李 兵

（湖南第一師范學院，湖南長沙410205）

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)越來越普遍應用于軍事、教育、電子商務等各個方面。其中，將虛擬現(xiàn)實技術運用于創(chuàng)建交互性虛擬實驗室是教育領域應用最新信息技術的典型。通過網(wǎng)絡虛擬實驗，可以更加合理地配置教學資源，實驗過程沒有儀器設備的損耗，提高教學效益，節(jié)約教學成本；打破實驗教學的時空限制，實驗環(huán)境“真實”，激發(fā)學生的學習興趣，提高了教學效果；實驗過程可以反復探索，允許失敗，允許儀器設備“損壞”，通過正反兩方面的實驗經(jīng)驗提高了學生的動手能力和創(chuàng)新能力?；诖?，本文擬構建基于X3D的數(shù)字電路虛擬實驗并探討網(wǎng)絡虛擬實驗的教學模式。

一、數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)的目標是利用計算機技術、X3D虛擬現(xiàn)實技術和網(wǎng)絡通信技術，以數(shù)字電路實驗為模擬仿真對象，開發(fā)出計算機專業(yè)本科生數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但要具備虛擬現(xiàn)實的沉浸性、交互性和多感知性的特征，而且要能實現(xiàn)數(shù)字電路實驗的功能效果和特點。另外，作為網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)，為了用戶與系統(tǒng)之間有及時的交互響應，應嚴格控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流大小，無較大延遲。

圖1 基于X3D數(shù)字電路虛擬實驗過程模型

基于X3D的數(shù)字電路虛擬實驗過程模型如圖1所示。實驗者通過瀏覽器的虛擬實驗場景進行虛擬實驗交互性操作，在虛擬實驗環(huán)境中，實驗內(nèi)容和過程由程序按照數(shù)字電路的原理，以符合客觀規(guī)律的形式進行模擬仿真，其輸出結果則通過瀏覽器中虛擬儀表和設備顯示給實驗者。實驗者對數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)的交互操作過程主要通過鼠標完成，其交互方式、過程以及結果也應與真實實驗為依據(jù)。最后實驗報告可上傳至服務器供教師評閱[1]。

二、基于X3D數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)的構建

基于X3D的數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)的構建主要包括實驗場景、動態(tài)模型、實驗仿真單元和用戶交互單元等方面的構建。

(一)三維實驗場景的構建

逼真自然的虛擬實驗環(huán)境能提供給實驗者與真實實驗環(huán)境相似的刺激，使實驗者能產(chǎn)生真正沉浸感。因此，虛擬實驗的場景效果是影響虛擬實驗的重要因素。場景中對象模型的合理組織是虛擬實驗系統(tǒng)良好運行的關鍵。我們可以采用如圖2所示的樹形結構將其劃分為雙親、孩子和兄弟節(jié)點，其結構不但簡潔明了，而且易于修改和維護。

圖2場景模型結構圖

圖2 中如門、墻等規(guī)則的幾何模型可以直接通過X3D語句直接或間接復合生成模型節(jié)點，而一些不規(guī)則的三維模型可采用三維建模生成后導入或從商業(yè)數(shù)據(jù)庫中購買的方法。完成各分模型節(jié)點后，可用Lab節(jié)點整合所有分節(jié)點生成虛擬實驗的三維場景[1][2]。

（二）集成芯片動態(tài)模型構建

數(shù)字集成芯片是數(shù)字電路實驗中最主要的實驗設備，并且在實驗過程中都需要用到多塊芯片級聯(lián)。集成芯片動態(tài)模型構建方法是，首先通過X3D構建構建形體模型，其次將該模型實例化并按照對象的方式進行封裝，然后在其父對象中將與該對象交互控制中所有相關行為模型構成樹形層次結構。例如，芯片74LS00的封裝結構如圖3所示。其中Chip為芯片的形體模型，TS1為接觸傳感器原型以控制其交互功能，AM1為芯片的動畫控制原型，當達到觸發(fā)條件，可控制實體對象的動畫執(zhí)行[1][3]。

圖374 LS00的封裝結構

（三）用戶交互單元的構建

人機交互是進行虛擬實驗，達到教學目的的唯一途徑，因此交互性的好壞直接決定虛擬實驗系統(tǒng)優(yōu)劣，其交互控制方式主要有兩種方式：

1.通過X3D建立節(jié)點的方式實現(xiàn)交互功能。所建立的節(jié)點都包含可接收事件的接收事件邏輯器和可發(fā)送事件的事件輸出邏輯器，虛擬實驗系統(tǒng)通過腳本節(jié)點，將實驗者的鼠標或鍵盤的輸入操作通過接收事件邏輯器輸入到節(jié)點，通過該節(jié)點的程序運行，導致節(jié)點狀態(tài)發(fā)生改變，然后通過事件輸出邏輯器輸出到其受控對象上，最后利用ROUTE語句根據(jù)輸出狀態(tài)進行邏輯判斷，控制受控對象虛擬視角和外觀。

2.通過建立接觸傳感器節(jié)點（TouchSensor）的方式實現(xiàn)交互功能。首先，我們建立定義公用的接觸傳感器（TouchSensor），然后針對不同的人機交互接口和事件，將公用的接觸傳感器（TouchSensor）原型分別重新定義為TouchSensorX（X的不同取值分別對應于不同的交互接口），虛擬實驗系統(tǒng)根據(jù)實驗者的輸入而改變TouchSensorX的狀態(tài)，系統(tǒng)則根據(jù)TouchSensorX的狀態(tài)控制其虛擬實驗過程，從而實現(xiàn)人機交互功能。

（四）虛擬仿真單元的構建

虛擬實驗仿真單元其主要功能是根據(jù)實驗內(nèi)容模型的描述，模擬仿真實驗的結果以及完成實驗的過程，并通過與實驗者的交互在屏幕中展現(xiàn)出來。由于數(shù)字芯片的邏輯功能大多可用邏輯函數(shù)表達式描述，其輸出結果為邏輯0或邏輯1，因此可方便地用計算機表達式進行轉換。例如芯片74LS00為2輸入端四與非門，則令芯片1、2、3號引腳變量分別為A、B、F，則仿真代碼為F=！(A&B)，F(xiàn)的狀態(tài)輸出可控制LED燈的動畫播放，實現(xiàn)仿真效果。其代碼為：

If(!(A&B))//管腳1,2間的與非運算

{LED_Colour=Colour(1,0,0/*R,G,B*/)//通過Colour產(chǎn)生燈顏色賦給LED燈

Output_F3=true//將管腳3輸出的邏輯運算值賦給Output_F3}

else

{LED_Colour=Colour(0,0,0/*R,G,B*/)

Output_F3=false}

三、利用虛擬實驗的虛實結合實驗教學模式

研究表明，虛擬實驗中的訓練能較好地遷移到真實的情景中，形成有效的經(jīng)驗，能向實際操作產(chǎn)生有效遷移，有利于實驗者在真實環(huán)境中能較好地完成實驗，但是，虛擬仿真實驗并不能完全替代真實實驗。我們應該充分利用虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗各自的優(yōu)點，采用虛實結合的實驗教學模式，如圖4所示[4]。

圖4 虛實結合的實驗教學模式

（一）預習實驗內(nèi)容

實驗前的預習工作在很大程度上決定了實驗能否達到預期的實驗目的和效果。在進行數(shù)字電路實驗前，教師要求學生登陸虛擬實驗系統(tǒng)了解實驗的實驗目的、實驗環(huán)境、實驗原理、實驗步驟、預計理論實驗結果以及實驗的注意事項等。有著充分的準備進入實驗，可減少實驗的盲目性和實驗設備損壞的可能性。

（二）虛擬實驗預習操作

通過充分的實驗內(nèi)容的預習后，學生進入虛擬實驗系統(tǒng)的虛擬實驗模塊，按照實驗內(nèi)容和步驟進行預習性的虛擬實驗，熟悉實驗過程，觀察虛擬實驗結果，為真實實驗做好準備。甚至可以故意違反一些實驗注意事項，觀察錯誤操作帶來的后果，提醒自己在真實實驗中要杜絕這些錯誤操作。

（三）探究思考題

為了檢驗實驗內(nèi)容預習和虛擬實驗預操作過程中的預習效果，教師可設置一些思考題，讓學生進行仔細思考。如“與門、與非門、或門和或非門多余的引腳應該如何處理?”、“一塊芯片74LS00可以最多級聯(lián)幾片芯片，為什么?”學生可通過虛擬實驗探究答案并己的答案進行驗證。

（四）真實實驗

在一般情況下的真實實驗中，學生基本上只能勉強倉促地完成規(guī)定的實驗步驟，而對思考題根本無暇顧及，使得思考題都形同虛設。而通過虛擬實驗平臺，在虛擬實驗預操作的基礎上，學生對數(shù)字電路的實驗環(huán)境、實驗設備、實驗過程等都比較熟悉了，在真實實驗過程中，可以較為熟練地完成規(guī)定的實驗步驟，并有充足的時間在真實的實驗環(huán)境中對預習思考題進行探究驗證。

（五）虛擬實驗復習操作

在對真實實驗環(huán)境和實驗設備進行實際操作后，學生可再次進入虛擬實驗系統(tǒng)進行虛擬實驗，可進一步理解實驗原理，加深印象，鞏固知識。教師根據(jù)真實實驗情況，針對不同的學生提出更進一步的思考練習，學生可再次通過虛擬實驗進行探究驗證。

（六）撰寫實驗報告

在撰寫實驗報告過程中，要求學生分別對虛擬實驗和真實實驗步驟分別進行闡述和對比分析，闡述兩種實驗方式在整個實驗過程中的作用和不同之處。實驗報告通過系統(tǒng)提交到服務器中，教師可通過網(wǎng)絡進行評閱并與學生進行互動交流。

通過虛實結合的實驗教學模式，學生可以不受時空限制方便進行地進行實驗，提高了學生的學習興趣和真實實驗教學中的教學效果，使得學生對知識點的掌握程度能螺旋式的上升，增強了學生的動手能力和創(chuàng)新能力。

[1]衣李娜.基于VRML的數(shù)字邏輯電路虛擬實驗室的設計方法研究[D].天津:天津大學,2005.

[2]陳丹,李學鋒.Web3D技術在網(wǎng)絡教學中的應用研究[J].教育信息化,2006,(3):72-73.

[3]李妮,彭曉源,龔光紅.基于X3D的仿真可視化支撐服務研究與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報,2009,(22):7195-7198.

[4]成軍.基于WEB3D的虛擬實驗及其教學應用研究[D].杭州:浙江師范大學,2007.

[5]肖杰,曾玢石,趙晉琴.電子設計競賽促進電子信息類專業(yè)教學改革的研究———以湖南第一師范學院電子信息類專業(yè)為例[J].湖南第一師范學院學報,2011,(3):82-85.