《電子技術》虛擬實驗系統的設計與開發

摘要：實驗是教學的重要環節之一，虛擬實驗通過計算機營造出一種仿真的實驗環境，逼真地模擬出學生進行實驗操作的整個過程。本文提出了3D-Virtools-Moodle構建虛擬實驗系統的架構方案，闡述了電子技術虛擬實驗系統的功能設計與構建。

關鍵詞：電子技術；虛擬實驗；Virtools

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0257-03

Design and development of Electronic Technique virtual experiments system

LIU Yun-fang

（Hunan Industry Polytechnic College）

Abstract：Experiments form a vital part of teaching.Virtual experiments build a simulation experiment environment by the computer，which vividly simulates the experiment operation process of students.A scheme to construct virtual experiments system is proposed based on i3D-Virtools-Moodle in this paper.And the essay elaborates the function design and construction of the electronic technique virtual experiments system.

Key words：electronic technique；virtual experiments；Virtools

《電子技術》是電類專業的一門重要的專業基礎課程。我院的電子技術課程于2007年成為湖南省精品課程，在這一理論與實踐并重的課程中，確定了“以崗位能力為中心”的培養目標，以“夠用”為度的教學改革思想，對基礎理論和實踐環節進行了調整，增強了實踐性教學環節，強調以掌握概念、強化應用、突出能力，鼓勵創新為主的思路。為了豐富和完善實驗教學體系，更有效地推動該課程的實驗教學，我們開始了“電子技術”虛擬實驗室的研發，設計并實現了“電子技術”虛擬實驗系統。

在國內外學者研究基礎上，我們本著“技術為教學服務”的原則，提出了3D-Virtools-Moodle構建虛擬實驗室的架構方案。這一方案是在3DStudio Max中完成三維建模、動畫制作；在Virtools Dev中進行相關數據處理、三維對象的控制及交互設定；在Moodle教學管理平臺中實現虛擬實驗的績效評估和教學管理。采用該架構方案，具有真實性、交互性、簡單和易實現等特點，具有較好的教學效果。

一、Virtools概述

Virtools是一套整合軟件，可以將現有常用的檔案格式整合在一起，如3D模型、2D圖形或是音效等。

Virtools新一代3D for All開發平臺，以完全的可視化模式建構互動體驗，開放架構支持多種3D文件格式的讀取，使實時3D技術的應用變得更多元廣泛。

Virtools 開放的架構極其靈活，允許開發者使用模塊的腳本，方便有效地進行對象的交互設計和管理。利用SDK（Software Development Kit，軟件開發工具包）和VSL（Virtools Scripting Language，Virtools專用腳本語言），通過相應的API接口，可以創建自定義的交互行為腳本和應用程序。

通過Virtools的可視化流程圖式腳本制作界面，在不使用第三方技術的情況下，用戶還可以進行高級互動模塊的熟練使用，比如Physics（物理學）、AI（Artificial Intelligence，人工智能）和Multi-users（多用戶）制作和執行環境。

二、虛擬實驗統的功能設計目標

為實現《電子技術》課程的實驗教學目標，虛擬實驗室應具有以下功能：

（一）綜合管理功能

虛擬實驗系統將所有虛擬場景、虛擬儀器及實驗者集成于一個系統中，使用標準的統一命令來實現功能服務；能添加、修改和刪除儀器和實驗，以使虛擬驗室系統適應教學的實驗變更要求。

（二）資源共享及互動操作功能

實驗者可以共享實驗數據、實驗設備、實驗環境等相關資源，能夠減少重復投資。虛擬驗室具有互動性，用戶可以操作本地實驗室，同時用戶之間可以交流信息。

（三）實驗功能

虛擬實驗室的核心功能就是虛擬實驗。每一個典型的虛擬實驗在架構上應包括實驗環境、實驗儀器設備、實驗目的、實驗原理和實驗內容步驟幾部分。通過虛擬實驗，學習者可以了解實驗中所用到的虛擬儀器的功能及使用方法，能查看實驗目的、實驗內容、實驗要求、注意事項等，實驗者還可以方便地獲取具體實驗步驟。

（四）擴展功能

虛擬實驗室的實驗項目應該能根據人才培養方案的變化及時擴充、縮減或修改，服務功能也要隨時增刪或修改。而實驗室本身所具備的綜合管理、資源共享等特點，給改變實驗項目、實驗內容等提供了低消耗的快速的可擴展特性。

（五）安全機制

虛擬實驗室應采取必要的安全措施和技術手段來維護系統軟件和用戶知識產權的安全。具有安全措施的虛擬實驗室，能夠做到拒絕非法訪問者進入虛擬實驗室，也可以及時中止合法訪問者的不當操作。例如采用身份認證機制，用戶若要進入虛擬實驗室，首先必須登錄，以核對用戶是否有使用權限。這樣一方面可以阻止非法用戶的入侵；另一方面可針對用戶的屬性，賦予不同的使用權限。例如：教師用戶可以將自己創建的虛擬實驗上傳到服務器端，以充實虛擬實驗室的內容。

三、電子技術虛擬實驗室的構建

（一）虛擬實驗系統

虛擬實驗系統著重關注兩個關鍵特征，一個是仿真性，一個是交互性。仿真性是為了保證虛擬實驗盡量與真實實驗盡量具有相同的視覺特征，避免虛擬實驗儀器的抽象化，從而產生真實感。交互性具有視角交互、動作交互、數據交互等交互層級，使學習者具有沉浸感。

電子技術虛擬實驗系統由以下模塊組成：

1.用戶登錄模塊。該模塊主要提供學生和教師注冊、登錄功能，以及管理人員進行后臺的維護以及資料資源的管理，它允許師生使用自己的賬號和密碼進行登錄。

2.實驗報告模塊。學生按照要求完成實驗后可以在網上上傳實驗報告，教師可以對實驗報告給出評價。

3.在線討論模塊。是一個供遠程學習者交流的場所，該模塊讓學生老師能夠相互溝通，討論學習方法和經驗，也可以提出問題，由負責實驗教學的教師回答，是網絡化學習必須的一個基本功能。

4.實驗模塊。虛擬實驗子系統是整個虛擬實驗系統的核心部分，它由環境漫游模塊、鉆探模擬實驗、儀器展示實驗和實驗幫助三大子模塊構成。學生或教師進入實驗系統后，在虛擬實驗平臺上，可以進行三維場景虛擬漫游，以及全方位的觀察和正確選擇各種實驗儀器和器材；然后把各種實驗設備正確地組合起來后，就可以進行實驗了，用戶可以仔細觀察得到的結果。實驗幫助子模塊是介紹實驗儀器的操作方法及注意事項，這些介紹與所選擇的實驗內容相關，如實驗背景、實驗方法等，涉及范圍較廣，能夠擴展學生的知識，從而幫助學習者順利完成實驗。模塊設計如圖1所示。

（二）開發流程

我們選擇Virtools作為電子技術虛擬實驗室開發平臺，開發流程如圖2所示：

（1）模型構建。使用3ds Max軟件構建虛擬場景和實驗設備、器材模型。（2）動畫制作。使用3ds Max軟件對實驗室場景中的虛擬人物或實驗設備進行必要的動畫制作，比如虛擬人物的行走、碰撞等，實驗設備的打開與連接等。（3）場景導出。將在3ds Max軟件中生成的場景和設備導出為Virtools可讀格式。（4）交互設計。使用Virtools軟件為模型添加交互行為，實現對真實實驗的虛擬操作。（5）系統發布。把最后完成的虛擬實驗教學系統發布成網頁文件，或者打包成可執行文件，使學習者能使用虛擬實驗系統。

（三）系統的實現

本實驗系統用到的開發工具有：（1）3D 建模：3ds Max 8.0；（2）虛擬現實：Virtools 4.0；（3）程序編制：Virtools'BB＼SDK；（4）圖形繪制：Flash CS3；（5）圖像處理：Photoshop CS2。運行環境：Windows XP SP2；奔騰 4 處理器。用戶登錄界面如圖3所示：

圖4為本實驗系統三維場景和實物圖，圖5為交通燈實驗的電路模型和交通燈情景再現。

四、結束語

《電子技術》虛擬實驗系統的應用，能緩解設備更新壓力、提高實驗效率，同時通過虛擬現實教學，能有效的發揮學生的各種感官作用，使學生接受更多、更具體、更完整的信息，有利于構建以學生為主體的教學模式?；赩irtools虛擬實驗技術在電子技術教學中的應用，能有效地提高學生的實踐能力、分析問題的能力和解決問題的能力，這是平常的CAI軟件難以達到的。我們希望通過“電子技術虛擬實驗系統”所提供的三維虛擬實驗平臺，讓學習者能夠身臨其境地操控場景中的實驗對象來完成課程實驗，也為其他虛擬實驗系統的開發和應用提供方法借鑒。

參考文獻：

[1]孫榮平，戚甫峰.基于多媒體仿真技術的電路與電子技術虛擬實驗教學系統[J].實驗技術與管理，2001，（04）：46-49.

[2]劉延飛.基于電子技術虛擬實驗平臺的實驗教學實踐[J].華北航天工業學院學報，2006，（S1）：9-10.

[3]孫懷東.開展電子技術虛擬實驗的做法與體會[J].實驗室研究與探索，2006，（10）：1265-1267.

[4]袁建春.電子技術虛擬實驗教學淺探[J].中國電力教育，2008，（05）：99-100.

[5]康占成.淺談電子技術虛擬實驗系統[J].雁北師范學院學報，2003，（05）：82-84.

[6]周鵬，李芳.數字電子技術虛擬實驗系統的建設與應用[J].現代教育技術，2009，（02）：121-123.

[7]林培炎，馮開平，廖聰.基于三維技術虛擬漫游校園的GIS實現技術[J].信息技術，2009，（01）：28-30.

[8]董學義.在電子技術教學中引入虛擬實驗的嘗試[J].新課程研究（職業教育），2007，（06）：34-35.

作者簡介：劉云芳（1973-），女，湖南湘潭人，湖南工業職業技術學院副教授，研究方向：電子信息工程。