【摘要】基于VRML構(gòu)建的虛擬實驗，具有開發(fā)周期相對短、使用效率高、可擴展性強、成本低廉等特點，是解決實驗教學(xué)資源緊張，提高教學(xué)質(zhì)量，擺脫實驗教學(xué)困境行之有效的途徑。一方面，采用虛擬實驗輔助教學(xué)可以大幅度實驗損耗，減少了實驗保障費用；另一方面，虛擬實驗既適用于學(xué)生實驗前的預(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)字電路實驗是電子技術(shù)課程的重要組成部分，是理工科學(xué)生培養(yǎng)過程中重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。然而在實際教學(xué)活動中，實驗室條件有限、課程安排不盡合理等都會成為制約實驗課程效果的原因，學(xué)生缺少動手操作的機會，教學(xué)質(zhì)量很難實現(xiàn)突破式發(fā)展。更為主要的是統(tǒng)一定制的實驗內(nèi)容和教學(xué)安排，不能滿足學(xué)生的個性化的學(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)重地影響了實驗教學(xué)的效果。

1虛擬實驗

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗進入人們的視野并得到快速的發(fā)展，其實現(xiàn)技術(shù)和研究方法也不斷深化和發(fā)展，因此，關(guān)于什么是虛擬實驗，人們往往根據(jù)不同的構(gòu)建方法、不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的運行方式，從不同的層面和不同角度進行定義和概括。從實驗教學(xué)的角度來看，虛擬實驗是指借助于圖形圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實等一切可用的技術(shù)在計算機上構(gòu)建一個與傳統(tǒng)實驗室一樣可進行實驗操作、可觀察實驗現(xiàn)象的“真實”的實驗環(huán)境。虛擬實驗的優(yōu)越性是能夠充分發(fā)揮計算機多媒體技術(shù)的作用，模擬出逼真的實驗儀器、實驗臺、實驗工具，使得實驗的操作步驟和方法與真實實驗過程相同或近似。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，將虛擬實驗越來越多地和虛擬現(xiàn)實技術(shù)聯(lián)系起來。在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的逼真的一體化虛擬環(huán)境中，用戶可以通過交互設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境進行交互，相互影響，得到身臨其境的感受和體驗，因此實驗者不僅能夠得到“真實”的實驗結(jié)果，同時還能夠進行“真實”的實驗操作過程，獲得“動手”做實驗的感受，從而提高實踐能力，達(dá)到實驗?zāi)康摹?/p>

1虛擬實驗在實驗教學(xué)中的作用

1.1降低實驗室建設(shè)、維護費用

在教學(xué)實踐中，由于實驗設(shè)備、實驗場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的原因，一些設(shè)備配置數(shù)量有限，只能“一人實驗，多人觀看，實驗結(jié)果共享”，甚至只能采用“教師操作，學(xué)生觀摩”的形式，實驗效果大打折扣。對虛擬實驗而言，一是對實驗場所沒有限制，節(jié)省了實驗室建設(shè)費用；二是虛擬實驗主要以計算機、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)構(gòu)成，硬件成本低廉；三是不會產(chǎn)生實驗損耗，大大減少了維護費用。1.2滿足個性化學(xué)習(xí)需求

虛擬實驗不僅可以在實驗室PC上進行，還可以在網(wǎng)絡(luò)終端上進行，因此不受時間空間的限制。一方面，使學(xué)生可以不受傳統(tǒng)真實實驗室關(guān)閉和開放時間的限制，自主安排實驗時間，隨時隨地依據(jù)個人需要進行實驗，且無限地擴充實驗次數(shù)；另一方面，學(xué)生在PC上進行實驗，既可以作為傳統(tǒng)實驗課程的補充，也可以通過相關(guān)的資料進行完全的自學(xué)，增強學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性，從而滿足個性化的學(xué)習(xí)需求。1.3提高實驗教學(xué)內(nèi)容的先進性

對于實驗教學(xué)來說，教學(xué)內(nèi)容的先進性是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)前沿科學(xué)知識的重要手段。然而，性能落后的實驗儀器和陳舊的實驗項目普遍存在，嚴(yán)重制約了實驗教學(xué)的效果。虛擬實驗的優(yōu)越特性之一就是能夠通過軟件實時地更新實驗內(nèi)容，使最先進、最前沿的實驗項目和精確儀器進入課堂，使學(xué)生了解最新最及時的資訊，提高教學(xué)的實時性。1.4提高學(xué)生思考和解決問題的能力

一方面，虛擬實驗所提供的實驗條件使得學(xué)生可以不受真實實驗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驗的思想上，更加關(guān)注實驗所解決的問題；另一方面，通過虛擬實驗讓學(xué)生“獨自”進行實驗的形式，也能讓學(xué)生進行獨立的思考和操作，有效克服了真實實驗中盲目操作和實驗“走過場”的問題，最重要的是能夠切實提高學(xué)生思考和解決問題的能力。將虛擬實驗作為實驗教學(xué)的一個新方式，一方面能夠減輕承擔(dān)院校的實驗室建設(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，將極大地促進實驗教學(xué)的效果。

2數(shù)字電路虛擬實驗方案設(shè)計

2.1虛擬實驗的設(shè)計目標(biāo)

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

虛擬實驗構(gòu)建方法的選擇，一方面要保證實驗?zāi)軌蜻_(dá)到輔助教學(xué)、提高實驗教學(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驗的推廣和應(yīng)用。VRML（VirtualRealityModelingLanguage，虛擬現(xiàn)實建模語言）是ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和IEC（國際電子技術(shù)委員會）推薦的Internet上描述三維交互場景和對象的文件格式標(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)上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實成為可能。基于VRML實現(xiàn)虛擬實驗具有便于實時交互、網(wǎng)絡(luò)傳輸、成本低的特點，非常適用于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的開發(fā)。根據(jù)VRML的技術(shù)特點，本文提出VRML+3DSMax+Java/JavaScript的虛擬實驗構(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中建立三維對象的造型、材質(zhì)、貼圖、動畫和視點等，再利用3DSMax的Export功能導(dǎo)出為VRML文件格式，然后進行模型優(yōu)化和代碼的簡化，最后保存為*.wrl文件（即VRML文件，wrl是VRML文件的擴展名），最后在VRML編輯器VrmlPad2.0中進行交互的腳本實現(xiàn)。圖1所示為該方案的流程圖。

3數(shù)字電路虛擬實驗的實現(xiàn)

數(shù)字電路虛擬實驗的實現(xiàn)包括實驗對象建模幾何建模和行為建模兩個內(nèi)容。3.1實驗對象幾何建模

場景和實驗儀器的三維模型構(gòu)建是虛擬實驗實現(xiàn)的基礎(chǔ)，好的模型能給使用者一種很真實的感覺，達(dá)到以“虛”代“實”的目的。（1）對象層次分析一般來說實驗場景和儀器具有一定的復(fù)雜度，直接進行建模難度較大，因此在建模之前應(yīng)對建模對象進行分層，將一個大的場景或儀器分解幾個對象，特別要分離出參與交互的部分。數(shù)字電路實驗箱的層次結(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)嶒炏浔容^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放樣建模方法進行模型構(gòu)建。（3）模型導(dǎo)出和優(yōu)化模型導(dǎo)出時，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題，導(dǎo)致導(dǎo)出文件較大。為了提高虛擬實驗的傳輸和渲染速度，可以再使用VrmlPad軟件對代碼進行優(yōu)化。進行代碼優(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對節(jié)點進行重用等等。3.2實驗對象行為建模

基于VRML的交互包括基本交互和擴展交互兩部分，圖3所示為VRML的交互機制。（1）基本交互基本交互是通過無程序的方式產(chǎn)生的用戶操作與對象響應(yīng)的簡單交互，它是基于VRML自帶的傳感器(Sensor)節(jié)點建立的。負(fù)責(zé)感知用戶操作的傳感器類節(jié)點可以輸出或輸入事件，經(jīng)過路由圖來改變其他節(jié)點的屬性。簡單交互在設(shè)計虛擬實驗中經(jīng)常遇到，如旋轉(zhuǎn)旋鈕，平移實驗儀器，按鈕按下的動態(tài)效果等。例如對于下面的代碼，就可通過單擊鼠標(biāo)來打開或關(guān)閉實驗箱。

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#打開實驗箱的路徑ROUTEtou2.touchTimeTOtime2.startTimeROUTEtime2.fraction_changedTOrota2.set_fractionROUTErota2.value_changedTOboxing.set_rotation#閉合實驗箱的路徑（2）擴展交互擴展交互是創(chuàng)建在虛擬空間實現(xiàn)動作的小程序的復(fù)雜交互，它是通過VRML提供的腳本編輯接口（SAI）與外部編程接口（EAI）實現(xiàn)的。下面是一個JavaScript和VRML接口創(chuàng)建的燈的開關(guān)，點擊開關(guān)，燈亮，再次點擊時燈滅。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;}"}

[1]瞿望.網(wǎng)上虛擬實驗的研究與教學(xué)開放教育研究，2004(4)

[2]申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2009.8（第一版）

[3]何峰，謝宗蕻，昂海松.VRML-Internet上的虛擬現(xiàn)實標(biāo)準(zhǔn).計算機仿真，1999，7（3）