虛擬實驗室

在虛擬實驗室中，學生既可以在虛擬實驗台上動手操作，又可自主設計實驗，有利於培養的操作能力、分析診斷能力、設計能力和創新意識。在虛擬實驗室中，學生更易獲得相關的知識，科學的指導和敏捷的反饋。虛擬實驗室是未來實驗室建設的發展方向。

虛擬現實實驗室是虛擬現實技術應用研究的重要載體。

隨著虛擬實驗技術的成熟，人們開始認識到虛擬實驗室在教育領域的應用價值，它除了可以輔助高校的科研工作，在實驗教學方面也具有如利用率高，易維護等諸多優點。近年來，國內的許多高校都根據自身科研和教學的需求建立了一些虛擬實驗室。

創建過程

虛擬實驗室的開發分為模型建立、製作交互文檔、網路發布三個階段。文章以目前國內市場佔有率最高的虛擬現實軟體VRP為例，進行系統講解。

虛擬實驗室的開發分為模型建立、製作交互文檔、網路發布三個階段。

基於3Dmax建模需注意以下三點：第一，要有相對準確的模型數據，保證產品模型的尺寸比例協調和模型外觀在視覺上的真實性。第二，對於複雜對象要考慮三維模型的層次結構，分別建模，最後把所有的模型組合。第三，使用盡量少的面數，刪除冗餘的幾何元素，合併同類模型，降低整個模型的複雜度以優化模型、提高反應速度。建好模型之後，根據虛擬實驗室動作製作模型動畫。

建好模型后，進行材質編輯和設置場景燈光。材質編輯與模型優化同樣重要，因為材質的使用需要與烘焙操作結合，不同類型的材質採取不同的烘焙方式。LightingMap烘焙方式只支持3DSMAX默認的Standard材質，Completemap烘焙方式支持Max大部分材質（例如符合材質、多為材質等），如果Diffuse（漫反射）通道上沒有添加紋理貼圖，只能選擇Completemap烘焙方式。此外，材質貼圖只支持jpg，bmp，dds圖片格式；燈光按照3DSMAX的標準設置。

烘焙模型，烘焙就是把MAX中的物體的光影以貼圖的形式帶到VRP中，以求真實感。模型烘焙需要注意三個問題：第一，選擇恰當的烘焙模式，Completemap光感好，但烘焙效果模糊，所以小部件物體和產品推薦使用Completemap；Lightmap貼圖清晰但光感弱。第二，根據模型大小及其材質進行恰當的烘焙參數設置，大模型採用大貼圖尺寸，小模型採用小貼圖尺寸，很小的模型和金屬、玻璃材質不必烘焙。第三，根據模型烘焙類型和貼圖尺寸，把模型進行分類並放在一個圖層中，便於管理、修改。

最後，利用VRP-for-Max插件導出場景。導出場景之前要檢查重名模型並進行修改，然後選擇導出類型（靜態模型、剛體動畫、柔體動畫、相機），直接導出VRP格式的文件。

VRP的設置對象主要包括動作、事件和場景三類要素。動作包括物體移動、旋轉、平動、縮放、視角切換，現實（隱藏）物體、交互控制、粒子特效等；事件包括場景開始事件、滑鼠和鍵盤時間、計時器和用於特定情況下由其他事件激發自定義事件（例如單機按鈕啟動機器）等；場景包括文件中後期加入的界面、材質、聲音等交互現象。VRP交互設計就是在腳本編輯器中建立事件、動作和場景的相互關係，用戶觸發某個事件或某個事件自動發生時，相應的場景做出相應的動作。

在VRP中完成交互設置后，將VRP對象導出為支持網路發布的vrpie格式。學生可通過網路或本地機用IE或Netscape瀏覽器使用虛擬實驗室，隨時隨地地做實驗、分解實驗步驟，也可通過旋轉或移動對象查看其細節結構及屬性、組裝和拆卸對象等。虛擬實驗室技術既能減少實驗室建設的投入成本，又可應用在遠程教學網站上，以更好地實現金屬焊接實踐教學。

實驗室反映時代的特徵，時代的發展又推動實驗室的發展。數字時代的到來使實驗室走形虛擬化，帶來前所未有的發展空間，促使其發生全方位的變化，呈現出許多新特點和新優勢——提升了設計理念、拓展了服務對象、擴大了設計空間、簡化了設計流程、縮短了設計周期、降低了設計成本。虛擬實驗室的開發具有眾多優勢，作為走在時代最前沿的教育工作者，應積極地把虛擬化技術運用到實驗室開發中，把握時代脈搏，發揮虛擬實驗室在新時代教學和科研中的巨大作用。

1、系統內容豐富，包含實驗室常見儀器設備，手術器械、實驗常用藥品及實驗動物圖文並茂地介紹，起到輔助教師教學的效果

2、模擬大約20多個機能學實驗，使用虛擬模擬技術模擬動物實驗的整個操作步驟，包括：動物的麻醉，手術及信號的記錄

3、每個實驗的操作模擬，充分應用多媒體豐富直觀的表達形式，將模擬動畫，實驗錄像以及操作說明有機結合起來，既表達整體，也表達細節，便於學生對實驗操作的充分理解和掌握

4、實驗結果的模擬，對於機體在各種不同實驗條件下產生的各種波形進行實時模擬，對於一些學生平時難於完成的實驗起到示範的作用

5、學生實驗技能考核，通過內置的考試系統，對學生進行實驗掌握情況的考核

6、藥物考核可以通過對未知藥物對動物機體造成的反應讓學生對藥物進行識別，對於已知藥物則可進行用量考核，比如不同麻醉藥品的劑量考核

7、進行各種藥理學參數的計算，比如PA2，LD50，半衰期等，使學生在進行藥理學實驗的同時理解各種藥理學參數的意義及計算方法，幫助學生建立科研的思維能力

8、系統具有開發性，用戶可以將自己的實驗圖片，實驗錄像，實驗原理和操作的文字加入到系統中，從而擴充系統的適用性。

1、系統採樣網路結構，分為客戶端和伺服器端軟體，伺服器上存放模擬實驗素材，便於教師管理與日後的內容添加，系統升級，維護等。

2、系統包含基礎知識庫，實驗準備室，動物房（不少於8種動物的介紹的詳細介紹），生理實驗模擬，藥理實驗模擬，病理生理實驗模擬，機能實驗網路考試等。

3、不低於30種常見和最新的生理、藥理儀器設備原理、適用範圍、操作介紹，基本的儀器包括生物機能實驗系統、Langendorff心臟灌流系統、血管環張力系統，足趾容積儀、熱刺痛儀等常用儀器的介紹

4、包含對各種手術器械（不少於25種手術器械的介紹）、實驗常用藥品的用途及配置的介紹，包含手術器械的三維動畫

5、具有各種生物機能實驗操作技能介紹

6、包含不低於45個各種機能學實驗的全面介紹，針對於每個模擬試驗，按需要包含有簡介、原理、實驗操作錄像，操作過程模擬以及波型模擬等幾個部分內容，包含以下模擬實驗：

6.1生理學：

刺激強度與反應的關係、刺激頻率與反應的關係、神經干動作電位的引導、神經干傳導速度的測定、神經干不應期的測定、兔大腦皮層誘發電位、離體心肌細胞動作電位、兔減壓神經放電、期前收縮與代償間歇、心電圖的描記、兔動脈血壓調節、離體蛙心灌流、呼吸運動調節、影響尿生成的因素、ABO血型鑒定、離體腸肌運動等

6.2藥理學：

藥物對動物學習記憶的影響（避暗法）、藥物的鎮靜作用實驗、藥物的抗焦慮作用實驗、藥物的抗抑鬱作用實驗、藥物的鎮痛作用實驗（熱板法、光熱刺痛法）、地塞米松對實驗大鼠足趾腫脹的影響、抗疲勞實驗（轉棒法、跑步機測試法）、藥物的抗高血壓實驗、Langendorff心臟灌流實驗、離體大鼠主動脈環實驗、藥物的急性毒性實驗

6.3病生學：

急性高鉀血症、急性左/右心衰竭、急性失血性休克及微循環變化等實驗項目

6.4其他：

綜合性實驗：主要包括尼克剎米對抗度冷丁抑制呼吸作用、磺胺半衰期測定等實驗項目。

人體實驗：主要包括人體指脈信號的測定、人體全導聯心電信號的測量等實驗項目。

包含至少六個葯代動力學實驗

7、具有無紙化的網路考試功能：可以考查學生實驗技能等基礎知識進行答卷式考核，自動評分。

我們可以建設專門的、混用的或廣泛的虛擬實驗室，三種實驗室各有優缺點

表：三種虛擬實驗室建設方案優缺點對比表

從上表我們可以看出，無論採樣哪種方式，都有優缺點，因此學校可根據自己學校的情況選擇適合於自己學校要求的虛擬實驗室建設方案，實際上，廣泛的虛擬實驗室（掛接在校園網上）可以和前面兩種實驗室同時使用，只要能夠滿足足夠的訪問站點數，就可以達到既掛接於校園網又滿足專業虛擬實驗的要求，這可能是一種比較好的教學方式

1、用“平民化”的技術實現教學型虛擬實驗室的建設和應用

2、更新實驗教學觀念，重新認識虛擬實驗室

3、切合實際，合理選擇開發技術

建立一個完整的虛擬現實系統是成功進行虛擬現實應用的關鍵，而要建立一個完整的虛擬現實系統，首先要做的工作是選擇實可行的虛擬現實系統解決方案。

. 多感知性

所謂多感知性就是說除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實就是應該具有人所具有的感知功能。

2．沉浸感

又稱臨場感，它是指用戶感到作為主角存在於模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

3. 交互性

交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取環境中的物體，這時手有握著東西的感覺，並可以感覺物體的重量，視場中的物體也隨著手的移動而移動。

4．真實性

是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

訓練有素的IT員工對所有用戶來說可能意味著成功與失敗的差別。通過實習培訓實驗室提供的工具和技術，可以幫助IT專業人士為即將到來的技術採用和部署做好準備。通過對硬體和軟體的適度投資，以及正確地設置可以幫助企業將虛擬培訓實驗室轉變成一個強大的學習工具。

遠離生產環境

虛擬培訓實驗室最大的益處在於它的設計和實現是與生產環境隔離的。IT專業人士可以通過虛擬培訓實驗室創建的安全的沙箱學習或使用新的工具、玩具和技術，他們可以犯錯，甚至打破東西，同時又不會為生產環境造成問題。在培訓實驗室工作不會給生產力和盈利能力帶來風險。

建立培訓實驗室的首個原則是為其創建獨立的網路和資源，尤其是伺服器、網路和基礎設施。單個伺服器機架或刀片，一些虛擬網路元素和各種各樣的虛擬基礎設施工具可以效仿幾乎任何計劃或目前的生產環境。

培訓實驗室應容易訪問

現代虛擬專用網路和遠程訪問工具使IT專業人士能夠訪問遠程虛擬測試實驗室中大約90%的任務和活動。一些IT人員可能只需要以個人形式訪問實驗室，但同時也可以遠程訪問大量的任務和幾乎所有的培訓材料和實踐測試。這不僅提供了方便，同時需要IT專業人員利用他們的業餘時間獲取進一步的培訓。

建立充足的VPN連接是很重要的。使用單獨的遠程訪問基礎設施來支持遠程學習和實驗室考勤。員工培訓和實驗室環境看守的話可以安排兩班倒，一周6天，不然的話就24/7（三班倒，一周七天），確保正常工作時間之外能夠正常訪問。

促進和支持測試實驗室

為了達到最好的實驗室使用和投資回報率，IT人員應該多促進培訓和測試實驗室的使用。同時加強培訓工作和測試實驗室的透明化、可靠性和簡單化也十分重要。

高層在招聘新員工的過程中加強對實驗室的使用，並強調所有員工有關實驗室的可用性以及獲得大量信息的效益性。另外還應該及時告知實驗室引入或發明的任何新產品。

在網站或wiki上發布培訓和測試實驗室的信息（什麼類型的培訓以及可用的實驗室內容，如何註冊、如何使用培訓和虛擬實驗室環境，去哪裡尋求幫助和支持等等）。充分並長期利用在線問答或者實驗室測試視頻教程來吸引更多的員工。

將培訓和測試實驗室的好處及使用方法儘可能多地傳輸給員工，否則沒有必要進行投資。一定要深思熟慮並保持實驗室的發展與資源同步。

做一些調查，使用較少的空間，投資一些硬體和軟體，管理人員就可以構建一個有價值的虛擬培訓實驗室用來幫助IT員工進一步學習，減少並控制生產環境中發生的錯誤。

構建屬於自己的虛擬實驗室

對所有運行vSphere環境的管理員來說，擁有一個虛擬實驗室用於補丁及配置變更測試幾乎是必需的。正如我們已經了解的，在生產環境中進行未經測試的調整可能會導致錯誤，造成數據丟失就杯具了。

虛擬實驗室使用嵌入式虛擬化

如果你了解基本原理並且不介意在硬體上投資，那麼構建你自己的虛擬實驗室很簡單，可以考慮將投資建立虛擬實驗室作為個人投資。

虛擬實驗室勝過物理集群，因為你可以增加偽造的主機、CPU、網路、集群以及負載均衡，僅受伺服器物理資源數量的限制。需要注意的一個重要的方面是當增加需要與虛擬實驗室網路外部進行連接的網路時，需要將交換機設置為允許混雜模式，否則流量無法正確地通過網路。

在設計虛擬實驗室時，我不會過多地關注冗餘與可靠性。我更喜歡能夠在嵌套虛擬實驗室環境中做實驗。因此我選擇了配置相當好、價格相對便宜的虛擬實驗室伺服器。

接近生產配置卻是一個測試環境，儘管運行了一些非測試虛擬實驗室，但是針對學習以及試用新產品而設計的。嵌入式虛擬化並非是被VMware所支持的配置。

當前的伺服器是配置了32GB內存的HP ProLiant ML310e，我發現用於對大多數VMware產品進行測試已經足夠了。所有的一切都是虛擬出來的，包括存儲。

我選擇了標準的RAID 5，考慮了部分冗餘。同時還包含了一塊SSD硬碟用於支持需要高性能的磁碟。而且該基礎設施發生任何損失都不是世界末日。但要關注磁碟性能，因為磁碟性能往往是瓶頸。

虛擬實驗室處理器特性很關鍵

在匆忙購買新虛擬實驗室伺服器前，一定要確保虛擬實驗室具備硬體頁輔助特性。該特性對於嵌入式虛擬化至關重要。如果虛擬實驗室不具備該特性，那麼虛擬實驗室在使用嵌入式虛擬機時性能將會受影響。硬體頁輔助在本質上消除了標準的虛擬化環境中出現的內存頁雙重查找，採用第二級頁面表內存映射替代。首先在Intel ARK頁面進行核實以確保計劃購買的虛擬實驗室伺服器具備該特性（AMD擁有自己的技術版本）。

而CPU速度並不是很重要。正如大多數VMware用戶所了解的那樣，內存基本上在CPU遇到瓶頸之前就已經用光了。

虛擬實驗室整合

物理虛擬實驗室伺服器運行免費的ESXi標準副本，因為虛擬實驗室伺服器擁有一個插槽、四個核心。所有的交換機都是標準的，因此不需要浪費許可或者每隔60天重裝一次。在物理伺服器內，我創建了核心“基礎設施”用於啟動集群，這些需求很簡單。

接下來，我創建了一個虛擬的ISCSI伺服器，因為共享存儲需要先於虛擬實驗室基礎設施提供，否則虛擬實驗室將是孤立的，因為ISCSI存儲伺服器並未啟動。我選擇使用Openfiler因為它免費而且易於使用。再次說明，測試環境與生產環境有很大不同。

我還在虛擬實驗室內創建了一個pfSense路由器。這允許我創建儘可能多的網路並作為埠組提供給VMware基礎設施，對於虛擬實驗室實驗環境來說這一配置很完美。作為設置的一部分，我創建了一個虛擬實驗室網路，允許進行網路隔離並訪問非虛擬實驗室網路筆記本。更為重要的是可以通過pfSense防火牆實現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攜帶型電腦，那麼VPN接入相當完美。

確保在pfSense以及Openfiler虛擬機實例中安裝了VMware Tools，這對保證性能至關重要。

虛擬實驗室選擇正確的客戶端類型

嵌入安裝VMware Hypervisor很簡單，關鍵是選擇支持虛擬實驗室主機的客戶端類型。在安裝VMware Hypervisor時選擇"Other Linux 2.6 64 bit."不會有任何問題。請記住嵌入式VMwareHypervisor需要的配置較高，我選擇在兩台客戶機之間均分剩餘的28GB的內存。另一個福利是你可以通過更改內存以及CPU的數量以增加或減少主機數量。對於基礎實驗來說，虛擬實驗室兩台主機就夠用了。

虛擬實驗室一旦安裝了第一台虛擬機的ESXi主機，我會配置一個新的靜態IP然後使用Windows客戶端登陸到該ESXi主機。創建一些關鍵的虛擬實驗室基礎設施包括PDC、BDC、活動目錄以及DNS伺服器。要創建集群必須具備上述條件，接下來可以遵循正常的集群安裝過程。

虛擬實驗室用於嵌入式ESXi的VMware Tools

我能提供的最後一個技巧就是你可能會發現無法通過第一級的hypervisor控制虛擬實驗室內部機器，因為無法在虛擬實驗室主機中安裝VMware Tools。某些聰明的傢伙創建了經過修改的VMware Tools以允許你與主機進行正常交互，不用再硬關機了。雖然並不具備完整的工具集，但你可以對虛擬實驗室內部機器進行控制。