基于虛擬技術(shù)在數(shù)電實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

楊慶 楊太紅 朱周英 周珂宇

摘 要： 通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將其深入應(yīng)用在電子技術(shù)教學(xué)的教學(xué)輔助之中。在數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改變以往傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課方式。將虛擬技術(shù)應(yīng)用于數(shù)電實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，幫助學(xué)生更加清晰直觀了解電路的運(yùn)行及原理。使學(xué)生能夠應(yīng)用掌握綜合實(shí)踐能力。將虛擬技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)如今教學(xué)改革的重要向。

關(guān)鍵詞： 虛擬技術(shù)；數(shù)電實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

1數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)

1.1數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

數(shù)字電子技術(shù)是自動(dòng)化專業(yè)中最為重要的課程之一。這類課程的教學(xué)中，對(duì)于電路當(dāng)中電路的流向及電路的電路的轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號(hào)的問題，通?；逎y懂，難以想象。普通的文稿演示難以讓人感受到立體直觀。且高校擴(kuò)招、實(shí)驗(yàn)室無法提供最新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化等問題。

現(xiàn)如今各大高校的設(shè)備大多數(shù)都是屬于過去式老舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以前的實(shí)驗(yàn)方式和方法難以適應(yīng)信息爆炸式的學(xué)習(xí)模式。一般情況下傳統(tǒng)教育的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備少大多數(shù)都是3-4人一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器。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。一般一次實(shí)驗(yàn)過后，無法對(duì)于知識(shí)得到進(jìn)一步的加深理解，把實(shí)驗(yàn)當(dāng)做任務(wù)完成，無法做到人才培養(yǎng)的。

就目前而言，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)預(yù)習(xí)，都是根據(jù)試驗(yàn)參考書進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程的大部分相關(guān)環(huán)節(jié)該做什么都比較模糊，數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)是對(duì)教材課本中內(nèi)容的實(shí)際操作，實(shí)驗(yàn)過程中只能通過表面線路的連接，邏輯的組合，最終通過示波器，顯示儀，燈的亮滅觀察圖形正確與否，一旦出現(xiàn)出現(xiàn)故障難以發(fā)現(xiàn)。特別是由于連接導(dǎo)線使用時(shí)間過長(zhǎng)老化中間金屬絲斷裂這些故障排除起來繁瑣困難。

1.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然性——推陳出新

數(shù)電課程實(shí)驗(yàn)室的改革是必然的，根據(jù)國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要提出，要加強(qiáng)教育改革與制度創(chuàng)新。教改目標(biāo)是要求培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐與實(shí)際制作能力。根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)，堅(jiān)持“創(chuàng)新綜合型”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，積極進(jìn)行教改，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的創(chuàng)新[1]。

所以現(xiàn)在的數(shù)電試驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，高校還不足以培養(yǎng)出擁有實(shí)踐技能的全方位發(fā)展的綜合性人才。新的試驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和新的試驗(yàn)教學(xué)方式，是實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革的主要因素之一。

2 VR技術(shù)的發(fā)展與數(shù)電課程教學(xué)

虛擬技術(shù)所呈現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)景象與現(xiàn)實(shí)之中所見景象有很大區(qū)別。在實(shí)驗(yàn)室中一般只能所見即所聞，看見的都是表面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無法透過儀器的現(xiàn)實(shí)看到各元器件信號(hào)之間的流動(dòng)、傳輸、轉(zhuǎn)換、變化以及電路之間各部分銜接相互作用，保護(hù)器件是如何在欠壓、欠電流、過載、過壓時(shí)發(fā)揮作用保護(hù)電路；不同信號(hào)怎么樣通過與或非門進(jìn)行邏輯處理。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中我們可以通過表象看到本質(zhì)，在虛擬仿真當(dāng)中，展現(xiàn)電路內(nèi)部的構(gòu)造。可以在實(shí)驗(yàn)觸發(fā)時(shí)一瞬間，停留、放大、拆分各部分，分析電路，更好的掌握實(shí)踐能力。

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)磨損，而且對(duì)于學(xué)生來說可以在實(shí)驗(yàn)之前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，將難點(diǎn)和疑點(diǎn)在課上詢問。在應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室中除通過連接電路實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的成功，還可以看內(nèi)部的構(gòu)造，虛擬出電流走向，不同信號(hào)的轉(zhuǎn)化，直觀立體的教學(xué)知識(shí)。普通的仿真軟件雖到實(shí)驗(yàn)然也具有模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但在仿真時(shí)各種元器件的選擇替換，線路的連接不能做到簡(jiǎn)潔應(yīng)用[2]。

在數(shù)字電子技術(shù)中， 數(shù)字電路的試驗(yàn)中元器件的選擇和線路的連接很重要。在過去的仿真軟件和實(shí)際實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，對(duì)模擬電路的放大器，數(shù)字電路中的各種芯片來說，在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)是很難選擇的，主要由于平時(shí)學(xué)生很少接觸實(shí)驗(yàn)，對(duì)于其性能不熟悉，用其他芯片無法知道其具體功能使實(shí)驗(yàn)失敗。與之前所提到通過數(shù)據(jù)分享交流，可以知道在某些環(huán)節(jié)容易出錯(cuò)，數(shù)據(jù)輸入多少得到的誤差最小。

3數(shù)電試驗(yàn)與虛擬仿真系統(tǒng)

3.1數(shù)電與模電虛擬實(shí)驗(yàn)流程

虛擬實(shí)驗(yàn)的過程是通過授課計(jì)劃，初步了解實(shí)驗(yàn)，老師給予學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用，以及實(shí)驗(yàn)中所需注意事項(xiàng)，學(xué)生通過VR實(shí)驗(yàn)室相互交流合作完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，在正式實(shí)驗(yàn)課程中，與老師進(jìn)行更加深層次的探討，而不僅僅停留在手把手教學(xué)模式上。完成實(shí)驗(yàn)過后分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)，提出自己的想法和建議。

在使用VR實(shí)驗(yàn)室時(shí)，虛擬仿真系統(tǒng)會(huì)提供相應(yīng)的元器件庫(kù)。普通課件只會(huì)展現(xiàn)外部功能引腳圖，在虛擬實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)元器件內(nèi)部信號(hào)的轉(zhuǎn)變，能夠了解各部件的作用。

3.2元器件CD4081為例

我們以一個(gè)常見的元器件CD4081芯片為例，來講解虛擬實(shí)驗(yàn)室所帶來不同與一般實(shí)驗(yàn)所能看見的景象，簡(jiǎn)單的說明一下。

CD4081，包含四個(gè)2輸入端與門；所以每一片CD4081芯片上都有四個(gè)獨(dú)立的二個(gè)輸入端的與門。用此芯片淺顯講述虛擬實(shí)驗(yàn)中的細(xì)微景象。

如CD4081芯片中的四個(gè)與門電路：當(dāng)信號(hào)流入點(diǎn)擊芯片可以看見其內(nèi)部如何轉(zhuǎn)化，以及在后面實(shí)驗(yàn)中過程的轉(zhuǎn)變。在其中一個(gè)與門電路中，輸入1和0兩種不同的信號(hào)在引腳5和引腳6中，經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換輸出。在輸出于引腳4。此過程可以讓實(shí)驗(yàn)者清晰了解實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟[3]。

3.3虛擬實(shí)驗(yàn)的資源共享

如在數(shù)電虛擬實(shí)驗(yàn)流程當(dāng)中，觀看虛擬仿真教程視頻，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。可以把視頻當(dāng)做一種開放性的共享資源。以及在使用時(shí)出現(xiàn)的問題、想法皆可提出，完善虛擬實(shí)驗(yàn)。若此虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)能夠在高校之間進(jìn)行推廣，提高其資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)信息以及平臺(tái)共享。

4探討虛擬技術(shù)在數(shù)電實(shí)驗(yàn)中的可行性

在目前而言的虛擬技術(shù)存在著一些不可避免的缺陷，現(xiàn)目前的高校的技術(shù)力量還無法全方位立體的展現(xiàn)一個(gè)逼真的虛擬場(chǎng)景。其中讓體驗(yàn)者能夠真實(shí)的體驗(yàn)到在過去的傳統(tǒng)教育中無法體驗(yàn)到的虛擬場(chǎng)景，保證體驗(yàn)者身臨其境的流暢度，這是一個(gè)難點(diǎn)。在普通的桌面式虛擬場(chǎng)景中，不管場(chǎng)景多么真實(shí)，但還是存在差距。當(dāng)人們從虛擬環(huán)境之中走出來，虛擬場(chǎng)景與真實(shí)環(huán)境不同所帶來的差異，長(zhǎng)時(shí)間佩戴，學(xué)生依然會(huì)產(chǎn)生暈眩和不適感，可能會(huì)讓人感到莫名的不適應(yīng)[4]。

數(shù)電是自動(dòng)化專業(yè)的本科必修的重要科目。但目前教育師資力量薄弱，沒有足夠的實(shí)驗(yàn)條件，所以我們的課程主要以理論課程為主。通過虛擬技術(shù)將課程中基礎(chǔ)知識(shí)通過虛擬場(chǎng)景進(jìn)行展示，彌補(bǔ)圖片、文字的不足。這是對(duì)于高校近幾年來，與社會(huì)發(fā)展變化所帶來的差異造成知識(shí)變化從而進(jìn)行的補(bǔ)充[5]。將虛擬技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)有利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)。

5結(jié)語(yǔ)

通過虛擬技術(shù)在數(shù)電實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用，使用虛擬場(chǎng)景讓學(xué)生清楚的了解到數(shù)電實(shí)驗(yàn)。數(shù)字信號(hào)在元器件中通過邏輯轉(zhuǎn)換進(jìn)行轉(zhuǎn)變，知道各部分電路的作用及如何操作應(yīng)用。虛擬技術(shù)逐漸應(yīng)用于教育的各個(gè)方面，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，虛擬技術(shù)有利于培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力更高的人才。在教學(xué)改革之中，更加符合我國(guó)對(duì)于創(chuàng)新性與應(yīng)用型人才的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]江華麗，馮志斌.數(shù)電和模電課程教改研究[J].教育教學(xué)論壇.2016（20）.128-129.

[2]常文平.電子技術(shù)課程教改和實(shí)踐探索[J].河南機(jī)電高等專科學(xué)校學(xué)報(bào). 2004（1）.75-76.

[3]李兵.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[J].湖南第一師范學(xué)院學(xué)報(bào).2016（5）.76-78.

[4]劉園.VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究與應(yīng)用[J].多媒體技術(shù)及用，2016（16），207-208.

[5]吳蜜.VR技術(shù)與專業(yè)教學(xué)融合研究[J].互聯(lián)網(wǎng)+教育.2016（14）.132.