【摘要】基于VRML構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)，具有開(kāi)發(fā)周期相對(duì)短、使用效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)，是解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源緊張，提高教學(xué)質(zhì)量，擺脫實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境行之有效的途徑。一方面，采用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)可以大幅度實(shí)驗(yàn)損耗，減少了實(shí)驗(yàn)保障費(fèi)用；另一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)既適用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)和課后練習(xí)，也可用于學(xué)生自學(xué)，能夠滿足不同學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)需求，提高學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性。

0引言

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)是電子技術(shù)課程的重要組成部分，是理工科學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。然而在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)驗(yàn)室條件有限、課程安排不盡合理等都會(huì)成為制約實(shí)驗(yàn)課程效果的原因，學(xué)生缺少動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，教學(xué)質(zhì)量很難實(shí)現(xiàn)突破式發(fā)展。更為主要的是統(tǒng)一定制的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)安排，不能滿足學(xué)生的個(gè)性化的學(xué)習(xí)要求，出現(xiàn)基礎(chǔ)好的學(xué)生“吃不飽”，而基礎(chǔ)差的學(xué)生“跟不上”的現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

1虛擬實(shí)驗(yàn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)入人們的視野并得到快速的發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)和研究方法也不斷深化和發(fā)展，因此，關(guān)于什么是虛擬實(shí)驗(yàn)，人們往往根據(jù)不同的構(gòu)建方法、不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的運(yùn)行方式，從不同的層面和不同角度進(jìn)行定義和概括。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度來(lái)看，虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于圖形圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等一切可用的技術(shù)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室一樣可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、可觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的“真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性是能夠充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的作用，模擬出逼真的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)工具，使得實(shí)驗(yàn)的操作步驟和方法與真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程相同或近似。3D技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)的發(fā)展，將虛擬實(shí)驗(yàn)越來(lái)越多地和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)聯(lián)系起來(lái)。在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的逼真的一體化虛擬環(huán)境中，用戶可以通過(guò)交互設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，相互影響，得到身臨其境的感受和體驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)者不僅能夠得到“真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)還能夠進(jìn)行“真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，獲得“動(dòng)手”做實(shí)驗(yàn)的感受，從而提高實(shí)踐能力，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

1.1降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用

在教學(xué)實(shí)踐中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因，一些設(shè)備配置數(shù)量有限，只能“一人實(shí)驗(yàn)，多人觀看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果共享”，甚至只能采用“教師操作，學(xué)生觀摩”的形式，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)而言，一是對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所沒(méi)有限制，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用；二是虛擬實(shí)驗(yàn)主要以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)構(gòu)成，硬件成本低廉；三是不會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)損耗，大大減少了維護(hù)費(fèi)用。1.2滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)需求

虛擬實(shí)驗(yàn)不僅可以在實(shí)驗(yàn)室PC上進(jìn)行，還可以在網(wǎng)絡(luò)終端上進(jìn)行，因此不受時(shí)間空間的限制。一方面，使學(xué)生可以不受傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉和開(kāi)放時(shí)間的限制，自主安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，隨時(shí)隨地依據(jù)個(gè)人需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且無(wú)限地?cái)U(kuò)充實(shí)驗(yàn)次數(shù)；另一方面，學(xué)生在PC上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既可以作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的補(bǔ)充，也可以通過(guò)相關(guān)的資料進(jìn)行完全的自學(xué)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性，從而滿足個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。1.3提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)，教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)前沿科學(xué)知識(shí)的重要手段。然而，性能落后的實(shí)驗(yàn)儀器和陳舊的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目普遍存在，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越特性之一就是能夠通過(guò)軟件實(shí)時(shí)地更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使最先進(jìn)、最前沿的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和精確儀器進(jìn)入課堂，使學(xué)生了解最新最及時(shí)的資訊，提高教學(xué)的實(shí)時(shí)性。1.4提高學(xué)生思考和解決問(wèn)題的能力

一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)所提供的實(shí)驗(yàn)條件使得學(xué)生可以不受真實(shí)實(shí)驗(yàn)中因儀器或人為因素的干擾，引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中放在實(shí)驗(yàn)的思想上，更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)所解決的問(wèn)題；另一方面，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生“獨(dú)自”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的形式，也能讓學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立的思考和操作，有效克服了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中盲目操作和實(shí)驗(yàn)“走過(guò)場(chǎng)”的問(wèn)題，最重要的是能夠切實(shí)提高學(xué)生思考和解決問(wèn)題的能力。將虛擬實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新方式，一方面能夠減輕承擔(dān)院校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的壓力，另一方面給廣大的學(xué)生提供了學(xué)習(xí)、交流的平臺(tái)，將極大地促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

2數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文以數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求為起點(diǎn)，目的是緩解傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足。一方面作為院校教學(xué)中真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和輔助，另一方面可作為練習(xí)實(shí)驗(yàn)技能的開(kāi)放式平臺(tái)。根據(jù)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)定虛擬實(shí)驗(yàn)的主要功能有：能夠?qū)碚撜n中一些難以理解的內(nèi)容以虛擬實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行演示、能夠呈現(xiàn)“逼真”的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)者“置身”三維立體場(chǎng)景中進(jìn)行漫游，熟悉和感受實(shí)驗(yàn)環(huán)境，了解實(shí)驗(yàn)儀器和操作過(guò)程、能夠提供“真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)元件，并能夠通過(guò)鼠標(biāo)的選擇或者拖拽操作和實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行交互。2.2基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)流程

虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建方法的選擇，一方面要保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到輔助教學(xué)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的目的，另一方面要充分考慮到技術(shù)的可行性和有利于虛擬實(shí)驗(yàn)的推廣和應(yīng)用。VRML（VirtualRealityModelingLanguage，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）是ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和IEC（國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)）推薦的Internet上描述三維交互場(chǎng)景和對(duì)象的文件格式標(biāo)準(zhǔn)[3]。作為Internet上3D文件的交換、描述標(biāo)準(zhǔn)，使得在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)成為可能。基于VRML實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)具有便于實(shí)時(shí)交互、網(wǎng)絡(luò)傳輸、成本低的特點(diǎn)，非常適用于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)。根據(jù)VRML的技術(shù)特點(diǎn)，本文提出VRML+3DSMax+Java/JavaScript的虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建方案，其具體的步驟是：首先依據(jù)事先獲取的資料，在3DSMax中建立三維對(duì)象的造型、材質(zhì)、貼圖、動(dòng)畫(huà)和視點(diǎn)等，再利用3DSMax的Export功能導(dǎo)出為VRML文件格式，然后進(jìn)行模型優(yōu)化和代碼的簡(jiǎn)化，最后保存為*.wrl文件（即VRML文件，wrl是VRML文件的擴(kuò)展名），最后在VRML編輯器VrmlPad2.0中進(jìn)行交互的腳本實(shí)現(xiàn)。圖1所示為該方案的流程圖。

3數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)包括實(shí)驗(yàn)對(duì)象建模幾何建模和行為建模兩個(gè)內(nèi)容。3.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象幾何建模

場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)儀器的三維模型構(gòu)建是虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，好的模型能給使用者一種很真實(shí)的感覺(jué)，達(dá)到以“虛”代“實(shí)”的目的。（1）對(duì)象層次分析一般來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和儀器具有一定的復(fù)雜度，直接進(jìn)行建模難度較大，因此在建模之前應(yīng)對(duì)建模對(duì)象進(jìn)行分層，將一個(gè)大的場(chǎng)景或儀器分解幾個(gè)對(duì)象，特別要分離出參與交互的部分。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。（2）3DSMax建模3DSMax中建模方法有基本形體建模、旋轉(zhuǎn)建模、Loft放樣建模等。因?qū)嶒?yàn)箱比較規(guī)則，主要采用基本形體建模結(jié)合復(fù)制、堆積建模、旋轉(zhuǎn)建模、Loft放樣建模方法進(jìn)行模型構(gòu)建。（3）模型導(dǎo)出和優(yōu)化模型導(dǎo)出時(shí)，單擊3DSMax菜單File下的Export（導(dǎo)出），在彈出的SelectFileToExport（選擇導(dǎo)出的文件）對(duì)話框中選擇文件的保存類型為“VRML97（*.wrl）”，輸入文件名，然后單擊保存按鈕。與VRML復(fù)雜的程序指令相比，3DSMax提供了快捷直觀的建模方法，但VRML畢竟不是3DSMax的主要方向，兩者的結(jié)合存在一些必然的問(wèn)題，導(dǎo)致導(dǎo)出文件較大。為了提高虛擬實(shí)驗(yàn)的傳輸和渲染速度，可以再使用VrmlPad軟件對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)行代碼優(yōu)化的方法主要有：使用VrmlPad壓縮功能、使用LOD技術(shù)優(yōu)化細(xì)節(jié)層次、利用DEF，USE和PROTO對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重用等等。3.2實(shí)驗(yàn)對(duì)象行為建模

基于VRML的交互包括基本交互和擴(kuò)展交互兩部分，圖3所示為VRML的交互機(jī)制。（1）基本交互基本交互是通過(guò)無(wú)程序的方式產(chǎn)生的用戶操作與對(duì)象響應(yīng)的簡(jiǎn)單交互，它是基于VRML自帶的傳感器(Sensor)節(jié)點(diǎn)建立的。負(fù)責(zé)感知用戶操作的傳感器類節(jié)點(diǎn)可以輸出或輸入事件，經(jīng)過(guò)路由圖來(lái)改變其他節(jié)點(diǎn)的屬性。簡(jiǎn)單交互在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到，如旋轉(zhuǎn)旋鈕，平移實(shí)驗(yàn)儀器，按鈕按下的動(dòng)態(tài)效果等。例如對(duì)于下面的代碼，就可通過(guò)單擊鼠標(biāo)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱。

DEFtime1TimeSensor{cycleInterval1}DEFrota1OrientationInterpolator{key[0.3.71]keyValue[-1000，100-.5，100-1.8，100-2.3]}DEFtime2TimeSensor{cycleInterval1}DEFrota2OrientationInterpolator{key[0.3.71]keyValue[100-2.3，100-1.8，100-.5，-1000]}ROUTEtou.touchTimeTOtime1.startTimeROUTEtime1.fraction_changedTOrota1.set_fractionROUTErota1.value_changedTOboxing.set_rotation#打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱的路徑ROUTEtou2.touchTimeTOtime2.startTimeROUTEtime2.fraction_changedTOrota2.set_fractionROUTErota2.value_changedTOboxing.set_rotation#閉合實(shí)驗(yàn)箱的路徑（2）擴(kuò)展交互擴(kuò)展交互是創(chuàng)建在虛擬空間實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的小程序的復(fù)雜交互，它是通過(guò)VRML提供的腳本編輯接口（SAI）與外部編程接口（EAI）實(shí)現(xiàn)的。下面是一個(gè)JavaScript和VRML接口創(chuàng)建的燈的開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)，燈亮，再次點(diǎn)擊時(shí)燈滅。DEFOnoffScript{eventInSFBooLset_booleaneventOutSFBooLvalue_changedfieldSFBooLvalueFALSEurl"javascript:functionset_boolean(bool，eventTime){if(set_boolean==false)(return;)if(value==true){value=false;}else{value=true}value_changed=value;}"}

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