，避免實驗室發(fā)生異常獲儀器損壞而無法找到責任人的情況。

圖2：非接觸式虛擬仿真實驗室管理系統(tǒng)

5.4 智能軟件系統(tǒng)

5.4.1 預(yù)約管理

非接觸式虛擬仿真實驗開展需要實驗人員提前在手機安裝的應(yīng)用軟件上預(yù)約。學(xué)生必須先登記，輸入姓名、班級和學(xué)號。系統(tǒng)批準后，學(xué)生在預(yù)約界面預(yù)約實驗室，預(yù)約信息包括使用起止時間、實驗室預(yù)約、實驗名稱預(yù)約等，但是學(xué)生只能預(yù)約虛擬仿真實驗室當天和次日的時間。虛擬仿真實驗室的所有信息都會發(fā)送給服務(wù)器，并由服務(wù)器進行保存。學(xué)生可以在特定時刻觀看，避免在時間和空間上與他人發(fā)生沖突。實驗室工作人員和教師可以在用戶界面中點擊日歷查詢，查看學(xué)生預(yù)約、當前主要實驗室發(fā)展情況等。如果發(fā)生特殊情況需要關(guān)閉實驗室，管理人員會及時推送公告。

5.4.2 實驗室管理

非接觸式虛擬仿真實驗室的智能控制系統(tǒng)將實驗人員從繁瑣工作中解放出來，不再需要開關(guān)門、操作儀器設(shè)備等。實驗管理人員通過APP界面可以了解學(xué)生的預(yù)約申請，并進行批準、拒絕等操作。同時還可以通過攝像頭隨時隨地監(jiān)控實驗室的狀況，確保實驗室的安全。實驗可以看到接口上的所有設(shè)備都在工作。如果某項程序未正確打開，應(yīng)用程序支持將顯示為紅色，以提醒實驗進行檢查。

5.5 結(jié)果提交與評價

在傳統(tǒng)的模擬實驗中，學(xué)生在結(jié)束實驗之后將會編寫并提交文件和報告，這不利于教師了解學(xué)生的實驗結(jié)果并及時做出評估。而非接觸式虛擬仿真實驗室可以在實驗結(jié)束之后，通過智能管理系統(tǒng)中增加編寫和報告實驗的窗口。完成實驗后，學(xué)生在系統(tǒng)中選擇完成并提交電子實驗報告。教師應(yīng)及時評估學(xué)生的實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)處理，而學(xué)生也可以快速意識到自己的缺點，并恢復(fù)實驗。在時間不充足的情況下，學(xué)生也可以申請延長使用時間。所以，非接觸式虛擬仿真實驗室可以有效的彌補傳統(tǒng)實驗早期評價和反饋存在的不足，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新精神。

6 實驗室運行與管理支撐平臺

非接觸式虛擬仿真實驗室主要由虛擬仿真實驗室、管理系統(tǒng)、人員等組成，而其運行則是基于支撐平臺決定。虛擬學(xué)習(xí)模擬中心有多個門戶模塊，主要包括建設(shè)檢查、中心團隊、網(wǎng)站信息服務(wù)、管理體系、建設(shè)理念、中心資源等新聞信息中心，具有一定的兼容性。門戶網(wǎng)站主要用于共享虛擬仿真實驗室的相關(guān)信息，使師生能夠?qū)Ψ墙佑|式虛擬仿真實驗室的設(shè)計和應(yīng)用進行更全面的研究。系統(tǒng)實現(xiàn)了分級用戶管理，可以定義不同的角色，也就是實驗室管理人員、教師、學(xué)生。不同的用戶有著不同的權(quán)限，能夠保障虛擬仿真實驗室的安全。從組織保障、制度保障、管理標準和運行機制等方面設(shè)計了非接觸式虛擬仿真實驗室的管理體系。勞動人才隊伍由多學(xué)科、多專業(yè)教師組成，形成多樣化的教學(xué)、研究團隊，促進實驗室的可持續(xù)發(fā)展。

7 非接觸式虛擬仿真實驗室的構(gòu)建途徑

7.1 要以虛實為輔，增強實際操作能力

在非接觸式虛擬仿真實驗過程中，實驗人員沒有實際操作感和觸覺，失去了傳統(tǒng)實驗室的體驗感。因此，實驗者會產(chǎn)生一定懷疑，并且不利于實驗者建立信息。為了將非接觸式虛擬仿真實驗室結(jié)合傳統(tǒng)實驗，可以充分利用數(shù)字仿真技術(shù)，虛實結(jié)合，虛實互補。在非接觸式虛擬仿真實驗室時，可以考慮這一原則。同時，非接觸式虛擬仿真實驗的設(shè)計應(yīng)考慮實時性、多樣性和廣泛的應(yīng)用性。對于范圍廣泛的實驗教學(xué)資源，特別是獲獎?wù)n程可以有針對性、廣泛開放和推廣，因為數(shù)字子平臺的建設(shè)不受時間和空間的限制。為了保證豐富的服務(wù)功能，進一步完善各種實驗手段的全方位虛擬仿真實驗，各種虛擬仿真實驗和手段可以通過自主研發(fā)、合作引進等方式來實施。實驗教材應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有課程及時更新。虛擬教育中的一些實驗教學(xué)活動需要通過先進的教學(xué)方法和工具加以完善。

7.2 進一步開展項目實踐

一是設(shè)立創(chuàng)新學(xué)分、學(xué)科競賽基金和學(xué)生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，調(diào)動學(xué)生實驗積極性，保留3D打印、虛擬設(shè)計等各類科研探索項目，更新各類教學(xué)資源。二是為了提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，達到舉一反三的效果，還可以促進教育對象進行自主科研創(chuàng)新，進行虛擬實驗教育創(chuàng)新，允許學(xué)生和學(xué)生組成的學(xué)習(xí)小組自主選擇教育學(xué)科主導(dǎo)的研究課題，提高不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。三是利用先進的仿真設(shè)備等資源，引導(dǎo)學(xué)生參與科研活動，引導(dǎo)學(xué)生建立自己的社區(qū)組織。

7.3 共享開放

為了創(chuàng)建實時更新的教材和非常開放的高等教育資源交換機制，虛擬仿真實驗室必須向大學(xué)和社會開放。為了提高設(shè)備和人員的利用率，虛擬仿真中心可以統(tǒng)一分配所有實驗室資源。為了使有限資源的價值最大化，還可以使用先進的網(wǎng)絡(luò)管理工具和完善的管理機制來優(yōu)化財務(wù)、物資和人力資源。通過開放實驗內(nèi)容、空間和時間，可以為學(xué)生創(chuàng)造相對寬松的條件，提高實驗效果。

8 總結(jié)

綜上所述，隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高效便捷、開放應(yīng)用方面得到了更好的發(fā)展。虛擬實驗室作為學(xué)習(xí)平臺，學(xué)習(xí)者可以通過計算機模擬、模型、動畫、視頻等來創(chuàng)建互動內(nèi)容，無需開展真正的實驗。并且虛擬仿真實驗室相較于傳統(tǒng)實驗室來說，能夠提高實驗教學(xué)的安全性，避免發(fā)生意外。虛擬仿真實驗室是科學(xué)技術(shù)與教育相結(jié)合的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)旨在解決少數(shù)實驗設(shè)備和局部教學(xué)限制的影響?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”是指互聯(lián)網(wǎng)作為創(chuàng)新2.0推動下由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新業(yè)態(tài)，也是一種新的經(jīng)濟和社會發(fā)展形式。由于互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的有機聯(lián)系，迸發(fā)出更多的活力。基于互聯(lián)網(wǎng)的非接觸式虛擬仿真實驗室打破了傳統(tǒng)實驗室的局限，為教學(xué)要求創(chuàng)造了更好的條件，解決了一些實驗矛盾，促進了實驗質(zhì)量的不斷提高。