基于X3D數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建及教學(xué)模式研究

李 兵

（湖南第一師范學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410205）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越普遍應(yīng)用于軍事、教育、電子商務(wù)等各個(gè)方面。其中，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于創(chuàng)建交互性虛擬實(shí)驗(yàn)室是教育領(lǐng)域應(yīng)用最新信息技術(shù)的典型。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，可以更加合理地配置教學(xué)資源，實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有儀器設(shè)備的損耗，提高教學(xué)效益，節(jié)約教學(xué)成本；打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，實(shí)驗(yàn)環(huán)境“真實(shí)”，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果；實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以反復(fù)探索，允許失敗，允許儀器設(shè)備“損壞”，通過(guò)正反兩方面的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力?；诖?，本文擬構(gòu)建基于X3D的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)并探討網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。

一、數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)的目標(biāo)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)為模擬仿真對(duì)象，開(kāi)發(fā)出計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科生數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但要具備虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性、交互性和多感知性的特征，而且要能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的功能效果和特點(diǎn)。另外，作為網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為了用戶與系統(tǒng)之間有及時(shí)的交互響應(yīng)，應(yīng)嚴(yán)格控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流大小，無(wú)較大延遲。

圖1 基于X3D數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程模型

基于X3D的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程模型如圖1所示。實(shí)驗(yàn)者通過(guò)瀏覽器的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)交互性操作，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程由程序按照數(shù)字電路的原理，以符合客觀規(guī)律的形式進(jìn)行模擬仿真，其輸出結(jié)果則通過(guò)瀏覽器中虛擬儀表和設(shè)備顯示給實(shí)驗(yàn)者。實(shí)驗(yàn)者對(duì)數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互操作過(guò)程主要通過(guò)鼠標(biāo)完成，其交互方式、過(guò)程以及結(jié)果也應(yīng)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)為依據(jù)。最后實(shí)驗(yàn)報(bào)告可上傳至服務(wù)器供教師評(píng)閱[1]。

二、基于X3D數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

基于X3D的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建主要包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)模型、實(shí)驗(yàn)仿真單元和用戶交互單元等方面的構(gòu)建。

(一)三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建

逼真自然的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境能提供給實(shí)驗(yàn)者與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境相似的刺激，使實(shí)驗(yàn)者能產(chǎn)生真正沉浸感。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景效果是影響虛擬實(shí)驗(yàn)的重要因素。場(chǎng)景中對(duì)象模型的合理組織是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)良好運(yùn)行的關(guān)鍵。我們可以采用如圖2所示的樹(shù)形結(jié)構(gòu)將其劃分為雙親、孩子和兄弟節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)不但簡(jiǎn)潔明了，而且易于修改和維護(hù)。

圖2場(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 中如門(mén)、墻等規(guī)則的幾何模型可以直接通過(guò)X3D語(yǔ)句直接或間接復(fù)合生成模型節(jié)點(diǎn)，而一些不規(guī)則的三維模型可采用三維建模生成后導(dǎo)入或從商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中購(gòu)買(mǎi)的方法。完成各分模型節(jié)點(diǎn)后，可用Lab節(jié)點(diǎn)整合所有分節(jié)點(diǎn)生成虛擬實(shí)驗(yàn)的三維場(chǎng)景[1][2]。

（二）集成芯片動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建

數(shù)字集成芯片是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中最主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都需要用到多塊芯片級(jí)聯(lián)。集成芯片動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建方法是，首先通過(guò)X3D構(gòu)建構(gòu)建形體模型，其次將該模型實(shí)例化并按照對(duì)象的方式進(jìn)行封裝，然后在其父對(duì)象中將與該對(duì)象交互控制中所有相關(guān)行為模型構(gòu)成樹(shù)形層次結(jié)構(gòu)。例如，芯片74LS00的封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中Chip為芯片的形體模型，TS1為接觸傳感器原型以控制其交互功能，AM1為芯片的動(dòng)畫(huà)控制原型，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件，可控制實(shí)體對(duì)象的動(dòng)畫(huà)執(zhí)行[1][3]。

圖374 LS00的封裝結(jié)構(gòu)

（三）用戶交互單元的構(gòu)建

人機(jī)交互是進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)目的的唯一途徑，因此交互性的好壞直接決定虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)劣，其交互控制方式主要有兩種方式：

1.通過(guò)X3D建立節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)交互功能。所建立的節(jié)點(diǎn)都包含可接收事件的接收事件邏輯器和可發(fā)送事件的事件輸出邏輯器，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)腳本節(jié)點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)者的鼠標(biāo)或鍵盤(pán)的輸入操作通過(guò)接收事件邏輯器輸入到節(jié)點(diǎn)，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的程序運(yùn)行，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生改變，然后通過(guò)事件輸出邏輯器輸出到其受控對(duì)象上，最后利用ROUTE語(yǔ)句根據(jù)輸出狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷，控制受控對(duì)象虛擬視角和外觀。

2.通過(guò)建立接觸傳感器節(jié)點(diǎn)（TouchSensor）的方式實(shí)現(xiàn)交互功能。首先，我們建立定義公用的接觸傳感器（TouchSensor），然后針對(duì)不同的人機(jī)交互接口和事件，將公用的接觸傳感器（TouchSensor）原型分別重新定義為T(mén)ouchSensorX（X的不同取值分別對(duì)應(yīng)于不同的交互接口），虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的輸入而改變TouchSensorX的狀態(tài)，系統(tǒng)則根據(jù)TouchSensorX的狀態(tài)控制其虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

（四）虛擬仿真單元的構(gòu)建

虛擬實(shí)驗(yàn)仿真單元其主要功能是根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模型的描述，模擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)者的交互在屏幕中展現(xiàn)出來(lái)。由于數(shù)字芯片的邏輯功能大多可用邏輯函數(shù)表達(dá)式描述，其輸出結(jié)果為邏輯0或邏輯1，因此可方便地用計(jì)算機(jī)表達(dá)式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如芯片74LS00為2輸入端四與非門(mén)，則令芯片1、2、3號(hào)引腳變量分別為A、B、F，則仿真代碼為F=！(A&B)，F(xiàn)的狀態(tài)輸出可控制LED燈的動(dòng)畫(huà)播放，實(shí)現(xiàn)仿真效果。其代碼為：

If(!(A&B))//管腳1,2間的與非運(yùn)算

{LED_Colour=Colour(1,0,0/*R,G,B*/)//通過(guò)Colour產(chǎn)生燈顏色賦給LED燈

Output_F3=true//將管腳3輸出的邏輯運(yùn)算值賦給Output_F3}

else

{LED_Colour=Colour(0,0,0/*R,G,B*/)

Output_F3=false}

三、利用虛擬實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

研究表明，虛擬實(shí)驗(yàn)中的訓(xùn)練能較好地遷移到真實(shí)的情景中，形成有效的經(jīng)驗(yàn)，能向?qū)嶋H操作產(chǎn)生有效遷移，有利于實(shí)驗(yàn)者在真實(shí)環(huán)境中能較好地完成實(shí)驗(yàn)，但是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并不能完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)。我們應(yīng)該充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)點(diǎn)，采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，如圖4所示[4]。

圖4 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

（一）預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)工作在很大程度上決定了實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁_(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮托Ч?。在進(jìn)行數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)前，教師要求學(xué)生登陸虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)了解實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、預(yù)計(jì)理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)等。有著充分的準(zhǔn)備進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，可減少實(shí)驗(yàn)的盲目性和實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞的可能性。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)操作

通過(guò)充分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)后，學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟進(jìn)行預(yù)習(xí)性的虛擬實(shí)驗(yàn)，熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，觀察虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為真實(shí)實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。甚至可以故意違反一些實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，觀察錯(cuò)誤操作帶來(lái)的后果，提醒自己在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中要杜絕這些錯(cuò)誤操作。

（三）探究思考題

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容預(yù)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)操作過(guò)程中的預(yù)習(xí)效果，教師可設(shè)置一些思考題，讓學(xué)生進(jìn)行仔細(xì)思考。如“與門(mén)、與非門(mén)、或門(mén)和或非門(mén)多余的引腳應(yīng)該如何處理?”、“一塊芯片74LS00可以最多級(jí)聯(lián)幾片芯片，為什么?”學(xué)生可通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)探究答案并己的答案進(jìn)行驗(yàn)證。

（四）真實(shí)實(shí)驗(yàn)

在一般情況下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生基本上只能勉強(qiáng)倉(cāng)促地完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟，而對(duì)思考題根本無(wú)暇顧及，使得思考題都形同虛設(shè)。而通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)操作的基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等都比較熟悉了，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以較為熟練地完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟，并有充足的時(shí)間在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對(duì)預(yù)習(xí)思考題進(jìn)行探究驗(yàn)證。

（五）虛擬實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)操作

在對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作后，學(xué)生可再次進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)原理，加深印象，鞏固知識(shí)。教師根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情況，針對(duì)不同的學(xué)生提出更進(jìn)一步的思考練習(xí)，學(xué)生可再次通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究驗(yàn)證。

（六）撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

在撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告過(guò)程中，要求學(xué)生分別對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)步驟分別進(jìn)行闡述和對(duì)比分析，闡述兩種實(shí)驗(yàn)方式在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的作用和不同之處。實(shí)驗(yàn)報(bào)告通過(guò)系統(tǒng)提交到服務(wù)器中，教師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)閱并與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流。

通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生可以不受時(shí)空限制方便進(jìn)行地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的教學(xué)效果，使得學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度能螺旋式的上升，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

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