虚拟实验平台 2.doc

虚拟实验平台一、背景分析随着电子技术的飞速发展，新的电子技术实验方法层出不穷，传统的实验教学方法难以适应时代的发展。上世纪80年代末期，美国仪器公司(NI)提出了“软件就是仪器”的新概念，它将计算机技术与现代仪器技术相结合，开发出虚拟仪器这种全新概念的测量仪器，从而打破了传统仪器的结构固定、功能单一、可扩展性差等限制。为此，电子技术教学的计算机化以及电子实验的数字化已是毫无争议的发展趋势。学生可以在计算机上完成电路设计计算、电路模拟仿真。在电路测试和故障查询时，应用虚拟仪器技术，可对各种实际典型电路进行分析、对实际参数进行测量等，充分利用虚拟仪器的优势，对培养学生设计电路系统和实际操作的能力都有很大地提高。以上这些教学新手段，正在改变传统的教学模式，这也是时代发展及现代教育技术发展的必然。以虚拟仪器为基础的虚拟实验平台应运而生。虚拟实验室(Virtual laboratory)的概念，于1989年由美国的William Wolf教授最早提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。W o l f教授形象的把虚拟实验室称为“没有围墙的研究中心”。随着网络技术的发展，虚拟实验室已不再局限于其原有的范畴，已经逐渐将成为一种崭新的教学形式。所谓虚拟实验室，实际上是利用虚拟技术仿真或虚构实验情景，利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，并完成整个实验，包括原材料的添加，实验条件的设置、数据采集以及实验结果的处理、分析，同时可利用网络与教师和同学进行交流，真正实现了学生的主体性地位。到目前为止，按一般意义上的理解，虚拟实验的发展经历了两个阶段：(1)计算机仿真阶段，它主要利用计算机在处理数据方面的优势，选用的实验对象常是高度抽象的数值关系，较注重逻辑性和确定性，基本上将用户视为旁观者，限制了其应用范围；(2)虚拟现实阶段，虚拟现实技术系统营造虚拟实验室，实验者运用某些设备完全进入虚拟实验室环境中，并可根据需要通过多种交互设备（如头盔、数据手套和刚性外骨架衣服等）来驾驭该环境，同时用于操纵该环境中的物体（如仪器设备、实验对象、实验资料等）突出了实验的形象性和直观性。 从技术层面上看,各类虚拟实验系统的基本思想是一致的,即用软件方法来模拟硬件设备的功能。为了实现上述功能和目的，需要使用一些相关的技术：(1)VR技术，虚拟现实技术(Virtual Reality，简称V R)是以计算机技术为核心，综合使用交互设备融视、听、触、感为一体的模仿现实的三维空间再现技术；(2)Lab VIEW技术，Lab VIEW(LaboratoryVirtual Instrument Engineering Workbench) 程序称为“虚拟仪器程序”(简称V I)，是一种基于图形编程语言的开发环境；(3)J a v a作为一种程序设计语言，具有可移植性和安全性，提供了并发机制，具很高的性能；(4)ActiveX技术，它可将复杂的任务分割成小的模块，作为组件。采用组件思想为构造虚拟仪器带来了很大方便；(5)A S P技术提供一个服务器端的脚本环境，用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序；(6)交互式F l a s h技术。F l a s h技术用于网络虚拟实验室的开发具有开发速度快、界面美观、视觉冲击效果强、体积小、不需要安装、可直接在浏览器中进行操作等特点，但在交互性方面尚有不足，视觉效果不如3D。2、 目的与意义随着电子技术的飞速发展，新的电子技术实验方法层出不穷，传统的实验教学方法难以适应时代的发展。随着信息技术的蓬勃发展，部分虚拟实验环境的设计与开发成为现实，并在一定的理论指导下应用于实践，使各类虚拟实验室建设成为可能。而且，虚拟实验环境的研究与实现，极大地降低了实验室建设成本，缓解了由于财政压力给实验实训教学环节带来的不利影响，有利于学生实践操作能力的培养，因此，虚拟实验教学环境的研究也就具有了极大的经济效益和社会效益，从而引起了更多学者、专家的关注。3、 国内外发展现状1.国外研究现状 目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究和应用已处于领先地位，在大学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学院的W e b L a b远程实验室于1998年开发并投入使用。它提供了用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学，它允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型，然后通过一个用J a v a激活的W e b浏览器使用在远程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据，验证自己的设计，最近还实现了通过手机远程控制实验的功能。 V L A B是美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站。该网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的几十种虚拟实验。该系统采用J a v a语言开发，实验程序需要从服务器端下载，并运行在客户机上。由美国Michigan大学化学工程系创建的VRCEL实验室，主要用来探索和开发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。美国霍华德休斯医学研究会（H H M I）建立的虚拟实验室是完全交互式的生物医学的实验室模拟。 德国R u h r大学网络虚拟实验室是一个有关控制工程的学习系统,它通过直观的三维实验场景视觉效果,依赖各虚拟实验设备的仿真特性,实现对虚拟实验的交互式操作。西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台。意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验，在远程控制实验方面取得很大的成果。2.国内研究现状 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。由于虚拟实验技术的特点，它的实际应用在理工教学中大有作为，尤其在电工电子、医学、建筑、生化等学科有重要作用。据了解，目前国内的多数高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室，典型的有：(1) 中国科技大学在虚拟实验室的建设和使用方面形成的如物理仿真实验软件、广播电视大学物理虚拟实验、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验远程教学系统；(2) 浙江大学的虚拟化学实验,是基于W e b的虚拟实验,以V R M L为基础构筑虚拟实验环境,并利用J a v a技术来实现虚拟实验场景的人机交互；(3)同济大学建筑学院建成的可以对建筑景观、结构进行仿真的虚拟现实实验室；(4)西南交通大学开发的T D S-J D机车驾驶模拟装置等；(5)清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室和利用虚拟仪器构建的汽车发动机检测系统；(6)中国农大的虚拟土壤作物系统实验室,通过应用G P S、G I S作物3D数字化技术和其他信息采集技术,实现对农田土壤水分、养分、盐分等与作物生长的相互作用关系的定量化研究,建立虚拟土壤作物系统,通过计算机上的虚拟实验,部分地替代在现实世界中难以进行的或昂贵的试验。此外，复旦大学、上海交通大学、陕西师范大学等一批高校，也相继开发了一批新的虚拟仪器系统供实验教学和科研使用。VR：VR（Virtual Reality，即虚拟现实，简称VR），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的。其具体内涵是：综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境成为虚拟环境（即Virtual Environment，简称VE）。虚拟现实技术实现的载体是虚拟现实仿真平台，即（Virtual Reality Platform，简称VRP）。VRP的子软件产品具体包括：1.VRP-BUILDER 虚拟现实编辑器软件用途：三维场景的模型导入、后期编辑、交互制作、特效制作、界面设计、打包发布的工具客户群：主要面向三维内容制作公司2.VRPIE-3D互联网平台软件用途：将VRP-BUILDER的编辑成果发布到互联网，并且可让客户通过互联网进行对三维场景的浏览与互动。客户群：直接面向所有互联网用户3.VRP-PHYSICS 物理系统软件用途：可逼真的模拟各种物理学运动，实现如碰撞、重力、摩擦、阻尼、陀螺、粒子等自然现象，在算法过程中严格符合牛顿定律、动量守恒、动能守恒等物理原理客户群：主要面向院校和科研单位4.VRP-DIGICITY 数字城市平台软件用途：具备建筑设计和城市规划方面的专业功能，如数据库查询、实时测量、通视分析、高度调整、分层显示、动态导航、日照分析等 客户群：主要面向建筑设计、城市规划的相关研究和管理部门5.VRP-INDUSIM 工业仿真平台软件用途：模型化，角色化，事件化的虚拟模拟，使演练更接近真实情况，降低演练和培训成本，降低演练风险。客户群：主要面向石油、电力、机械、重工、船舶、钢铁、矿山、应急等行业6.VRP-TRAVEL 虚拟旅游平台软件用途：激发学生学习兴趣，培养导游职业意识,培养学生创新思维，积累讲解专项知识,架起学生与社会联系的桥梁,全方位提升学生讲解能力,让单纯的考试变成互动教学与考核双模式。客户群：主要面向导游、旅游规划17.VRP-MUSEUM 网络三维虚拟展馆软件用途：是针对各类科博馆、体验中心、大型展会等行业，将其展馆、陈列品以及临时展品移植到互联网上进行展示、宣传与教育的三维互动体验解决方案。它将传统展馆与互联网和三维虚拟技术相结合，打破了时间与空间的限制、最大化地提升了现实展馆及展品的宣传效果与社会价值，使得公众通过互联网即能真实感受展馆及展品，并能在线参与各种互动体验，网络三维虚拟展馆将成为未来最具价值的展示手段。客户群：科博馆、艺术馆、革命展馆、工业展馆、图书馆、旅游景区、企业体验中心以及各种园区8.VRP-SDK 三维仿真系统开发包软件用途：提供C+源码级的开发函数库，用户可在此基础之上开发出自己所需要的高效仿真软件客户群：主要面向水利电力、能源交通等工业仿真研究与设计单位9.VRP-STORY故事编辑器操作灵活、界面友好、使用方便，就像在玩电脑游戏一样简单 易学易会、无需编程，也无需美术设计能力，就可以进行3D制作成本低、速度快，能够帮助用户高效率、低成本地做出想得到的3D作品支持与VRP平台所有软件模块的无缝接口，可以与以往所有软件模块结合使用，实现更炫、更丰富的交互功能。Labview：LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 1集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。特点：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。LABVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。1.测试测量：LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。2.控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。3.仿真：LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以先在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。4.儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以LabVIEW非常受少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把LabVIEW理解成是一种特殊的“积木”：把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是LabVIEW编程语言。儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabVIEW编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具，LabVIEW还有专门用于中小学生教学使用的版本。5.快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的Lab