基于Virtools的虚拟实验室设计与实现

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald120结合物理虚拟实验室设计的具体要求，合理运用3D及V i r t o o l s 技术，明确设计目标，加强对设计方案的不断优化，有利于完善物理虚拟实验室长期使用中的服务功能，最大限度地满足实际生产活动的各种要求。

文中通过对3D 和Vir tools技术相关内容的阐述，客观地说明了灵活运用这些技术对于物理虚拟实验室设计与实现的重要性。

1 基于3D和Virtools技术的物理虚拟实验室的设计要点分析1.1 物理虚拟实验室架构确定基于3D和Vi r t ool s 技术实现物理虚拟实验室设计目标时，应加强C/S或B/S 架构的合理运用。

物理虚拟实验室架构主要是由服务器端与客户端组成。

其中，结合V i r to ol s 技术的优势选择可靠的插件方式，有利于完善物理实验室客户端的服务功能。

当采用直接浏览的方式时，选择的是可靠的C/S结构。

而服务器端为物理模拟实验室的正常运行提供了良好的实验平台，确保了各种实验仪器及运行程序的正常使用。

1.2 实验室参考模型设计分析结合物理模拟实验室的实际作用，可知其包含了许多不同类型的实验。

在构建实验室参考模型的过程中，需要明确这些方面的设计要点：(1)将每个实验看做一个智能实验室模块，实验室使用中应及时地激活这些模块；(2)从实验介绍、实验组装、实验设置、数据处理等方面完善实验室的服务功能；(3)运用V i r t ool s 技术的多个场景统一管理技术的作用，优化物理虚拟实验室使用中的资源配置。

虚拟实验室模型如图1所示。

1.3 物理虚拟实验室模块功能分析在物理虚拟实验室设计的过程中，需要合理地设置仪器的编辑模块、实验组装及控制模块、实验数据处理模块。

其中，仪器编辑模块中仪器模型构建的过程中，由于Vi r t o ol s 本身没有建模的功能，所以一般建模方法是采用建模软件来实现，如，3DM A X 或M ay a等。

基于Virtools的三维虚拟实验的研究与实现曾令菊【摘要】：随着虚拟现实技术的不断发展,虚拟实验得到了广泛的研究和应用,为创新实验教学模式提供了一种新的思路。

虚拟实验不仅可以解决学校实验教学中存在的问题,还能有效的改变远程教育实验教学的现状,因此对虚拟实验进行研究、开发具有非常重要的意义。

Vir tools是一款功能非常强大的三维交互设计软件,具有简单易用、交互功能强大、可视化界面、可扩展性强等特点,被广泛的运用于游戏开发、工业仿真、技能训练、虚拟实验开发等方面。

因此,本文尝试研究如何利用Virtools来构建三维虚拟实验,希望能够将虚拟现实技术的优秀成果转换成实际的虚拟实验教学系统,并将其很好的运用于实验教学中。

本文包含六部分内容,第一部分阐述了本文研究的目的、意义及研究方法,分析国内外虚拟实验研究的现状及研究中存在的问题；第二部分对虚拟现实技术及其特征进行了简单分析,对虚拟实验的含义、特点、发展趋势进行深入探讨,重点研究了虚拟实验在学校教育和远程教育中的具体应用,最后对虚拟实验的缺点与不足及构建虚拟实验的理论基础进行了深入分析。

第三部分对可用于虚拟实验开发的相关技术进行比较分析,并对选择Virtools作为主要开发工具的理由进行详细阐述,最后对Virtools进行详细介绍,并深入分析了基于Virtools的三维虚拟实验的开发流程。

第四部分以电视节目摄像实验为例,对虚拟实验的总体结构框架、交互功能、交互界面及技术路线和实现方案进行分析、设计。

第五部分根据设计好的各项功能,对电视节目摄像虚拟实验进行具体开发。

对三维模型建构和实验交互功能实现的关键技术和实现方法进行深入分析,最终开发出一个具有一定使用价值的电视节目摄像三维虚拟实验系统。

最后一部分对全文的研究进行总结,指出研究中存在的问题与不足,并提出以后研究的方向。

通过研究,本文对虚拟实验的相关理论及其在教育中的应用进行了深入的分析,对如何运用Virtools设计和开发虚拟实验摸索出了一些解决方法,希望对以后的研究和学习提供一定的思路和借鉴。

创建虚拟教实验室的设计与实现随着科学技术的发展和教育的变革，传统的实验教学方式已经无法满足学生的学习需求。

为了提供更加灵活、创新且易于实施的实验教学环境，越来越多的学校和教育机构开始探索、引入虚拟实验室技术。

本文将探讨创建虚拟实验室的设计与实现，并介绍其在教育领域的应用。

一、设计虚拟实验室的目标创建虚拟实验室的首要任务是确立明确的目标。

在设计之初，需要确定虚拟实验室的用途、目标学科、年级范围以及实验内容。

根据目标的不同，虚拟实验室的设计可以包括科学实验、工程实践、生物医学、物理、化学等多个领域。

在设计过程中，需确保虚拟实验室能够提供真实的实验场景及实验器材的模拟，并兼顾实践操作和实验原理的解释。

二、建设虚拟实验室的技术支持1. 虚拟化技术：虚拟化技术是构建虚拟实验室的核心。

通过使用虚拟化技术，可以实现对实验所需的软硬件环境进行模拟和虚拟。

这包括虚拟机技术、云计算、网络模拟、三维建模等。

虚拟化技术能够创建实验室环境的多个副本，使学生可以灵活地进行实验操作，同时避免了资源浪费。

2. 三维建模技术：三维建模技术是设计虚拟实验室必不可少的工具。

通过三维建模技术，可以构建真实且具有交互性的实验场景，提供逼真的视觉和声音效果。

这使得学生能够更好地理解实验过程和原理，并且有助于激发他们的学习兴趣。

3. 多媒体技术：多媒体技术使得虚拟实验室能够提供更多元化的实验内容。

通过图像、视频、动画等形式，可以向学生展示实验过程，解释实验原理，并且提供与实验相关的背景知识。

这些多媒体资源可以极大地丰富虚拟实验室的内容，提高学生的学习效果。

三、虚拟实验室的教学模式1. 自主学习模式：虚拟实验室的自主学习模式允许学生根据自己的需要和兴趣进行学习。

他们可以根据自己的时间、地点和进度进行实验操作，通过自主探索和实践来提升实验技能和科学素养。

教师在此模式下起到指导和引导的作用，与学生进行及时沟通和交流。

2. 合作学习模式：虚拟实验室的合作学习模式鼓励学生之间的互动和合作。

基于Virtools的计算机硬件组装虚拟实验开发及实现的开题报告1、研究的背景与意义计算机硬件组装是计算机科学中一项非常重要的实践性课程，通过实际操作，让学生了解计算机各种硬件的功能、结构以及组装方法，能够使学生加深对计算机硬件组件的了解，掌握计算机的实际操作技能，提高计算机服务能力。

但正常情况下，每个学生都需要去进行实际的组装，这既耗费时间又浪费资源，并且有些学生可能无法亲自实验，如何有效地开展和推广这一门课程是值得探讨和研究的。

预计使用Virtools建立一种基于虚拟现实技术的计算机硬件组装实验，辅助学生理解计算机硬件组装原理、熟悉计算机硬件的组装过程，同时还可简约时间和实验成本，是非常具有实用性和应用前景的研究。

2、开题报告的主要内容（1）研究框架及设计思路本研究的基础核心是，通过虚拟现实技术构建计算机硬件组装实验。

首先，利用Virtools平台实现虚拟环境的构建，包括计算机硬件组装实验模型和相关的资源模型。

接着，利用虚拟现实技术模拟出计算机硬件的各种组织过程，使得学生可以在虚拟环境中掌握计算机硬件组装的相关技能。

（2）实验内容设定本实验将设置“计算机硬件组装实验”作为主题，主要内容包括计算机硬件组装基础、计算机硬件组装工具及使用等相关内容。

模拟现实操作过程，提供用户操作指导，学生可以在这个虚拟环境下学习，理解计算机硬件的基本知识，同时还可以提高学生的沟通能力和团队协作能力。

（3）技术实现方案在技术实现方案中，主要利用Virtools软件平台实现“计算机硬件组装”实验虚拟环境的建立和相关功能。

具体步骤包括计算机硬件组装实验模型的构建和设计、学生数据和行为流的抓取和分析、以及对学生操作数据的监测和性能优化等工作。

同时，利用三维仿真技术提高用户交互体验，使学生能够更加深入地了解计算机硬件相关知识。

3、预期成果和工作计划本研究的预期成果为虚拟现实计算机硬件组装实验系统。

该系统能够大幅度节省实验时间成本，增加学生练习的机会，同时方便相关教师的授课和管理工作。

基于3D MAX和Virtools的虚拟实验的研究与设计摘要：构建基于virtools技术虚拟教学系统，有助于提高课堂教学的效率和效果。

本文概括了virtools技术的特点和优势、分析了虚拟教学的理论基础和特点，并以计算机的虚拟组装现为例介绍了virtools技术的具体应用。

关键词：virtools 3d max 虚拟实验虚拟现实技术1、虚拟现实技术虚拟现实技术（virtual reality，简称vr），是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟环境，它借助多种专用输入输出设备向计算机传达各种动作信息，通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等作用，使用户产生现实中一样的感觉即虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。

普通意义上的虚拟现实需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封舱等昂贵的设备，目前在军事训练、飞行模拟、医学等方面应用较为广泛，但在教育部门很少用到。

桌面级的虚拟实验室具有便于制作、使用和推广的特点，只需要少量的制作资金和较为简单的硬件设备就可以把一台普通的pc机变成一个满足能实验教学需求的虚拟实验系统。

2、虚拟现实技术在实验课教学中的实现意义2.1突破了实验在时间和空间上的限制利用虚拟现实技术打破了实验在空间上的限制，可以进入事物的内部进行观察，比如学生可以进入虚拟发动机的内部，观察发动机的各个组成部件及其工作过程，这是二维动画和录像不能比拟的。

一些生物、医学实验有些需要几个月甚至更长的时间，通过虚拟现实技术可以将实验的变化过程在很短的一堂课的时间内展现给学生。

2.2有效的解决了学校实验设备和资金不足的问题目前很多学校由于实验场地、昂贵的实验设备和耗材使得许多实验都无法开展，将虚拟现实技术引入实验教学弥补了在这方面的不足，使学生能够获得与真实实验一样的体会，加深对教学内容的理解。

2.3在实验过程中允许学生犯错误，避免危险的发生和实验设备的过度损坏在真实的实验过程中学生犯一次小小的错误就有可能导致整个实验的失败或者事故的发生。

MCU of virtual training project designing based on
Virtools
作者： 潘晓宁
作者机构： 深圳信息职业技术学院电子通信系,深圳518029
出版物刊名： 深圳信息职业技术学院学报
页码： 72-78页
年卷期： 2011年 第1期
主题词： 单片机虚拟实训 3DSmax Virtools
摘要：单片机虚拟实训项目的开发,综合运用了单片机系统设计、3DS max、Virtools技术,创建了模拟真实环境和流程的交互式虚拟实训场景,对于在Virtools中进行符合项目流程实训行为模块的开发关键技术,如USB上电的动画设置、开发板的跳线设置、按键控制及互锁、摄像机设置及碰撞检测和如何在虚拟场景中播放教学片等,进行了详细的介绍,开发的作品已用于实际的教学中,并取得了初步的成效,在项目教学的实践演示、交互自主的探究性学习使用中起到了重要的辅助作用。

基于虚拟现实技术的虚拟实验室设计与实现虚拟实验室是利用虚拟现实技术模拟真实实验环境，使学生能够进行实验操作和实验探索的教学场所。

通过虚拟实验室，学生可以在没有真实实验设备的情况下进行实验，并且能够随时随地进行学习和练习。

本文将探讨虚拟实验室设计与实现的相关内容。

一、虚拟实验室的设计原则和要点1. 实验场景的逼真性虚拟实验室的设计应力求使得实验场景逼真，以提供与实际实验相似的体验。

这包括实验设备、实验器材、实验室环境等多个方面的模拟。

通过使用逼真的图像、声音和动画效果，能够让学生有身临其境的感觉，增强学习的效果。

2. 实验数据的准确性虚拟实验室中生成的实验数据应该与真实实验结果尽可能一致。

这就要求虚拟实验室使用准确的物理模型和算法来模拟实验过程，确保学生在虚拟实验中处理实验数据时能够得到正确的结果。

3. 实验步骤的清晰性虚拟实验室的实验操作步骤应该清晰明确，学生能够按照指导进行实验，并且能够随时获得必要的帮助和指导。

通过提供详细的实验说明、操作指南和提示，能够让学生更好地完成实验过程，并帮助他们理解实验的目的和原理。

4. 互动性和个性化虚拟实验室应该具有互动性，能够根据学生的操作和反馈进行实时的响应和调整。

同时，虚拟实验室还应该支持个性化的学习，可以根据学生的不同需求和水平提供不同的实验内容和难度。

二、虚拟实验室的实现技术虚拟实验室的实现离不开虚拟现实技术的支持，以下是几种常见的虚拟实验室实现技术：1. 虚拟现实头盔和手柄虚拟现实头盔和手柄是虚拟实验室必备的硬件设备，它们能够提供沉浸式的虚拟实验环境。

通过佩戴虚拟现实头盔，学生可以看到虚拟实验室中的场景和实验设备，并通过手柄进行实验操作。

2. 3D建模和动画技术利用3D建模技术可以实现虚拟实验室中实验设备和场景的建模。

通过将真实实验设备的各个部分进行准确的建模，并添加合适的材质和纹理，可以生成逼真的虚拟实验场景。

动画技术可以用于模拟实验过程中器件的工作原理等，增强虚拟实验的交互性和可视化效果。

科技信息1.虚拟实验设备虚拟实验设备是在虚拟现实的基础上提出来的，从本质上来说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作。

该技术的主要特征有:多感知性、浸没感、交互性、构想性[1]。

在这种虚拟实验环境中，面对虚拟实验设备可以通过点击、拖动鼠标，移动、控制呈现在显示器上的设备操作按钮，观察实验现象及其结果。

可以说，虚拟实验设备可以解决高校普遍存在的实验设备不足、型号落后、难以更新换代跟上科技发展的困难，改善实验实训环境、优化教学过程、促进教学场所的变化，节省教育投资，提高教学效果产生深远的影响。

虚拟实验设备在国外早就引起重视，国外的剑桥大学、斯坦福大学、新加坡国立大学等一些大学都已经组建了虚拟仪器设备实验室[2]。

在我国，中南大学开发了基于N S 2模拟器的计算机网络虚拟实验室系统；中国民航大学利用L a b V I E W 编程平台设计数字示波器、频谱分析仪、信号发生器和数字电压表等实验设备[3]；华南农业大学开发了虚拟高速贴标机实验设备[4]等等。

中国科技大学、浙江大学、清华大学、华中理工大学、上海交通大学等国家重点高校还开展了虚拟仪器设备实验室方面的研究，并取得了一定的进展。

2.虚拟实验设备的设计与开发本系统基于P C 机开发的一个桌面型虚拟实验系统。

系统主要由虚拟建模和人机互动构建两个部分组成。

通过人机交互系统学生可以按照自己的想法认识自己喜欢的项目，对高档实验设备有一个初步的了解。

我们采用Virtools 软件来实现，由于Virtools 提供的只是一个三维引擎，是各种资源的使用和管理者，但其本身不能创建模型、材质、影音等。

因此，是否建立丰富的相关资源库是基于Virtools 系统开发成功的关键。

2.1Virtools 简介Virtools 是由法国达索系统公司开发的具备丰富的互动行为模块的实时3D 环境虚拟实境编辑软件，可以制作出许多不同用途的3D 产品，如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。

基于Virtools 的路由交换技术虚拟实验室设计与实现虚拟实验室融合了计算机技术、网络技术、虚拟现实技术、人机交互技术等，构建出与真实环境高度一致的实验环境。

学生可随时随地登录到虚拟实验室进行学习、实验，将学习过程延伸到了课前、课中、课后，能激发学生的学习热情、提高学习效率，还打破了时空限制，大幅度减少了实验耗材的消耗，提高了实验效率。

目前，虚拟实验室在国内外高校中已经开始应用。

虚拟实验室建设作为教育部《教育信息化2.0行动计划》中的一项重要内容，对于解决实验室存在的问题具有重大意义[1]。

“路由交换技术”作为高等职业院校计算机网络技术专业、通信技术专业的一门核心课程，实验部分占有较大比重。

学生在掌握交换机、路由器的基本原理的基础上，需要掌握虚拟局域网（VirtualLocal Area Network ，VLAN ）、端口安全、链路聚合、路由协议、访问控制列表的配置，并能够根据公司或企业的需要组建网络、维护网络安全，这对学生的操作能力提出了更高要求。

目前，很多高等职业院校建立的路由交换实验室在培养学生的实践能力方面起到了很大作用，然而也存在一些问题。

一方面，由于信息技术（In -formation Technology ，IT ）行业发展迅速，新技术不断出现，传统实验室面临更新换代问题；另一方面，在“路由交换技术”课程实践教学过程中，前期需要实验室工作人员和教师做大量的准备工作，包括数据预设、设备维修、还原等，严重影响了课程教学效率。

针对这些问题，笔者借助各种现代技术，设计与实现了基于Virtools 的路由交换技术虚拟实验室，为“路由交换技术”课程实验部分的教学实践提供帮助。

1路由交换技术实验目前存在的问题1.1实验设备陈旧且数量不足高等职业教育作为高等教育的一个重要组成部分，目的是培养具有创新能力的技术技能型人才。

为了达到这个目的，实验实训中心对“路由交换技术”课程的实践教学内容进行了改革，更新了大量的实验项目。