簡析基於web 的虛擬實驗平臺的設計論文

實驗是機械課程中必不可少的一部分，學生可以透過機械實驗操作更好的更深入理解所學的機械結構與機械理論，但當前受成本及空間的限制，很多高校的機械實驗體系並不是特別完善，且當前的實驗模式，多停留在實體模型操作階段，其實驗只能在實驗室裏進行，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，基於當前機械實驗現狀提出了虛擬實驗平臺的設計與開發方案。

1 國內外虛擬實驗平臺現狀與分析

當前，國內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開發的科學實驗室已基本能夠在線實現實體實驗室的所有功能，學生可以從網站上下載虛擬模擬儀器軟件進行在線實驗，也可以藉助遙控儀器進行遠程控制實驗。相對於國外，國內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的機械與控制工程虛擬仿真實驗教學中心、吉林大學的機械虛擬仿真實驗教學中心、華中科技大學的機械學科虛擬仿真實驗教學中心等等。總之，當前虛擬實驗室技術雖然取得了一定的'成果，但自身的實驗環境受一定時間和空間的限制，不能時時的提供給學生一個自主設計和分析的實驗環境。

2 虛擬實驗平臺的總體方案設計

2.1 虛擬實驗平臺的技術研究路線

2.1.1 以機械設計基礎實驗爲開發對象，分析其實驗內容及過程，採用統一建模語言UML 對平臺進行業務流程分析，完成需求分析報告。

2.1.2 根據需求分析報告，對實驗平臺進行概念設計(數據層)、業務邏輯層設計(各種被封裝的Web 實例) 和物理設計(功能設計)，進而完成三層分佈式體系結構設計和功能設計。

2.1.3 確定使用Visual Studio2015 設計開發Web 程序，利用SQL Server2008 完成數據庫的開發，選定Pro/Engineer、3D MAX、Unity3D等軟件進行3D 模型的構建。

2.1.4 完成平臺詳細方案設計，包括虛擬實驗、實驗教學及平臺管理三大模組。進行開放式虛擬實驗平臺的程序設計和數據庫開發。

2.1.5 進行虛擬實驗3D 模型的構建，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組的集成與測試，將Web 程序和3D 建模相結合，實現開放式虛擬實驗平臺的機械虛擬仿真實驗功能。

2.1.7 完善並優化開放式虛擬實驗平臺，網上試執行。

2.2 虛擬實驗平臺的功能結構

基於虛擬現實技術、資訊技術、網絡技術、Web 技術開發一套功能完備、通用性強的適合Web 環境的開放式虛擬實驗教學平臺，主要包括在線虛擬實驗、實驗教學管理及平臺管理維護三大功能，平臺的具體功能爲在線虛擬實驗、在線作業、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了減速器拆裝實驗、常用機構和通用件認知實驗等。

3 虛擬實驗平臺的實現

本虛擬實驗平臺採用的開發工具爲Microsoft Visual Studio2015 和SQL Server 2008, 同時利用 技術和C# 網頁編程語言，並結合 數據庫訪問技術完成了系統的開發。本系統包含三個角色管理員、教師和學生，他們分別具有不同的操作權限。當登入本系統後，管理員具有最高權限，可在其介面添加、修改、刪除用戶;教師可透過在線頁面查詢實驗的開放情況，並可以根據自己的課程情況開放或關閉實驗;學生可透過在線系統預約、進行實驗，並且可以在查詢介面查詢自己的實驗成績。現已完全實現零件認知虛擬實驗和減速器拆裝虛擬實驗，零件認知實驗介面。減速器拆裝實驗介面，本平臺的減速器爲一級減速器，其主要構件爲箱蓋、箱座、齒輪軸、齒輪、軸承等零件和螺栓。學生可透過拖動左側零件庫中的零件進行減速器的安裝，在裝配完成後，可進行減速器的拆除實驗。同時學生可透過工具欄進行減速器零件參數的測繪。

對於虛擬實驗，採用的開發工具爲CREO3.0 與Unity3D，其中，各種機械零件的建模均採用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 匯出obj 檔案，直接使用obj 檔案將模型匯入Uniyt3D 中，其虛擬實驗操作介面等部分均是採用Unity3d 技，對於模型按鈕的控制以及旋轉移動，則使用的是Unity3D 中的腳本功能。

4結束語

基於web 的虛擬實驗平臺的開發與實現，不僅大大降低了實驗室建設的成本，並且節約了時間、空間和材料。同時使學生可以不受時間空間的限制，隨時隨地的進行機械實驗，吸引了學生的學習興趣，同時該平臺也是教師得力的教學工具。