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虚拟实验室 发布于:

虚拟实验室是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统,是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似,可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验,或实验案例,这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。

在虚拟实验室中,学生既可以在虚拟实验台上动手操作,又可自主设计实验,有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中,学生更易获得相关的知识,科学的指导和敏捷的反馈。虚拟实验室是未来实验室建设的发展方向。

虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究的重要载体。

随着虚拟实验技术的成熟,人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值,它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。

创建过程

虚拟实验室的开发分为模型建立、制作交互文档、网络发布三个阶段。文章以国内市场占有率最高的虚拟现实软件VRP为例,进行系统讲解。

虚拟实验室的开发分为模型建立、制作交互文档、网络发布三个阶段。

基于3Dmax建模需注意以下三点:第一,要有相对准确的模型数据,保证产品模型的尺寸比例协调和模型外观在视觉上的真实性。第二,对于复杂对象要考虑三维模型的层次结构,分别建模,最后把所有的模型组合。第三,使用尽量少的面数,删除冗余的几何元素,合并同类模型,降低整个模型的复杂度以优化模型、提高反应速度。建好模型之后,根据虚拟实验室动作制作模型动画。

建好模型后,进行材质编辑和设置场景灯光。材质编辑与模型优化同样重要,因为材质的使用需要与烘焙操作结合,不同类型的材质采取不同的烘焙方式。LightingMap烘焙方式只支持3DSMAX默认的Standard材质,Completemap烘焙方式支持Max大部分材质(例如符合材质、多为材质等),如果Diffuse(漫反射)通道上没有添加纹理贴图,只能选择Completemap烘焙方式。此外,材质贴图只支持jpg,bmp,dds图片格式;灯光按照3DSMAX的标准设置。

烘焙模型,烘焙就是把MAX中的物体的光影以贴图的形式带到VRP中,以求真实感。模型烘焙需要注意三个问题:第一,选择恰当的烘焙模式,Completemap光感好,但烘焙效果模糊,所以小部件物体和产品推荐使用Completemap;Lightmap贴图清晰但光感弱。第二,根据模型大小及其材质进行恰当的烘焙参数设置,大模型采用大贴图尺寸,小模型采用小贴图尺寸,很小的模型和金属、玻璃材质不必烘焙。第三,根据模型烘焙类型和贴图尺寸,把模型进行分类并放在一个图层中,便于管理、修改。

最后,利用VRP-for-Max插件导出场景。导出场景之前要检查重名模型并进行修改,然后选择导出类型(静态模型、刚体动画、柔体动画、相机),直接导出VRP格式的文件。

VRP的设置对象主要包括动作、事件和场景三类要素。动作包括物体移动、旋转、平动、缩放、视角切换,现实(隐藏)物体、交互控制、粒子特效等;事件包括场景开始事件、鼠标和键盘时间、计时器和用于特定情况下由其他事件激发自定义事件(例如单机按钮启动机器)等;场景包括文件中后期加入的界面、材质、声音等交互现象。VRP交互设计就是在脚本编辑器中建立事件、动作和场景的相互关系,用户触发某个事件或某个事件自动发生时,相应的场景做出相应的动作。

在VRP中完成交互设置后,将VRP对象导出为支持网络发布的vrpie格式。学生可通过网络或本地机用IE或Netscape浏览器使用虚拟实验室,随时随地地做实验、分解实验步骤,也可通过旋转或移动对象查看其细节结构及属性、组装和拆卸对象等。虚拟实验室技术既能减少实验室建设的投入成本,又可应用在远程教学网站上,以更好地实现金属焊接实践教学。

实验室反映时代的特征,时代的发展又推动实验室的发展。数字时代的到来使实验室走形虚拟化,带来前所未有的发展空间,促使其发生全方位的变化,呈现出许多新特点和新优势——提升了设计理念、拓展了服务对象、扩大了设计空间、简化了设计流程、缩短了设计周期、降低了设计成本。虚拟实验室的开发具有众多优势,作为走在时代最前沿的教育工作者,应积极地把虚拟化技术运用到实验室开发中,把握时代脉搏,发挥虚拟实验室在新时代教学和科研中的巨大作用。

1、 系统内容丰富,包含实验室常见仪器设备,手术器械、实验常用药品及实验动物图文并茂地介绍,起到辅助教师教学的效果

2、 仿真大约20多个机能学实验,使用虚拟仿真技术模拟动物实验的整个操作步骤,包括:动物的麻醉,手术及信号的记录

3、 每个实验的操作仿真,充分应用多媒体丰富直观的表达形式,将仿真动画,实验录像以及操作说明有机结合起来,既表达整体,也表达细节,便于学生对实验操作的充分理解和掌握

4、 实验结果的模拟,对于机体在各种不同实验条件下产生的各种波形进行实时仿真,对于一些学生平时难于完成的实验起到示范的作用

5、 学生实验技能考核,通过内置的考试系统,对学生进行实验掌握情况的考核

6、 药物考核可以通过对未知药物对动物机体造成的反应让学生对药物进行识别,对于已知药物则可进行用量考核,比如不同麻醉药品的剂量考核

7、 进行各种药理学参数的计算,比如PA2,LD50,半衰期等,使学生在进行药理学实验的同时理解各种药理学参数的意义及计算方法,帮助学生建立科研的思维能力

8、 系统具有开发性,用户可以将自己的实验图片,实验录像,实验原理和操作的文字加入到系统中,从而扩充系统的适用性。

1、系统采样网络结构,分为客户端和服务器端软件,服务器上存放仿真实验素材,便于教师管理与日后的内容添加,系统升级,维护等。

2、系统包含基础知识库,实验准备室,动物房(不少于8种动物的介绍的详细介绍),生理实验仿真,药理实验仿真,病理生理实验仿真,机能实验网络考试等。

3、不低于30种常见和最新的生理、药理仪器设备原理、适用范围、操作介绍,基本的仪器包括生物机能实验系统、Langendorff心脏灌流系统、血管环张力系统,足趾容积仪、热刺痛仪等常用仪器的介绍

4、包含对各种手术器械(不少于25种手术器械的介绍)、实验常用药品的用途及配置的介绍,包含手术器械的三维动画

5、具有各种生物机能实验操作技能介绍

6、包含不低于45个各种机能学实验的全面介绍,针对于每个仿真试验,按需要包含有简介、原理、实验操作录像,操作过程仿真以及波型模拟等几个部分内容,包含以下仿真实验:

6.1生理学:

刺激强度与反应的关系、刺激频率与反应的关系、神经干动作电位的引导、神经干传导速度的测定、神经干不应期的测定、兔大脑皮层诱发电位、离体心肌细胞动作电位、兔减压神经放电、期前收缩与代偿间歇、心电图的描记、兔动脉血压调节、离体蛙心灌流、呼吸运动调节、影响尿生成的因素、ABO血型鉴定、离体肠肌运动等

6.2药理学:

药物对动物学习记忆的影响(避暗法)、药物的镇静作用实验、药物的抗焦虑作用实验、药物的抗抑郁作用实验、药物的镇痛作用实验(热板法、光热刺痛法)、地塞米松对实验大鼠足趾肿胀的影响、抗疲劳实验(转棒法、跑步机测试法)、药物的抗高血压实验、Langendorff心脏灌流实验、离体大鼠主动脉环实验、药物的急性毒性实验

6.3病生学:

急性高钾血症、急性左/右心衰竭、急性失血性休克及微循环变化等实验项目

6.4其他:

综合性实验:主要包括尼克刹米对抗度冷丁抑制呼吸作用、磺胺半衰期测定等实验项目。

人体实验:主要包括人体指脉信号的测定、人体全导联心电信号的测量等实验项目。

包含至少六个药代动力学实验

7、具有无纸化的网络考试功能:可以考查学生实验技能等基础知识进行答卷式考核,自动评分。

我们可以建设专门的、混用的或广泛的虚拟实验室,三种实验室各有优缺点

表:三种虚拟实验室建设方案优缺点对比表

序号

专用实验室

混用实验室

广泛的虚拟实验室

优点

1、 有利于形成虚拟实验教学的专门课堂

2、 学生在这种实验室任务单一,因此容易学习到虚拟实验室上介绍的各种知识

3、 有利于学生查询知识,而不与正规试验冲突

4、 有利于教学评估时专家的考察和认同(很多学校都需要这个)

5、 有利于兄弟院校的参观访问

1、 可利用机能实验中心的原有计算机资源和场地资源,节约成本

2、 学生可以将虚拟实验和真正的机能实验有机结合起来,达到印象深刻的目的

广泛的实验室是指将虚拟实验室挂接到校园网上,供同学在任何地点学习

1、 使用不受时间、地点的限制,同学可以在寝室、实验室、图书馆等场地使用虚拟实验室

2、 节约资源,不再提供专用的场地和计算机

3、 受益面广泛

缺点

1、 要占用专门的房间

2、 要占用专门的计算机资源

3、 投资较大

1、 容易和真实实验造成冲突,比如,老师在让学生做真实实验时,学生却自己用虚拟实验

2、 不利于专家评估

3、 不利于参观访问

1、 无法监管学生的学习小效果,可能会有一部分学生去访问学习,大部分学生则根本不去学习,很可能达不到真正学习的效果(因为没有学习的环境)

2、 不利于专家评估

3、 不利于参观访问

从上表我们可以看出,无论采样哪种方式,都有优缺点,因此学校可根据自己学校的情况选择适合于自己学校要求的虚拟实验室建设方案,实际上,广泛的虚拟实验室(挂接在校园网上)可以和前面两种实验室同时使用,只要能够满足足够的访问站点数,就可以达到既挂接于校园网又满足专业虚拟实验的要求,这可能是一种比较好的教学方式

1、用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用

2、更新实验教学观念,重新认识虚拟实验室

3、切合实际,合理选择开发技术

建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键,而要建立一个完整的虚拟现实系统,首先要做的工作是选择实可行的虚拟现实系统解决方案。

. 多感知性

所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。

2.沉浸感

又称临场感,它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

3. 交互性

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如,用户可以用手去直接抓取环境中的物体,这时手有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量,视场中的物体也随着手的移动而移动。

4.真实性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如,当受到力的推动时,物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。

训练有素的IT员工对所有用户来说可能意味着成功与失败的差别。通过实习培训实验室提供的工具和技术,可以帮助IT专业人士为即将到来的技术采用和部署做好准备。通过对硬件和软件的适度投资,以及正确地设置可以帮助企业将虚拟培训实验室转变成一个强大的学习工具。

远离生产环境

虚拟培训实验室最大的益处在于它的设计和实现是与生产环境隔离的。IT专业人士可以通过虚拟培训实验室创建的安全的沙箱学习或使用新的工具、玩具和技术,他们可以犯错,甚至打破东西,同时又不会为生产环境造成问题。在培训实验室工作不会给生产力和盈利能力带来风险。

建立培训实验室的首个原则是为其创建独立的网络和资源,尤其是服务器、网络和基础设施。单个服务器机架或刀片,一些虚拟网络元素和各种各样的虚拟基础设施工具可以效仿几乎任何计划或生产环境。

培训实验室应容易访问

现代虚拟专用网络和远程访问工具使IT专业人士能够访问远程虚拟测试实验室中大约90%的任务和活动。一些IT人员可能只需要以个人形式访问实验室,但同时也可以远程访问大量的任务和几乎所有的培训材料和实践测试。这不仅提供了方便,同时需要IT专业人员利用他们的业余时间获取进一步的培训。

建立充足的VPN连接是很重要的。使用单独的远程访问基础设施来支持远程学习和实验室考勤。员工培训和实验室环境看守的话可以安排两班倒,一周6天,不然的话就24/7(三班倒,一周七天),确保正常工作时间之外能够正常访问。

促进和支持测试实验室

为了达到最好的实验室使用和投资回报率,IT人员应该多促进培训和测试实验室的使用。同时加强培训工作和测试实验室的透明化、可靠性和简单化也十分重要。

高层在招聘新员工的过程中加强对实验室的使用,并强调所有员工有关实验室的可用性以及获得大量信息的效益性。另外还应该及时告知实验室引入或发明的任何新产品。

在网站或wiki上发布培训和测试实验室的信息(什么类型的培训以及可用的实验室内容,如何注册、如何使用培训和虚拟实验室环境,去哪里寻求帮助和支持等等)。充分并长期利用在线问答或者实验室测试视频教程来吸引更多的员工。

将培训和测试实验室的好处及使用方法尽可能多地传输给员工,否则没有必要进行投资。一定要深思熟虑并保持实验室的发展与资源同步。

做一些调查,使用较少的空间,投资一些硬件和软件,管理人员就可以构建一个有价值的虚拟培训实验室用来帮助IT员工进一步学习,减少并控制生产环境中发生的错误。

构建属于自己的虚拟实验室

对所有运行vSphere环境的管理员来说,拥有一个虚拟实验室用于补丁及配置变更测试几乎是必需的。正如我们已经了解的,在生产环境中进行未经测试的调整可能会导致错误,造成数据丢失就杯具了。

虚拟实验室使用嵌入式虚拟化

如果你了解基本原理并且不介意在硬件上投资,那么构建你自己的虚拟实验室很简单,可以考虑将投资建立虚拟实验室作为个人投资。

虚拟实验室胜过物理集群,因为你可以增加伪造的主机、CPU、网络、集群以及负载均衡,仅受服务器物理资源数量的限制。需要注意的一个重要的方面是当增加需要与虚拟实验室网络外部进行连接的网络时,需要将交换机设置为允许混杂模式,否则流量无法正确地通过网络。

在设计虚拟实验室时,我不会过多地关注冗余与可靠性。我更喜欢能够在嵌套虚拟实验室环境中做实验。因此我选择了配置相当好、价格相对便宜的虚拟实验室服务器。

接近生产配置却是一个测试环境,尽管运行了一些非测试虚拟实验室,但是针对学习以及试用新产品而设计的。嵌入式虚拟化并非是被VMware所支持的配置。

当前的服务器是配置了32GB内存的HP ProLiant ML310e,我发现用于对大多数VMware产品进行测试已经足够了。所有的一切都是虚拟出来的,包括存储。

我选择了标准的RAID 5,考虑了部分冗余。同时还包含了一块SSD硬盘用于支持需要高性能的磁盘。而且该基础设施发生任何损失都不是世界末日。但要关注磁盘性能,因为磁盘性能往往是瓶颈。

虚拟实验室处理器特性很关键

在匆忙购买新虚拟实验室服务器前,一定要确保虚拟实验室具备硬件页辅助特性。该特性对于嵌入式虚拟化至关重要。如果虚拟实验室不具备该特性,那么虚拟实验室在使用嵌入式虚拟机时性能将会受影响。硬件页辅助在本质上消除了标准的虚拟化环境中出现的内存页双重查找,采用第二级页面表内存映射替代。首先在Intel ARK页面进行核实以确保计划购买的虚拟实验室服务器具备该特性(AMD拥有自己的技术版本)。

而CPU速度并不是很重要。正如大多数VMware用户所了解的那样,内存基本上在CPU遇到瓶颈之前就已经用光了。

虚拟实验室整合

物理虚拟实验室服务器运行免费的ESXi标准副本,因为虚拟实验室服务器拥有一个插槽、四个核心。所有的交换机都是标准的,因此不需要浪费许可或者每隔60天重装一次。在物理服务器内,我创建了核心“基础设施”用于启动集群,这些需求很简单。

接下来,我创建了一个虚拟的ISCSI服务器,因为共享存储需要先于虚拟实验室基础设施提供,否则虚拟实验室将是孤立的,因为ISCSI存储服务器并未启动。我选择使用Openfiler因为它免费而且易于使用。再次说明,测试环境与生产环境有很大不同。

我还在虚拟实验室内创建了一个pfSense路由器。这允许我创建尽可能多的网络并作为端口组提供给VMware基础设施,对于虚拟实验室实验环境来说这一配置很完美。作为设置的一部分,我创建了一个虚拟实验室网络,允许进行网络隔离并访问非虚拟实验室网络笔记本。更为重要的是可以通过pfSense防火墙实现VPN接入。如果你主要使用的是MacBook Air或者是容量及功率有限的便携式电脑,那么VPN接入相当完美。

确保在pfSense以及Openfiler虚拟机实例中安装了VMware Tools,这对保证性能至关重要。

虚拟实验室选择正确的客户端类型

嵌入安装VMware Hypervisor很简单,关键是选择支持虚拟实验室主机的客户端类型。在安装VMware Hypervisor时选择"Other Linux 2.6 64 bit."不会有任何问题。请记住嵌入式VMware Hypervisor需要的配置较高,我选择在两台客户机之间均分剩余的28GB的内存。另一个福利是你可以通过更改内存以及CPU的数量以增加或减少主机数量。对于基础实验来说,虚拟实验室两台主机就够用了。

虚拟实验室一旦安装了第一台虚拟机的ESXi主机,我会配置一个新的静态IP然后使用Windows客户端登陆到该ESXi主机。创建一些关键的虚拟实验室基础设施包括PDC、BDC、活动目录以及DNS服务器。要创建集群必须具备上述条件,接下来可以遵循正常的集群安装过程。

虚拟实验室用于嵌入式ESXi的VMware Tools

我能提供的最后一个技巧就是你可能会发现无法通过第一级的hypervisor控制虚拟实验室内部机器,因为无法在虚拟实验室主机中安装VMware Tools。某些聪明的家伙创建了经过修改的VMware Tools以允许你与主机进行正常交互,不用再硬关机了。虽然并不具备完整的工具集,但你可以对虚拟实验室内部机器进行控制。


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