1、虚拟现实技术在电子教学中的应用The application of virtual realism in electronic teaching郭建才华南师范大学教育信息技术学院E-mail：随着虚拟现实技术的飞速发展， “虚拟仪器” 、 “虚拟电子实验室”等虚拟现实技术已迅速在电子测量、电子设计和实验等领域应用。 “虚拟仪器” 、 “虚拟电子实验室”等虚拟现实技术的出现，必将对电子类课程教学改革产生深远的影响。本文就“虚拟仪器” 、 “虚拟电子实验室”的特点、教学优势及教学应用作深入的探讨。关键词：虚拟现实 虚拟仪器 虚拟电子实验1 引言随着虚拟现实技术的飞速发展， “虚拟仪器” 、 “虚拟
2、电子实验室”等虚拟现实技术已迅速在电子测量、电子设计和实验等领域应用。目前，虚拟现实技术在电子教学中的应用主要有两个方面，一个是虚拟仪器，在发达国家虚拟仪器已经十分普及，在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言如，已作为各大学理工科学生的一门必修课程，美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。据国内专家预测：未来的几年内,我国将有 50%的仪器为虚拟仪器。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
3、虚拟现实技术在电子教学的另一个应用是虚拟电子实验室，目前，我国一些高校已将虚拟电子实验应用到电子实验教学中，其中，比较受欢迎的有 Interactive Image Technologies LTD 公司推出的虚拟电子实验软件 Electronics Workbench。Workbench 是以计算机作为电子设计与测试平台，用它在计算机平台上做电子设计与测试,就像在真实的实验室做实验一样，在这样的虚拟现实环境中，可以设计与测试各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、高频电路等。利用它还可以方便地对测试结果进行分析、打印出实验数据、测试曲线和电路原理图，而且，这种虚拟实验不消耗器材，实验所
4、需器材种类和数量不受限制，实验成本低、速度快、效率高，利用它还可以开展各种设计性实验。随着“虚拟仪器” 、 “虚拟电子实验室”逐渐在高校的应用，必将对电子课程教学产生深远的影响，本文就“虚拟仪器” 、 “虚拟电子实验室”的教学优势以及它在电子类课程教学的应用作深入的探讨。2 虚拟仪器及教学应用虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上相应的硬件（如数据采集卡、输入/输出卡、GPIB 卡等）和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。在同一套系统，通过软件就可以组建任意形式的虚拟仪器系统，如电压表、电流表、频率计、示波器、信号发生器、扫频仪等。改变软件，就可
5、改变仪器功能，用同一套硬件系统可实现多种传统仪器的功能。 12.1 虚拟仪器由硬件平台与软件开发平台构成2.1.1 虚拟仪器的硬件平台虚拟仪器的硬件构成主要包括：计算机、模数转换器、数模转换器、数字量输入输出等。虚拟仪器按功能可划分成三个主要部分：（1）信号输入：将被测信号经信号调理后转变成标准信号以利于计算机处理；（2）信号输出：将计算机产生的数字信号经过信号调理转换成适合于被测系统的激励信号；（3）信号处理：利用计算机对信号进行分析、显示、存储等。2.1.2 软件开发平台虚拟拟仪器开发工具有、惠普公司的及微软的、等等软件。其中，图形化编程技术被专家看好，例如 National Instru
6、ments 公司的图形化开发系统具有开放的软件体系，提供 DLL 库接口，支持OLE，还提供大量设备驱动程序库、数字信号处理函数和分析库。这些虚拟仪器开发系统还提供较强的通讯能力，能充分利用网络操作系统如 Windows-NT4.0 的增强性能。例如的 TCP/IP 和UDP 网络 VI 模块能够与远程应用系统建立通信；Internet 工具箱还为系统增加了 E-mail、FTP 和 Web功能；利用远程自动化 VI 模块还可以对控制其他设备的分散 VI 进行控制；利用 OLE 和 DDE 则可以将应用程序与其他基于 Windows 的系统集成起来。2.2 虚拟仪器在电子教学中具有的优势（1）
7、一机多用，节省资金及空间一个传统的测试实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不同，如果开设综合性实验所需仪器更多，这么多的仪器不仅价值昂贵，体积大，占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。如果使用虚拟仪器系统就可以很好地解决这个问题。不仅虚拟仪器工作平台的机可以一机多用，而且实验室也可以一室多用，节约了设备投资，还可缓解高校实验室空间不足的问题。（2）与计算机网络互连，为远程实验教学创造了条件的 TCP/IP 和 UDP 网络 VI 模块能够与远程应用系统建立通信； Internet 工具箱还为系统增加了 E-mail、FTP 和 Web 功能；利用远程自动化 VI 模块还可以对控制其他设备
8、的分散 VI 进行控制；利用 OLE 和 DDE 则可以将应用程序与其他基于 Windows 的系统集成起来。这为虚拟仪器在远程实验教学创造了有利条件。（3）具有强大的数据处理功能虚拟仪器以计算机为核心，因此，它具有数据采集、储存、分析、处理、传输及控制的强大功能，使用虚拟仪器能够轻而易举地测量、显示暂态或缓慢变化的量以及对被测量进行各种分析，而这对于传统仪器来说是困难的。（4）测量精确，克服各种机械故障传统仪器操作面板是物理实体，仪器使用久了以后，操作面板上的开关、旋钮会出现接触不良等机械故障。而虚拟仪器的操作面板是由软件生成的，用鼠标或键盘对其进行操作，不会出现类似于传统仪器那样的机械故障
9、。另外，传统仪器的指针式仪表，其测量误差较大，而虚拟仪器则可以进行高速和精密测量。 2.3 虚拟仪器在教学中的应用虚拟仪器的硬件是以通用微型计算机为基础的，购买一些仪器模板，就可以构成一定数量的虚拟仪器供学生使用。是一种由相应的硬件（接口卡）支持的图形编程语言，它具有十分强大的功能，包括数值函数运算、数据采集、信号处理、输入输出控制、信号生成、图像的获取、处理和传输等等。它采用了工程界熟悉的术语、图标等图形化符号来代替常规的编程，把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成简单、直观、易学的图形编程方式。学生可以很快学会使用设计出各种电子测试仪器。在电子教学实验中，可以用虚拟仪器测试各种电子设备，如电视
10、机、影碟机、录像机等电子设备。同一台虚拟仪器系统可以虚拟出电压表、电流表、频率计、示波器、信号发生器、扫频仪等多种测量仪器。学生可以根据实验要求，自行设计各种软面板，定义仪器的功能，并以各种形式表达输出检测结果，进行实时分析。例如：虚拟仪器虚拟出的函数发生器，其波形、频率、幅值等都可用键盘或鼠标进行设置，完全能代替常规的仪器使用。用它虚拟出的示波器，不仅具有常规示波器的功能，还可同时显示、记录、存储和打印多通道输入的波形，对存储的曲线可通过“回放”功能显示在屏幕上， “回放”速度可调， “回放”过程可暂停波形扫描，以便能更清楚地观察波形的变化，所存储的曲线可以在任何时间打印输出，学生可以及时进
11、行数据处理，观察和分析实验结果。从而激发了学生的实验兴趣，提高了实验效果和效率，加深了他们对理论知识的掌握。3 虚拟电子实验室及教学应用利用 Workbench 虚拟电子实验软件，可以进行各种电子电路的设计与测试，包括电工学、模拟电路、数字电路、高频电路等的实验。如：稳压电路、多谐振荡器电路、数字钟实验电路等。虚拟电子实验所用的器件（包括型号、参数） 、测试的仪器仪表、信号源、导线以及电路连接件等全部用软件实现。Workbench 中有 11 类元器件库，即组合器件、分立元器件、整流类元器件、场效应管、继电器及可控信号源类、混合电路、显示测试器件、通用逻辑电路、译码器及多路开关、触发器、集成电
12、路等，有 70 多种电子元器件；该软件提供了种类齐全的虚拟测试仪器，包括常规仪器仪表（如万用表、交直流电流表、交直流电压表、信号发生器、示波器等） ，高档仪器（如字函数发生器、逻辑分析仪等） 2。但该虚拟仪器只能用于测量虚拟电子实验中的电路，不能测量虚拟电子实验室以外的电子设备（如电视机、录象机） 。 3.1 虚拟电子实验的优点（1）功能完善，实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以做各种类型实验。（2）可方便地对测试结果进行分析，利用打印机可直接打印输出实验数据、测试曲线和电路原理图。（3）实验不消耗器材，实验所需器材种类和数量不限制，实验成本低。（4）实验速度快，效率高，容易开展各种设计性实
13、验。3.2 Workbench 虚拟实验软件在电子实验中的应用3.2.1 虚拟电子实验利用 Workbench 虚拟实验软件，可以进行各种电子电路的设计与测试实验，例如：做虚拟的负反馈电路实验，实验时在计算机上将所需的“虚拟元器件”和测试用的“虚拟仪器仪表” ， “拖放”至实验平台的工作区域，根据电路原理图，用鼠标操作连接好电路。然后用鼠标开启桌面左上角的电源开关，进行虚拟测试。用鼠标左键双击示波器图标将屏幕放大，通过观察示波器上的波形，就可以看出：在没有负反馈时，输出信号波形会严重失真；而引入负反馈时，输出信号波形明显得到改善。实验中对电路元器件参数的修改很方便，用鼠标左键双击元器件图标，即
14、可弹出元器件参数修改窗口。如电阻的阻值、电容的容量、晶体管及集成电路的型号参数等均可根据需要重新设置，因此，大大提高了电路设计和实验效率。3.2.2 实验演示及考查用虚拟现实技术进行电子设计和测试，不仅可以提高实验的效率，而且在教学中，可以很方便、直观地进行虚拟实验与演示各种电子电路的工作原理。这样，理论课教学中难于讲清的重点和难点问题，可以通过的验证性虚拟实验演示等教学手段进行。另外，利用虚拟实验软件可以对学生实验能力进行检查，如利用虚拟实验软件的电路故障设置功能，可以在电路中设置故障，以考核学生排除故障的能力 3。3.2.3 远程虚拟实验如果将虚拟实验室联网，则可以实现远程虚拟实验，以脉冲
15、产生整形电路为例，教师利用网络对远处的学生进行示范讲解，然后学生通过访问学校的虚拟实验室系统，运行应用程序（例如 Electronics Workbench） ，就可以进行虚拟实验，通过调用器件库画电路图，改变元件，输入信号参数，观察分析模拟仿真的测试结果，将结果存于磁盘上，在计算机上与理论值比较，分析其间的关系，做出实验报告。教师则可以通过网络收集和批改学生的实验报告，向学生发送成绩。这将有助于解决当前远程教学中出现的实验难的问题。3.2.4 进行电路设计，培养学生的创新能力虚拟电子实验室为学生创造良好的实验环境，有利于构建以学生为主体的教学模式，有利于学生知识的建构和创新能力的培养。如果将
16、虚拟电子实验室建成开放实验室，学生则可以随时自由上机做电子电路设计和虚拟实验，学生除了独立完成课程的验证性实验和必做的综合性实验以外，还可以自行设计电路和选做一些趣味性的电路。如在“数字电路”课程中，学生不仅可以完成规定的“译码电路的应用”、 “计数电路的应用”等实验，还可以自行设计电路和选作一些趣味性的电路，如彩灯控制、交通灯控制等控制电路以及各种报警电路等，这样，既增强了学习积极性，又可提高学生的设计能力，有利于教学质量的提高。利用虚拟电子实验室还能进行难度较大的综合性或设计性实验，如，数字钟实验，这是数字电路中计数、分频、译码、显示及时钟脉冲振荡器等组合逻辑电路与时序逻辑电路的综合应用，
17、通过综合性或设计性实验，进一步培养了学生的科研和动手能力。4 结论综上所述，虚拟现实技术在电子教学的应用，使计算机变成实验台,软件变成仪器,网络变成实验室。虚拟仪器、虚拟电子实验具有传统仪器、传统电子实验无法比拟的优势，但是，也存在一些不足，例如：虚拟环境一个理想化的环境，它没有考虑分布参数的影响及抗干扰问题。因此，虚拟实验还必须与实物实验、制作及调试相结合，通过优势互补，才能够达到更好的实验教学效果。参考文献1 林正盛. 虚拟仪器技术及其应用. 电子技术应用. 1997.3.2 方恺晴，石琳，林亚平. 虚拟电子实验台在实验教学中的应用. 实验室研究与探索. 2000. 1.3 唐东炜，傅贵武，王宇华. 开发虚拟仪器系统，改革测试实验教学. 佛山科学技术学院学报（自然科学版）.1999. 6.The appearance of virtual instrument and virtual electronic laboratory will influence on the electronic teaching. This paper will discuss the characteristic and the application of virtual instrument and virtual electronic laboratory.
