基于3D的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究

鄧文婷，胡 維

（廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣東 廣州 510006）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)操技能和創(chuàng)新能力有重要意義，也是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保證。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要采用現(xiàn)場(chǎng)模擬的方式，這種方式主要依靠教師進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景模擬來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講解和操作。隨著高校教學(xué)方式的不斷改革，虛擬實(shí)驗(yàn)也逐漸走進(jìn)了大學(xué)課堂。

美國(guó)是最先提出虛擬實(shí)驗(yàn)概念的國(guó)家，在大學(xué)的普及程度也相當(dāng)廣泛，其中麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室于1998年開(kāi)發(fā)并投入使用。它提供了用于進(jìn)行微電子學(xué)和電路設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它允許學(xué)生在自己的電腦上設(shè)計(jì)并修改電路模型，然后通過(guò)一個(gè)用Java激活的Web瀏覽器使用在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室里的昂貴的測(cè)試設(shè)備來(lái)獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)[1]。

在國(guó)內(nèi)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視。由于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)，它的實(shí)際應(yīng)用在理工教學(xué)中大有作為，尤其在電工電子、醫(yī)學(xué)、建筑、生化等學(xué)科有重要作用。目前國(guó)內(nèi)的多數(shù)高校都根據(jù)自身教學(xué)需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室。但目前，虛擬實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有廣泛用到我國(guó)教學(xué)中，對(duì)利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)的教學(xué)模式和教學(xué)設(shè)計(jì)的研究還不重視。

電路實(shí)驗(yàn)作為工科電子類(lèi)一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，起著培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電路的測(cè)試、分析、設(shè)計(jì)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力的作用，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只要求驗(yàn)證學(xué)過(guò)的理論，而且實(shí)驗(yàn)器材有限，對(duì)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)束縛比較大。為了讓學(xué)生能自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作，并能使學(xué)生積極思考，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)與調(diào)試，因此把電路實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生提供了一個(gè)自由開(kāi)放的設(shè)計(jì)空間。

為了便于直觀和清晰地了解電路虛擬系統(tǒng)的搭建，我們以電子鎮(zhèn)流器型日光燈照明電路實(shí)驗(yàn)作為范例分析虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。

1 虛擬元件模型的制作

電子鎮(zhèn)流器型日關(guān)燈照明電路圖如圖1所示，其中包含的元器件包括了空氣開(kāi)關(guān)、雙控開(kāi)關(guān)、電子整流器等，具體清單見(jiàn)表1。

日光燈照明電路實(shí)驗(yàn)原理：使用雙控開(kāi)關(guān)控制日光燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。

日光燈也叫熒光燈，燈管的兩端各有一根燈絲，管中充有稀薄的氬和微量水銀蒸氣，管壁上涂著熒光粉，與普通白熾燈相比，日光燈的光線柔和，發(fā)光效率是普通白熾燈的3倍以上，使用壽命差不多是普通白熾燈的4倍，但附件多，造價(jià)比普通白熾燈高。

圖1 電子鎮(zhèn)流器型日光燈照明電路Fig.1 Fluorescent lamp lighting circuitbased on Electronic ballast

表1 日關(guān)燈照明電路元器件及工具儀器清單Tab.1 Com ponents and tool instrument list of Fluorescent lam p lighting circuit

常用的鎮(zhèn)流器有電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器兩種。電子鎮(zhèn)流器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)將低頻交流電壓轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓的電源變換器。使用電子鎮(zhèn)流器的日光燈照明電路不僅省掉了啟輝器，而且使用電子鎮(zhèn)流器還具備節(jié)能、無(wú)頻閃、無(wú)噪聲、燈管壽命延長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

雙控開(kāi)關(guān)內(nèi)含有一個(gè)常閉觸點(diǎn)和一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)。家居的雙控照明電路一般使用單聯(lián)雙控開(kāi)關(guān)面板。兩個(gè)開(kāi)關(guān)中的任何一個(gè)無(wú)論處于什么狀態(tài)，另一個(gè)開(kāi)關(guān)都能獨(dú)立地控制電燈的開(kāi)、關(guān)。

空氣開(kāi)關(guān)又稱(chēng)為小型斷路器，小型斷路器集閘刀開(kāi)關(guān)、熔斷器、熱繼電器和欠壓繼電器的功能于一體，是一種可手動(dòng)合閘和分閘，又能在欠壓、失壓、過(guò)載或短路故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)分閘的電氣器件。

3D虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的制作一般使用3D Max、Maya等三維建模工具，形狀比較規(guī)則的儀器設(shè)備也可以使用CAD工具進(jìn)行建模。本平臺(tái)通過(guò)3D Max軟件制作出日光燈照明電路中所用到的各元器件及工具的3D模型，在虛擬系統(tǒng)中以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的方式呈現(xiàn)其真實(shí)的三維外觀（見(jiàn)圖2），單擊元器件可進(jìn)入當(dāng)前器件的介紹頁(yè)面（見(jiàn)圖3）。

圖2 照明電路元件3D模型及功能介紹Fig.2 3Dmodel and function of the lighting circuit

儀器設(shè)備真實(shí)尺寸差異很大，3D建模時(shí)考慮了儀器各部件之間的比例關(guān)系，也考慮了儀器實(shí)際尺寸與計(jì)算機(jī)屏幕之間的比例關(guān)系，否則就會(huì)影響真實(shí)感，也影響虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程的科學(xué)性[3]。

2 實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)：

1)元件檢查

①用萬(wàn)用表的電阻檔測(cè)量日光燈的兩端，看其是否連通，若其電阻∞，則說(shuō)明日光燈的燈絲已經(jīng)斷開(kāi)。

②用萬(wàn)用表的電阻檔測(cè)量電感鎮(zhèn)流器的兩端，若其電阻為 0，或∞，則說(shuō)明電感鎮(zhèn)流器的線圈短路或開(kāi)路。

2)電子鎮(zhèn)流器型日光燈電路組裝

照明電路虛擬仿真平臺(tái)見(jiàn)圖3，虛擬演示平臺(tái)見(jiàn)圖4。

圖3 照明電路虛擬仿真平臺(tái)Fig.3 Virtual simulation platform of the lighting circuit

圖4 照明電路虛擬演示平臺(tái)Fig.4 Virtual demonstration platform of the lighting circuit

實(shí)驗(yàn)步驟：連接插座——連接空氣開(kāi)關(guān)——連接雙控開(kāi)關(guān)———連接電子整流器——連接燈管——測(cè)試。

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)操作本身的強(qiáng)參與性和可操作性要求其具備極強(qiáng)的交互性能，而在所有影響教學(xué)系統(tǒng)交互性能的因素中，界面交互性是基礎(chǔ)和保障，學(xué)習(xí)者只有通過(guò)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面間良好的交互操作才能進(jìn)一步完成與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容間的有效信息交互[4]。

學(xué)生按照流程連接完實(shí)驗(yàn)電路后，如果連接完全正確，可以實(shí)現(xiàn)雙控開(kāi)關(guān)控制熒光燈管的亮滅，但是如果出現(xiàn)錯(cuò)誤怎么來(lái)檢查故障呢？平臺(tái)設(shè)計(jì)了電路故障分析功能，對(duì)此，我們對(duì)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行了解析。下面就是其中的一個(gè)分析實(shí)例：雙控開(kāi)關(guān)連接錯(cuò)誤或出現(xiàn)故障。

1)連線錯(cuò)誤（見(jiàn)圖 5）：

圖5 可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤連接Fig.5 Possible error connection of the lighting circuit

①合上空氣開(kāi)關(guān)，電路不通，撥下開(kāi)關(guān)1，電路不通，再撥下開(kāi)關(guān)2，電路通，撥開(kāi)關(guān)1，電路不通，任意撥打開(kāi)關(guān)2，電路不通，。

②合上空氣開(kāi)關(guān)，電路通，撥下開(kāi)關(guān)2，電路不通，再撥開(kāi)關(guān)1，反復(fù)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)1，電路均不通，。

分析：此種現(xiàn)象表明兩個(gè)雙控開(kāi)關(guān)的COM端與1口或2口混淆，連線錯(cuò)誤。

2)出現(xiàn)故障：不管怎么撥弄雙控開(kāi)關(guān)1、2，電路一直不通。在空氣開(kāi)關(guān)閉合的情況下，用電筆測(cè)量雙控開(kāi)關(guān)1的COM端，電筆亮，此時(shí)，測(cè)量雙控開(kāi)關(guān)2的COM端，上下?lián)軇?dòng)雙控開(kāi)關(guān)1，電筆均不亮。

分析：先檢查線路是否連接正確，如果連接無(wú)誤，則檢查連線的接口及開(kāi)關(guān)本身的故障問(wèn)題。檢查過(guò)程如圖6所示。

圖6 雙控開(kāi)關(guān)故障分析圖Fig.6 Failure analysis diagram of the double switch

3 結(jié)論

傳統(tǒng)教學(xué)中的教學(xué)媒體是教師完成教學(xué)任務(wù)、傳授知識(shí)的工具，當(dāng)多媒體課件、電子作業(yè)系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、電子出版物等現(xiàn)代教學(xué)媒體進(jìn)入課堂教學(xué)后，以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)模式。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備是虛擬的，但它是真實(shí)實(shí)物的映射，因此在虛擬環(huán)境中操作而產(chǎn)生的真實(shí)感很接近人的經(jīng)驗(yàn)[5]。

虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬，真實(shí)實(shí)驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，虛擬實(shí)驗(yàn)的局限性恰恰又是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，二者是相輔相成的[6]。發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢(shì)，精心組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，會(huì)受到更好的效果?；?D的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與普通仿真軟件的不同之處在于，它是對(duì)現(xiàn)實(shí)的一種還原，更有利于學(xué)生直觀地理解和認(rèn)知。

[1]郭桂蘋(píng),南岳松.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究現(xiàn)狀及問(wèn)題分析[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2010，(5)10:175-178.

[2]謝陳躍,謝斌盛.電工電子基礎(chǔ)實(shí)習(xí)[M].北京:中國(guó)大地出版社,2008:16-22.

[3]徐明,劉海龍.三維虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013，32(8):276-279.

[4]王榮芝,辛日華.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的界面交互設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009，8(2):82-84.

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