基于Virtools的電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其在項(xiàng)目式教學(xué)中的實(shí)現(xiàn)

張志田 劉云芳

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南長沙,410208）

1 Virtools的電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將所有虛擬場景、虛擬儀器及實(shí)驗(yàn)者集成于一個(gè)系統(tǒng)中，使用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一命令來實(shí)現(xiàn)功能服務(wù)；與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室不同的是，虛擬實(shí)驗(yàn)室是通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。它是一個(gè)能夠完成實(shí)驗(yàn)效果的系統(tǒng)。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)效果，通過3D效果使在虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)中的實(shí)驗(yàn)者有逼真的效果，仿佛就在現(xiàn)場操作實(shí)驗(yàn)一樣，同時(shí)用戶之間還可以交流信息。所以說，虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該具備可操作性、開放性和仿真性的特點(diǎn)[2]。也能象真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室一樣，添加、修改和刪除儀器和實(shí)驗(yàn)，甚至可以設(shè)置虛擬線路儀器故障，以使虛擬室驗(yàn)系統(tǒng)能夠更加適應(yīng)教學(xué)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及能力目標(biāo)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成示意圖

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室原理

本著“技術(shù)為教學(xué)服務(wù)”的原則，提出了3D-Virtools-Moodle構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)方案。虛擬實(shí)驗(yàn)室主要由實(shí)驗(yàn)用戶識(shí)別系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、虛擬驗(yàn)室管理系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、效果評(píng)估系統(tǒng)、互動(dòng)系統(tǒng)等組成，其中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中包括了EWB、Protel軟件。實(shí)驗(yàn)室的組成原理圖如圖1所示。

采用身份識(shí)別機(jī)制，用戶若要進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，首先必須登錄，以核對(duì)用戶是否有使用權(quán)限。這樣一方面可以阻止非法用戶的使用；另一方面可針對(duì)用戶的屬性，賦予不同的使用權(quán)限。例如:教師在登陸虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，布置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的情況進(jìn)行輔導(dǎo)。學(xué)生憑自己的帳號(hào)和密碼登錄訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室。進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室后，學(xué)生選擇好自己要做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，進(jìn)入相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其后進(jìn)入相應(yīng)的虛擬儀器控制臺(tái)，通過虛擬儀器控制面板發(fā)出實(shí)驗(yàn)操作指令，輸入實(shí)驗(yàn)參數(shù)，虛擬儀器向物理儀器傳輸操作指令及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。物理儀器接受指令和參數(shù)后執(zhí)行操作，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最后將實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過虛擬儀器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)返回到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)用戶，用戶既可以自行分析處理這些數(shù)據(jù)，也可將這些數(shù)據(jù)直接交給虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)、教學(xué)環(huán)境以及相關(guān)的學(xué)習(xí)資源老師借助這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)中的交流互動(dòng)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。包括教師的教學(xué)、輔導(dǎo)，學(xué)生的合作、自主學(xué)習(xí)等內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中教師與學(xué)生教學(xué)活動(dòng)流程如圖3所示。

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教互圖

2 電子技術(shù)課程項(xiàng)目式教學(xué)在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)流程

教師在登陸虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，布置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的情況進(jìn)行輔導(dǎo)。學(xué)生在登陸虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，根據(jù)老師布置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，及時(shí)提交完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，以便教師批改；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中師生可以通過虛擬系統(tǒng)平臺(tái)提供的站內(nèi)消息進(jìn)行溝通交流，同時(shí)也可以借助聊天工具進(jìn)行在線交流。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)流程如圖4所示。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)流程

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

例如：共發(fā)射放大電路靜動(dòng)態(tài)分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。首先，要交代清楚對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的目的以及實(shí)驗(yàn)要求，再次，在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中選擇適合的實(shí)驗(yàn)工具來完成電路的創(chuàng)建，構(gòu)建好的電路。并將電路保存，以備調(diào)用。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖5所示，信號(hào)源 Vi=10mV,f=1KHz。三極管為 Q2N2222,R1=51KΩ、R2=11KΩ,R3=5.1KΩ,R4=1Ω,R5=3.9Ω,電源電壓 V=12V,圖中已標(biāo)示。求放大倍數(shù)。

輸入輸出波形的觀察和數(shù)據(jù)記錄界面如圖6，圖7所示。

圖5 共發(fā)射放大電路

圖6 輸入信號(hào)波形圖

圖7 輸出信號(hào)波形圖

在圖6中，紅色為輸入波形，將豎線1和豎線2分別置于最高點(diǎn)和最低點(diǎn)由VA1和VA2可求得輸入電壓峰值VIPP=VA1—VA2=9.8723—（-9.9396）=19.8124mV輸出電壓周期 T=2*（T2-T1）=2（7679.2-7678.7）=1.0ms,頻率 f=1/T=1KHz輸出波形。在圖7中，綠色為輸出波形，將豎線1和豎線2分別置于最高點(diǎn)和最低點(diǎn)由VA1和VA2可求得輸出電壓峰值VoPP=VA1—VA2=998.1845—（-1174.5）=2172.6845mV，則輸出電 壓 周 期 T=2*（T2-T1）=2（7679.2-7678.7）=1.0ms,頻 率f=1/T=1KH。

觀察輸出輸入波形可知，輸出電壓和輸入電壓反相，這是由于電路為共發(fā)射極電路，集電極輸出電壓與基極輸入電壓反相?？汕蟮梅糯蟊稊?shù)Av=2172..6845/19.8124=109.662；還可以進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的測量等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這里就不一一介紹了。

總之，本虛擬系統(tǒng)基于Virtools平臺(tái)，達(dá)到逼真的實(shí)驗(yàn)效果，又同時(shí)具有高交互性的特點(diǎn)，能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的與要求。在實(shí)驗(yàn)考核方面擬建立虛擬實(shí)驗(yàn)考核題庫，包括考核學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力和線路故障排除等方面的能力。來實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

[1] 孫榮平,戚甫峰.基于多媒體仿真技術(shù)的電路與電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[J] .實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2001,(04):46-49.

[2] 朱慶松.基于Internet的EDA虛擬實(shí)驗(yàn)室[D] .西安：西安電子科技大學(xué)，2006.

[3] 劉延飛.基于電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[J] .華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,(S1):9-10.

[4] 孫懷東.開展電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)的做法與體會(huì) [J] .實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,(10):1265-1267.

[5] 魏遼博，韓芝俠．EWB在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J] ．陜西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，(2)：32～34，37

[6] 周鵬,李芳.數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用[J] .現(xiàn)代教育技術(shù),2009,(02):121-123.

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

[8] 黃永青，李發(fā)宗.虛擬環(huán)境下的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索中國現(xiàn)代教育裝備[J] ，2010，(23):92-94