簡析基于web 的虛擬實驗平臺的設(shè)計論文
實驗是機械課程中必不可少的一部分，學(xué)生可以通過機械實驗操作更好的更深入理解所學(xué)的機械結(jié)構(gòu)與機械理論，但當(dāng)前受成本及空間的限制，很多高校的機械實驗體系并不是特別完善，且當(dāng)前的實驗?zāi)Ｊ剑嗤Ａ粼趯嶓w模型操作階段，其實驗只能在實驗室里進行，受空間及成本約束較大。而虛擬實驗平臺則不同，虛擬實驗平臺不受空間時間的限制，且其機械模型不需要維護與定期更換，大大降低了成本。因此，基于當(dāng)前機械實驗現(xiàn)狀提出了虛擬實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)方案。
1 國內(nèi)外虛擬實驗平臺現(xiàn)狀與分析
當(dāng)前，國內(nèi)外虛擬實驗平臺的搭建還是比較成功的，例如英國開放的大學(xué)開發(fā)的科學(xué)實驗室已基本能夠在線實現(xiàn)實體實驗室的所有功能，學(xué)生可以從網(wǎng)站上下載虛擬模擬儀器軟件進行在線實驗，也可以借助遙控儀器進行遠程控制實驗。相對于國外，國內(nèi)這方面的研究起步較晚，但也有不少成功的案例，例如北京航空航天大學(xué)的機械與控制工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心、吉林大學(xué)的機械虛擬仿真實驗教學(xué)中心、華中科技大學(xué)的機械學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)中心等等。總之，當(dāng)前虛擬實驗室技術(shù)雖然取得了一定的成果，但自身的實驗環(huán)境受一定時間和空間的限制，不能時時的提供給學(xué)生一個自主設(shè)計和分析的實驗環(huán)境。
2 虛擬實驗平臺的總體方案設(shè)計
2.1 虛擬實驗平臺的技術(shù)研究路線
2.1.1 以機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗為開發(fā)對象，分析其實驗內(nèi)容及過程，采用統(tǒng)一建模語言UML 對平臺進行業(yè)務(wù)流程分析，完成需求分析報告。
2.1.2 根據(jù)需求分析報告，對實驗平臺進行概念設(shè)計(數(shù)據(jù)層)、業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(各種被封裝的Web 實例) 和物理設(shè)計(功能設(shè)計)，進而完成三層分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計。
2.1.3 確定使用Visual Studio2015 設(shè)計開發(fā)Web 程序，利用SQL Server2008 完成數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，選定Pro/Engineer、3D MAX、Unity3D等軟件進行3D 模型的構(gòu)建。
2.1.4 完成平臺詳細方案設(shè)計，包括虛擬實驗、實驗教學(xué)及平臺管理三大模塊。進行開放式虛擬實驗平臺的程序設(shè)計和數(shù)據(jù)庫開發(fā)。
2.1.5 進行虛擬實驗3D 模型的構(gòu)建，利用Pro/Engineer、3D MAX、Unity3D 建立起所需要各部分機械零件模型。
2.1.6 完成實驗平臺各功能模塊的集成與測試，將Web 程序和3D 建模相結(jié)合，實現(xiàn)開放式虛擬實驗平臺的機械虛擬仿真實驗功能。
2.1.7 完善并優(yōu)化開放式虛擬實驗平臺，網(wǎng)上試運行。
2.2 虛擬實驗平臺的功能結(jié)構(gòu)
基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Web 技術(shù)開發(fā)一套功能完備、通用性強的適合Web 環(huán)境的開放式虛擬實驗教學(xué)平臺，主要包括在線虛擬實驗、實驗教學(xué)管理及平臺管理維護三大功能，平臺的具體功能為在線虛擬實驗、在線作業(yè)、實驗報告的智能批改、在線交流討論和成績管理等，其中在線虛擬實驗重點開發(fā)了減速器拆裝實驗、常用機構(gòu)和通用件認知實驗等。
3 虛擬實驗平臺的實現(xiàn)
本虛擬實驗平臺采用的開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio2015 和SQL Server 2008, 同時利用ASP.NET 技術(shù)和C#.NET 網(wǎng)頁編程語言，并結(jié)合ADO.NET 數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)完成了系統(tǒng)的開發(fā)。本系統(tǒng)包含三個角色管理員、教師和學(xué)生，他們分別具有不同的操作權(quán)限。當(dāng)?shù)卿洷鞠到y(tǒng)后，管理員具有最高權(quán)限，可在其界面添加、修改、刪除用戶;教師可通過在線頁面查詢實驗的開放情況，并可以根據(jù)自己的課程情況開放或關(guān)閉實驗;學(xué)生可通過在線系統(tǒng)預(yù)約、進行實驗，并且可以在查詢界面查詢自己的實驗成績。現(xiàn)已完全實現(xiàn)零件認知虛擬實驗和減速器拆裝虛擬實驗，零件認知實驗界面。減速器拆裝實驗界面，本平臺的減速器為一級減速器，其主要構(gòu)件為箱蓋、箱座、齒輪軸、齒輪、軸承等零件和螺栓。學(xué)生可通過拖動左側(cè)零件庫中的零件進行減速器的安裝，在裝配完成后，可進行減速器的拆除實驗。同時學(xué)生可通過工具欄進行減速器零件參數(shù)的`測繪。
對于虛擬實驗，采用的開發(fā)工具為CREO3.0 與Unity3D，其中，各種機械零件的建模均采用CREO3.0 軟件進行建模，同時減速器的組裝也是使用CREO3.0 進行裝配，利用CREO3.0 導(dǎo)出obj 文件，直接使用obj 文件將模型導(dǎo)入Uniyt3D 中，其虛擬實驗操作界面等部分均是采用Unity3d 技，對于模型按鈕的控制以及旋轉(zhuǎn)移動，則使用的是Unity3D 中的腳本功能。
4結(jié)束語
基于web 的虛擬實驗平臺的開發(fā)與實現(xiàn)，不僅大大降低了實驗室建設(shè)的成本，并且節(jié)約了時間、空間和材料。同時使學(xué)生可以不受時間空間的限制，隨時隨地的進行機械實驗，吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時該平臺也是教師得力的教學(xué)工具。
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