基于3D的虛擬實驗教學平臺研究

鄧文婷，胡 維

（廣州大學 實驗中心，廣東 廣州 510006）

實驗教學是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，對提高學生的實操技能和創(chuàng)新能力有重要意義，也是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保證。在傳統(tǒng)的實驗教學中，主要采用現(xiàn)場模擬的方式，這種方式主要依靠教師進行真實場景模擬來進行現(xiàn)場講解和操作。隨著高校教學方式的不斷改革，虛擬實驗也逐漸走進了大學課堂。

美國是最先提出虛擬實驗概念的國家，在大學的普及程度也相當廣泛，其中麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室于1998年開發(fā)并投入使用。它提供了用于進行微電子學和電路設計課程的實驗教學，它允許學生在自己的電腦上設計并修改電路模型，然后通過一個用Java激活的Web瀏覽器使用在遠程實驗室里的昂貴的測試設備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗證自己的設計[1]。

在國內(nèi)，虛擬實驗室的建設也得到了應有的重視。由于虛擬實驗技術的特點，它的實際應用在理工教學中大有作為，尤其在電工電子、醫(yī)學、建筑、生化等學科有重要作用。目前國內(nèi)的多數(shù)高校都根據(jù)自身教學需求建立了虛擬實驗室。但目前，虛擬實驗還沒有廣泛用到我國教學中，對利用虛擬實驗進行教學的教學模式和教學設計的研究還不重視。

電路實驗作為工科電子類一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，起著培養(yǎng)學生對電路的測試、分析、設計及應用開發(fā)能力的作用，傳統(tǒng)的驗證性實驗只要求驗證學過的理論，而且實驗器材有限，對學生做實驗束縛比較大。為了讓學生能自主地進行實驗的操作，并能使學生積極思考，學會設計與調(diào)試，因此把電路實驗與計算機模擬結合起來，設計了電路虛擬實驗平臺，為學生提供了一個自由開放的設計空間。

為了便于直觀和清晰地了解電路虛擬系統(tǒng)的搭建，我們以電子鎮(zhèn)流器型日光燈照明電路實驗作為范例分析虛擬實驗平臺的搭建。

1 虛擬元件模型的制作

電子鎮(zhèn)流器型日關燈照明電路圖如圖1所示，其中包含的元器件包括了空氣開關、雙控開關、電子整流器等，具體清單見表1。

日光燈照明電路實驗原理：使用雙控開關控制日光燈的開啟與關閉。

日光燈也叫熒光燈，燈管的兩端各有一根燈絲，管中充有稀薄的氬和微量水銀蒸氣，管壁上涂著熒光粉，與普通白熾燈相比，日光燈的光線柔和，發(fā)光效率是普通白熾燈的3倍以上，使用壽命差不多是普通白熾燈的4倍，但附件多，造價比普通白熾燈高。

圖1 電子鎮(zhèn)流器型日光燈照明電路Fig.1 Fluorescent lamp lighting circuitbased on Electronic ballast

表1 日關燈照明電路元器件及工具儀器清單Tab.1 Com ponents and tool instrument list of Fluorescent lam p lighting circuit

常用的鎮(zhèn)流器有電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器兩種。電子鎮(zhèn)流器實質(zhì)上是一個將低頻交流電壓轉換為高頻交流電壓的電源變換器。使用電子鎮(zhèn)流器的日光燈照明電路不僅省掉了啟輝器，而且使用電子鎮(zhèn)流器還具備節(jié)能、無頻閃、無噪聲、燈管壽命延長等優(yōu)點[2]。

雙控開關內(nèi)含有一個常閉觸點和一個常開觸點。家居的雙控照明電路一般使用單聯(lián)雙控開關面板。兩個開關中的任何一個無論處于什么狀態(tài)，另一個開關都能獨立地控制電燈的開、關。

空氣開關又稱為小型斷路器，小型斷路器集閘刀開關、熔斷器、熱繼電器和欠壓繼電器的功能于一體，是一種可手動合閘和分閘，又能在欠壓、失壓、過載或短路故障發(fā)生時自動分閘的電氣器件。

3D虛擬實驗教學資源的制作一般使用3D Max、Maya等三維建模工具，形狀比較規(guī)則的儀器設備也可以使用CAD工具進行建模。本平臺通過3D Max軟件制作出日光燈照明電路中所用到的各元器件及工具的3D模型，在虛擬系統(tǒng)中以自動旋轉的方式呈現(xiàn)其真實的三維外觀（見圖2），單擊元器件可進入當前器件的介紹頁面（見圖3）。

圖2 照明電路元件3D模型及功能介紹Fig.2 3Dmodel and function of the lighting circuit

儀器設備真實尺寸差異很大，3D建模時考慮了儀器各部件之間的比例關系，也考慮了儀器實際尺寸與計算機屏幕之間的比例關系，否則就會影響真實感，也影響虛擬實驗過程的科學性[3]。

2 實驗操作設計與實現(xiàn)

實驗步驟設計：

1)元件檢查

①用萬用表的電阻檔測量日光燈的兩端，看其是否連通，若其電阻∞，則說明日光燈的燈絲已經(jīng)斷開。

②用萬用表的電阻檔測量電感鎮(zhèn)流器的兩端，若其電阻為 0，或∞，則說明電感鎮(zhèn)流器的線圈短路或開路。

2)電子鎮(zhèn)流器型日光燈電路組裝

照明電路虛擬仿真平臺見圖3，虛擬演示平臺見圖4。

圖3 照明電路虛擬仿真平臺Fig.3 Virtual simulation platform of the lighting circuit

圖4 照明電路虛擬演示平臺Fig.4 Virtual demonstration platform of the lighting circuit

實驗步驟：連接插座——連接空氣開關——連接雙控開關———連接電子整流器——連接燈管——測試。

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于實驗操作本身的強參與性和可操作性要求其具備極強的交互性能，而在所有影響教學系統(tǒng)交互性能的因素中，界面交互性是基礎和保障，學習者只有通過與實驗系統(tǒng)界面間良好的交互操作才能進一步完成與實驗內(nèi)容間的有效信息交互[4]。

學生按照流程連接完實驗電路后，如果連接完全正確，可以實現(xiàn)雙控開關控制熒光燈管的亮滅，但是如果出現(xiàn)錯誤怎么來檢查故障呢？平臺設計了電路故障分析功能，對此，我們對可能出現(xiàn)的錯誤進行了解析。下面就是其中的一個分析實例：雙控開關連接錯誤或出現(xiàn)故障。

1)連線錯誤（見圖 5）：

圖5 可能出現(xiàn)的錯誤連接Fig.5 Possible error connection of the lighting circuit

①合上空氣開關，電路不通，撥下開關1，電路不通，再撥下開關2，電路通，撥開關1，電路不通，任意撥打開關2，電路不通，。

②合上空氣開關，電路通，撥下開關2，電路不通，再撥開關1，反復撥動開關1，電路均不通，。

分析：此種現(xiàn)象表明兩個雙控開關的COM端與1口或2口混淆，連線錯誤。

2)出現(xiàn)故障：不管怎么撥弄雙控開關1、2，電路一直不通。在空氣開關閉合的情況下，用電筆測量雙控開關1的COM端，電筆亮，此時，測量雙控開關2的COM端，上下?lián)軇与p控開關1，電筆均不亮。

分析：先檢查線路是否連接正確，如果連接無誤，則檢查連線的接口及開關本身的故障問題。檢查過程如圖6所示。

圖6 雙控開關故障分析圖Fig.6 Failure analysis diagram of the double switch

3 結論

傳統(tǒng)教學中的教學媒體是教師完成教學任務、傳授知識的工具，當多媒體課件、電子作業(yè)系統(tǒng)、虛擬實驗系統(tǒng)、電子出版物等現(xiàn)代教學媒體進入課堂教學后，以計算機為核心的信息技術、通信技術、網(wǎng)絡技術則改變了傳統(tǒng)的教學方法和教學模式。雖然虛擬實驗中的設備是虛擬的，但它是真實實物的映射，因此在虛擬環(huán)境中操作而產(chǎn)生的真實感很接近人的經(jīng)驗[5]。

虛擬實驗是對真實實驗的模擬，真實實驗是虛擬實驗的基礎，虛擬實驗的局限性恰恰又是真實實驗的優(yōu)點，二者是相輔相成的[6]。發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢，精心組織實驗教學，會受到更好的效果?；?D的虛擬實驗教學平臺與普通仿真軟件的不同之處在于，它是對現(xiàn)實的一種還原，更有利于學生直觀地理解和認知。

[1]郭桂蘋,南岳松.虛擬實驗教學研究現(xiàn)狀及問題分析[J].實驗室科學,2010，(5)10:175-178.

[2]謝陳躍,謝斌盛.電工電子基礎實習[M].北京:中國大地出版社,2008:16-22.

[3]徐明,劉海龍.三維虛擬實驗教學資源管理平臺[J].實驗室研究與探索,2013，32(8):276-279.

[4]王榮芝,辛日華.網(wǎng)絡虛擬實驗的界面交互設計[J].實驗室研究與探索,2009，8(2):82-84.

[5]王濟軍,魏雪峰.虛擬實驗的“熱”現(xiàn)狀與“冷”思考[J].中國電化教育,2011，291(4):126-129.

[6]田豐.虛擬實驗與真實實驗的整合研究[J].實驗技術與管理,2005，22(11):89-92.