虛擬實驗的設計與實現

【摘要】虛擬實驗是網絡課程的重要組成部分，也是開發與設計的難點。本文在分析虛擬實驗的特點、使用現狀及虛擬實驗系統構成的基礎上，提出了利用仿真軟件設計開發綜合性、設計性虛擬實驗的方案。采用該方案，具有靈活性、魯棒性、動態匹配性好、共享方便等特點，便于實驗的靈活變更與快速實施。以數字電路課程為例，給出了設計中的關鍵技術和相關實現結果。

【關鍵詞】虛擬實驗；網絡課程；數字電路；遠程教學

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2007) 12—0100—04

實驗教學作為高等學校教學體系的重要組成部分，對培養學生的創新意識、動手能力、分析問題和解決問題能力有著不可替代的作用。為滿足培養具有高素質、創新能力的人才要求，實驗教學在不斷地進行著改革，實驗教學內容向綜合型、設計型轉變，由此各種教學媒體被引進到實驗教學中來，特別是虛擬實驗，對傳統實驗教學產生了越來越大的影響。在網絡課程的實驗中，學生可根據自己的實際情況確定實驗內容、安排實驗進度，學生自主學習的空間不斷擴大，主體地位明顯提高，從而滿足了社會群體協同學習和個體獨立性學習的需要。但這種新型的實驗教學模式的充分實現，必須依托質優量足的虛擬實驗作為條件支撐，而目前虛擬實驗的開發設計還存在著一些問題。如何才能設計開發出內容科學、實時和交互功能強、參數變更靈活的虛擬實驗，是當前虛擬實驗教學中亟待解決的一個問題。

一 虛擬實驗的特點及設計現狀

虛擬實驗的教學，既有與網絡課程的教學特點共通之處，如時空的疏離性、資源的共享性、活動實施的機動性、學習行為的自主性等，又有其自身的特點。虛擬實驗過去一直被稱作思想實驗(thought experiment)，那是因為過去受客觀條件所限，這樣的實驗只能在人的頭腦中進行?，F在一般認為，虛擬實驗是以科學實驗為基礎，以邏輯推理為根據，以計算機及網絡技術為支撐，所實現的揭示客觀過程或現象的本質聯系和規律的一種科學認識方法[6]。

以數字電路實驗為例，說明虛擬實驗與傳統實驗的區別。傳統的數字電路實驗室使用的實體實驗儀器一般由3個功能模塊組成:信號的采集與控制模塊、信號的分析與處理模塊、結果的表達與輸出模塊。由于這些功能模塊基本上是以硬件或固化的軟件形式存在，儀器只能由生產廠家來定義、制造，儀器的使用數量和次數只能由學校的條件來定，因此存在投資費用高、運行成本高、儀器設備利用率低、實驗次數少等缺點，加之這些傳統的儀器大多缺乏相應的計算機接口，因而在配合數據采集和處理方面顯得比較困難。科學的進步和計算機技術的飛速發展，有力地促進了虛擬儀器的誕生和發展，它是以通用計算機為平臺，利用計算機的資源，與具有標準接口( GPIB ，RS 232 ，VXI ，PXI 等)的硬件儀器設備有機結合構成的，但還沒有完全獨立于硬件設備。虛擬實驗，是指完全獨立于除計算機以外的硬件設備，通過操作由仿真軟件生成的，如同傳統儀器操作面板一樣的用戶界面，實現對被測對象的信息采集、數據分析處理、過程通信、顯示、存儲及數據生成。

虛擬實驗的特點可以歸為幾點：：

l、計算機技術化：從實驗的設計開發、實驗的更新維護和實驗的使用推廣都離不開計算機；

2、實驗環境仿真化：虛擬實驗環境是利用計算機建立的模擬真實的實驗場景；

3、實驗對象可視化：虛擬實驗中的每一個實驗對象都是實際物體的仿真。用戶與虛擬實驗環境之間的交互通過這些可視化的實驗對象來完成；

4、實驗數據實時化：實驗對象和用戶之間可以通過鼠標的點擊或者拖曳操作直接進行交互，實驗結果及時反饋。

目前國內網絡課程及遠程教學中涉及有實驗的課程不多，即使有實驗內容的課程，數目也較少。虛擬實驗的開發設計中普遍存在以下問題:（1）總體數量偏少，綜合性、設計性的虛擬實驗更為鮮見；（2）大多數的虛擬實驗為驗證性實驗，功能簡單，學生缺乏綜合鍛煉的機會；（3）虛擬實驗的靈活性差，不能滿足綜合性、設計性的實驗教學要求。（4）設計工具一般采用Flash、Authorware、PowerPoint、3DMAX等軟件制作，用戶界面很美觀，但實驗教學效果欠佳。[1][5]

二、虛擬實驗系統的構成

虛擬仿真實驗作為開放實驗教學的重要輔助手段，一方面，可以大大提高實驗效率和效果，拓寬學生由感性認識上升到理性認識的途徑，使學生在愉悅和主動的思維中牢固地掌握知識；另一方面，虛擬實驗不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，激發學生的創造性思維。

從實驗的組織結構看，虛擬實驗系統除了與實際實驗相同，如實驗目錄、實驗目的、實驗內容、實驗原理、實驗電路、實驗要求、實驗步驟等以外，還具有良好的可操作性和交互性。從實驗體系上分，可分為基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗。從構件上分，虛擬實驗系統由計算機、網絡課程平臺、實驗平臺和后臺支撐軟件。從人員上分，系統可由管理員、教師、實驗人員和開發人員組成。

虛擬實驗系統不同于一般講的虛擬實驗室，它是網絡課程中的一個部分，可以直接鏈接在網絡課程的主頁面上，通過界面操作進入仿真實驗平臺，所以它省去了虛擬實驗室中的“室”的概念，也就省去了諸如構建虛擬實驗室所必備的實驗室、硬件設備的三維建模、渲染等設計環節[2][4]。

三、實現案例

1設計工具的選擇

在進行虛擬實驗設計時，必須考慮設計開發的工具。使用多媒體課件開發工具進行教學課件的制作是當前的主流，也可用于虛擬實驗的設計，如用PowerPoint制作幻燈片式的課件，較合適對于以文本為主的教學內容，用Authorware制作的課件，可以實現圖文并茂，用Flash制作課件，可實現較好的動態效果，但對于以上這些工具，很難或無法實現設計性或綜合性的實驗仿真。對于一些特殊課程，如數字電路、模擬電路、通信等硬件課程，以及涉及到電路信號或實驗數據圖形的演示，則選擇仿真軟件如MATLAB ，LabView，SystemView等更合適，它們都集有各種應用工具箱，功能強大，具有靈活性、魯棒性、動態匹配性、文件量小、共享方便等特點，便于實驗方案的靈活變更與快速實施。

2 設計的主要技術

在案例設計過程中，主要利用MATLAB仿真軟件的Simulink和GUI來實現。[3]

（1）實驗圖形的顯示

類似數字電路、模擬電路、濾波器、通信等實驗，涉及到電路模塊的設計和圖形輸出的顯示。MATLAB的Simulink提供了非常豐富的模塊庫，如輸入源、輸出方式、離散時間模型、線性環節、非線性環節、連接及接口、其它環節等。若想建立如圖4所示的電路圖設計，只要將相應模塊拖入編輯窗，然后雙擊模塊圖標設置參數即可，如圖4中的示波器，只要選擇“輸出方式”模塊庫中的“scope”，示波器就建成了。若想建立類似如圖5的波形圖，只要使用MATLAB提供的plot()(二維圖形繪制)和plot3()(三維圖形繪制)兩個函數就可完成圖形的輸出顯示。

（2）操作界面的設計

界面主要用于輸入信號的參數設置，并根據新設置的參數來運行和顯示結果。操作界面的設計使用MATLAB中的GUI來實現。它可提供靜態文本框、可編輯文本框、單選按鈕、命令按鈕、彈出式菜單、組框等控件。如圖1、圖2和圖3，設計時，打開GUI，將所需控件模塊拖動到編輯區，定義名稱、調整位置形成主界面，此時就形成了界面所對應的編程文件（.m文件），然后在m文件中，給控件的回調函數添加代碼，定義控件的功能。以圖1的“軟件說明”按鈕為例，定義它的功能，則在它的回調函數（M文件）中進行如下設置：

function varargout = instruction(varargin)

% 創建一個圖形窗口

FigureHandle=figure('position'，[380，300，250，150]);％ 設定圖形窗口的屬性

set(FigureHandle，'menubar'，'none'，'numbertitle'，'off'，'name'，'軟件說明')

FigureColor = get( FigureHandle， 'Color' ) ;

set(FigureHandle，'defaultuicontrolBackgroundColor'，FigureColor );

% 創建一個框架

TitleHandle= uicontrol(FigureHandle，'style'，'frame'， 'Units'，'pixels'，.'position'，[10，10，230，130] );

% 創建文本框，添加說明文字

TextHandle = uicontrol(FigureHandle， 'Style'，'text'， 'Units'，'pixels'，'position'，[20，20，210，110]， 'Horizontal'，'left'，'string'，{['《數字電路仿真平臺》是一個完全由matlab實現的軟件。']}，'fontname'，'宋體'，'fontweight'，'demi'，'fontsize'，13);

set(TextHandle，'BackgroundColor'，[0.7，0.8，0.9]);% text底色設置為淺藍色

待整個實驗系統全部設置完成后，進行打包調用。使用命令Mcc –W lib:TestDll-L c-t-T link:libtargetfile.m對m程序文件進行編譯，生成.dll.h 和 .lib 動態鏈接庫，就可以在網絡課程或網頁中直接調用了。

3 具體實現

數字電路課程是計算機、電信、通信、電子、物理等專業的基礎課，涉及的學習面較廣，建立網絡課程及網上實驗，有利于資源共享，也是對課堂教學和實驗室實踐的延伸。如圖1所示為數字電路實驗的主界面，可以進行全加器、編碼器等七類實驗內容，通過操作按鈕選擇相應的操作。

如圖2所示為移位寄存器實驗的一個界面，顯示實驗目的及移位寄存器的工作原理，點擊進入按鈕，顯示如圖3所示的實驗參數設置界面，在界面中選擇“顯示電路圖”，可以看到圖4所示的電路原理圖，在圖4中雙擊任一模塊，或者利用工具欄和菜單欄更改模塊參數，也可以更改電路，退出電路后顯示電路的輸出波形，如圖5所示。

實驗結果表明，采用MATLAB設計的數字電路虛擬實驗，在精確性、可測范圍、靈敏度、靈活性等方面都有了一個大的改善，實驗效果良好。對設計者來說，無需懂得很多的編程技術，就能勝任類似數字電路課程的虛擬實驗的設計工作。

四、結束語

我國高等教育承擔著培養數以千萬計的創新人才的重任，這對我國高校的實驗教學提出了很高的要求。實驗教學應該面對時代的發展，科技進步的新趨勢和新挑戰，不斷有所創新。隨著網絡技術、多媒體技術、仿真技術及虛擬現實等新技術的發展，將會設計出更多、更好的綜合性和設計性虛擬實驗，促進網絡課程中的實驗教學，使實驗教學活動變得更加科學合理、便捷靈活、實時有效。只有這樣，才能適應社會對人才素質越來越高的要求。

——————————

參考文獻

[1]張建，楊雪，馬捷.電磁感應物理仿真實驗的制作與實現[J].現代教育技術，2006，(6):69-72.

[2]杜高鵬，翟正軍.虛擬教學實驗室的設計與開發[J].科學技術與工程. 2006， (7): 1967-1969.

[3]樓順天等.MATLAB程序設計語言[M].西安:西安電子科技大學出版社，1998.

[4]朱敏，張際平.虛擬實驗室及其教學應用[J]. 實驗室研究與探索，2006，(5):626-629.

[5]王洪英.運用多媒體技術與網絡資源指導學生學好機械制圖[J].中國電化教育，2006，(12):62-64.

[6]施東慶.基于VRML技術的虛擬實驗研究及實現[D].杭州:浙江大學碩士論文，2002.

Design and Fulfillment of Virtual Experiments

LI Ming-hua

( Education College of Zhejiang Normal University， Jinhua，Zhejiang， 321004 )

Abstract: Virtual experiments is an important component of network curriculum.It is also the nodus in designing and developing. After analyzing the features， the using actuality of virtual experiments， and the forming elements of virtual experimental systems， this article puts forward a plan for comprehensive， designal virtual experiments by using emulational software project. The suggested plan has the following merits: flexibility，robust，dynamic matching， convenient share， flexible alteration and fast fulfillment. It also brings forward the key techniques in designing and correlatively experimental outcome.

Keyword: Virtual Experiments; Web-based Course; Digital Circuit ; Dstance Education