數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

孫建國(guó)　武俊鵬　張國(guó)印　馬春光

文章編號(hào)：1672-5913(2009)08-0087-03

摘要：本文闡述了將虛擬現(xiàn)實(shí)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的理論過程。并詳細(xì)介紹了運(yùn)用Flash、插件等多媒體編程技術(shù)建設(shè)數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)室的詳細(xì)過程。同時(shí)，對(duì)未來計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：虛擬；數(shù)字邏輯；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1前言

在我國(guó)，高等學(xué)校的計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)長(zhǎng)期以來停留在以理論課為主，缺乏或不重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的被動(dòng)局面。按照這樣的培養(yǎng)模式造就的畢業(yè)生往往需要在各自的工作崗位上重新進(jìn)行技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)的再培訓(xùn)和二次指導(dǎo)才能符合用人單位的基本要求，這無形中也增加了社會(huì)的人才培養(yǎng)開銷和負(fù)擔(dān)。近年來，隨著社會(huì)層面的反饋以及大學(xué)辦學(xué)模式的逐步開放和交流加大，廣大高校逐漸認(rèn)識(shí)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)過程中的重要性并逐步貫徹以實(shí)踐為主體的計(jì)算機(jī)學(xué)科新的辦學(xué)理念。計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，在于提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，使學(xué)生能夠理解所學(xué)的計(jì)算機(jī)理論知識(shí)，掌握一定的應(yīng)用技能，以適應(yīng)未來實(shí)際工作需要。

與之相對(duì)的是，大量先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和具備優(yōu)良實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的大批現(xiàn)代化教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用，這些都為計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)質(zhì)量提供了保證。但是，在這些積極因素的籠罩下，我們也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到存在潛在威脅和障礙，設(shè)備的更新?lián)Q代和維修保養(yǎng)是一筆龐大的開支，每年均占實(shí)驗(yàn)室日常運(yùn)行經(jīng)費(fèi)的70%以上，伴隨著人才培養(yǎng)目標(biāo)的提高，我們?yōu)閷W(xué)生提供了大量的可操作性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)踐環(huán)節(jié)的加強(qiáng)突出反映在設(shè)備的超負(fù)荷運(yùn)行以及易損器件的高消耗上。特別是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，無論是芯片，導(dǎo)線等常見元器件損壞率直線上升，還是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等高端設(shè)備保修頻率提高，都說明這樣一個(gè)嚴(yán)峻的問題，即有限的經(jīng)費(fèi)和設(shè)備已經(jīng)無法適應(yīng)由于新的人才培養(yǎng)模式以及辦學(xué)理念轉(zhuǎn)變所帶來的設(shè)備更新?lián)Q代，特別是易損器件高消耗帶來的經(jīng)費(fèi)問題。從本質(zhì)上，當(dāng)這種矛盾激化到一定程度，將反作用于實(shí)踐教學(xué)，使我們的辦學(xué)路線和學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)發(fā)生停滯，甚至倒退。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是解決上述一系列問題的根本措施。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用計(jì)算機(jī)仿真，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模擬，從而達(dá)到降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。通過引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效解決設(shè)備的高消耗、易損同學(xué)生人數(shù)日益增加之間的矛盾，使實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間的限制，同時(shí)，允許學(xué)生在虛擬教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行大量的DIY實(shí)踐，在提高教育質(zhì)量方面起著重要作用。

本文結(jié)合作者們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果，利用計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中較為基礎(chǔ)的“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”為突破口，率先利用仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了細(xì)致分析和論證。

2數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)

數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系中的基礎(chǔ)課程，通過數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生從硬件最底層對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有一個(gè)詳細(xì)的認(rèn)識(shí)和了解。同時(shí)，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期以來都是基于不同種類的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行邏輯器件的連接、測(cè)試、驗(yàn)證模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，各種元器件，連接導(dǎo)線都屬于高消耗的實(shí)驗(yàn)器材，每年實(shí)驗(yàn)室都要投入大筆資金來滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需要。

在這樣的情況下，我們將器件虛擬化，將平臺(tái)模擬化，將教學(xué)仿真化，無論是從人力還是物力上都是一種極大的節(jié)約，而從調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)踐能力，發(fā)揮自主創(chuàng)新精神的方面來看，則是更加積極的。虛擬仿真技術(shù)正是創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)改革的產(chǎn)物。在仿真環(huán)境下，學(xué)生既可以避免實(shí)驗(yàn)器件本身損壞造成的實(shí)驗(yàn)阻礙，同時(shí)可以更主動(dòng)地、重復(fù)性地進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)，極大地拓展了學(xué)生的創(chuàng)新空間和創(chuàng)新領(lǐng)域。

虛擬實(shí)驗(yàn)的原理正式借助動(dòng)態(tài)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用多媒體，聲音，視頻等方式將實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的基本環(huán)境通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上予以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，將物理設(shè)備、器件在映射的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，以方便學(xué)生進(jìn)行更加全面的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。其原理圖如圖1所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)實(shí)映射關(guān)系

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的搭建、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)及評(píng)定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、虛擬專家成績(jī)?cè)u(píng)判系統(tǒng)是虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的三個(gè)主體部分。通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境與實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的無縫連接，我們定義了如下模式的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型(如圖2所示)。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)體系圖

數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從邏輯角度主要包括以下幾個(gè)部分：

(1) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)效果發(fā)生器：貫穿于學(xué)生操作始終，為實(shí)驗(yàn)搭建支撐平臺(tái)，為演示提供動(dòng)態(tài)效果，為測(cè)試提供虛擬測(cè)試環(huán)境。

(2) 環(huán)境建模及實(shí)景仿真器：定義了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行過程及容錯(cuò)，報(bào)警機(jī)制；其次，屬于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制終端，時(shí)刻紀(jì)錄用戶的操作行為；為用戶訪問實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及各個(gè)模塊之間的切換提供了接口。

(3) 管理系統(tǒng)：包括用戶的訪問管理，教師的系統(tǒng)管理，以及成績(jī)管理，虛擬電路圖的保存及分析等。

(4) 組件構(gòu)造系統(tǒng)：虛擬元器件的原理定義及生成；可自由定義虛擬器件的表達(dá)式并由于生成器件實(shí)體。

3數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要包括3個(gè)主要結(jié)構(gòu)體：即虛擬環(huán)境，故障檢測(cè)以及成績(jī)?cè)u(píng)定。其中虛擬環(huán)境包括應(yīng)用平臺(tái)和信息存儲(chǔ)兩部分。這樣的設(shè)計(jì)符合現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)模式，即為其提供實(shí)踐場(chǎng)所(虛擬環(huán)境)，為實(shí)踐活動(dòng)提供保障(故障檢測(cè))，并進(jìn)行一定的激勵(lì)措施(成績(jī)?cè)u(píng)定)(如圖3所示)。

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

基于上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，我們定義了數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要以VC為編程軟件，以CS Flash 9為演示平臺(tái)，結(jié)合了OCR插件技術(shù)，可以通過校園網(wǎng)方式，訪問該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前主要包括6個(gè)主體模塊：

(1) 實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介：采用多媒體音、視頻手段，使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)室的基本情況，包括具備的實(shí)驗(yàn)條件，先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備以及可進(jìn)行的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及支撐條件。

(2) 教師簡(jiǎn)介：采用圖片、鏈接等手段，使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的指導(dǎo)教師及所指導(dǎo)的具體領(lǐng)域，以便出現(xiàn)問題及困難時(shí)，及時(shí)找到負(fù)責(zé)教師進(jìn)行解決。

(3) 實(shí)驗(yàn)器材：介紹了數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)所需要的全部元器件，包括其原理，表達(dá)式以及重點(diǎn)介紹了如何進(jìn)行自定義的元器件的制作。特別地，這種虛擬器件，現(xiàn)實(shí)中可以允許不存在。

(4) 開始實(shí)驗(yàn)：進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖4所示)，進(jìn)行器件插拔，布線，測(cè)試，并提交最終的可信任結(jié)果到成績(jī)?cè)u(píng)判系統(tǒng)。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)截圖

(5) 其他功能：主要包括了自定義元器件及成績(jī)查詢、預(yù)約等功能。

(6) 其他：系統(tǒng)預(yù)留模塊。

4虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)特色及分析

數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)不但具備現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，同時(shí)，還起到了節(jié)約開始，拓展創(chuàng)新等積極作用，它主要具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 拓展性，該虛擬系統(tǒng)在安全繼承數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)所需基本設(shè)備、芯片的基礎(chǔ)上，還拓展了許多實(shí)驗(yàn)規(guī)定以外的虛擬器件，利用這些器件，學(xué)生可以進(jìn)行更深入的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。

(2) 靈活性：在保障學(xué)生進(jìn)行規(guī)定實(shí)驗(yàn)及常規(guī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的同時(shí)，還為學(xué)生提供了在合理的情況，自定義集成元器件的功能，允許出現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中并未生產(chǎn)的表達(dá)復(fù)雜的器件。

(3) 智能性：在虛擬環(huán)境中，特別是學(xué)生實(shí)踐過程中，系統(tǒng)能夠及時(shí)提醒學(xué)生的操作錯(cuò)誤和缺陷，如芯片插拔位置不適宜，布線錯(cuò)誤等。

(4) 綜合性：虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除了提供實(shí)驗(yàn)條件外，還提供了專家系統(tǒng)來進(jìn)行學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)判，為盡可能多的指出錯(cuò)誤，并協(xié)助學(xué)生進(jìn)行糾錯(cuò)。

(5) 其它：此外，系統(tǒng)為設(shè)計(jì)方案提供了自動(dòng)保存，可重復(fù)演示的功能。

5未來的發(fā)展方向及結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)及計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是一種必然。特別是伴隨著高校人才培養(yǎng)目標(biāo)同社會(huì)需求的不斷融合、交互，在這種情勢(shì)下利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)將形成越來越成熟的實(shí)踐教學(xué)手段和理念，也滿足了廣大學(xué)生的創(chuàng)新需求和教師的教學(xué)需要。相信隨著需求的不斷擴(kuò)大，將會(huì)涌入越來越多的新技術(shù)、新理念，使計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展變得越來越迅速，教學(xué)理念也越來越進(jìn)步。

哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心經(jīng)過多年的硬件實(shí)驗(yàn)探索，積累豐厚的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，明確了“強(qiáng)基礎(chǔ)、重能力、抓創(chuàng)新”的教學(xué)理念，伴隨著數(shù)字邏輯虛擬教學(xué)的逐步改革合推進(jìn)，相信人才培養(yǎng)的質(zhì)量也將更上一個(gè)臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)：

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Research of Digital Logic Virtual Experiments Education

SUN Jian-guo, WU Jun-peng, ZHANG Guo-yin, MA Chun-guang

(College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract: In this paper, it is introduced that virtual reality and network technology are applied to digital logic experiment in process of teaching. And details on the use of Flash, multimedia programming, such as plug-in technology are also discussed, which is appied to digital logic virtual laboratory building. At the same time, the future development direction of computer experimental teaching is discussed.

Key words: virtual; digital; logic; experiment