《电子技术》虚拟实验系统的设计与开发

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摘要：实验是教学的重要环节之一，虚拟实验通过计算机营造出一种仿真的实验环境，逼真地模拟出学生进行实验操作的整个过程。本文提出了3D-Virtools-Moodle构建虚拟实验系统的架构方案，阐述了电子技术虚拟实验系统的功能设计与构建。

关键词：电子技术；虚拟实验；Virtools

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0257-03

Design and development of Electronic Technique virtual experiments system

LIU Yun-fang

（Hunan Industry Polytechnic College）

Abstract：Experiments form a vital part of teaching.Virtual experiments build a simulation experiment environment by the computer，which vividly simulates the experiment operation process of students.A scheme to construct virtual experiments system is proposed based on i3D-Virtools-Moodle in this paper.And the essay elaborates the function design and construction of the electronic technique virtual experiments system.

Key words：electronic technique；virtual experiments；Virtools

《电子技术》是电类专业的一门重要的专业基础课程。我院的电子技术课程于2007年成为湖南省精品课程，在这一理论与实践并重的课程中，确定了“以岗位能力为中心”的培养目标，以“够用”为度的教学改革思想，对基础理论和实践环节进行了调整，增强了实践性教学环节，强调以掌握概念、强化应用、突出能力，鼓励创新为主的思路。为了丰富和完善实验教学体系，更有效地推动该课程的实验教学，我们开始了“电子技术”虚拟实验室的研发，设计并实现了“电子技术”虚拟实验系统。

在国内外学者研究基础上，我们本着“技术为教学服务”的原则，提出了3D-Virtools-Moodle构建虚拟实验室的架构方案。这一方案是在3DStudio Max中完成三维建模、动画制作；在Virtools Dev中进行相关数据处理、三维对象的控制及交互设定；在Moodle教学管理平台中实现虚拟实验的绩效评估和教学管理。采用该架构方案，具有真实性、交互性、简单和易实现等特点，具有较好的教学效果。

一、Virtools概述

Virtools是一套整合软件，可以将现有常用的档案格式整合在一起，如3D模型、2D图形或是音效等。

Virtools新一代3D for All开发平台，以完全的可视化模式建构互动体验，开放架构支持多种3D文件格式的读取，使实时3D技术的应用变得更多元广泛。

Virtools 开放的架构极其灵活，允许开发者使用模块的脚本，方便有效地进行对象的交互设计和管理。利用SDK（Software Development Kit，软件开发工具包）和VSL（Virtools Scripting Language，Virtools专用脚本语言），通过相应的API接口，可以创建自定义的交互行为脚本和应用程序。

通过Virtools的可视化流程图式脚本制作界面，在不使用第三方技术的情况下，用户还可以进行高级互动模块的熟练使用，比如Physics（物理学）、AI（Artificial Intelligence，人工智能）和Multi-users（多用户）制作和执行环境。

二、虚拟实验统的功能设计目标

为实现《电子技术》课程的实验教学目标，虚拟实验室应具有以下功能：

（一）综合管理功能

虚拟实验系统将所有虚拟场景、虚拟仪器及实验者集成于一个系统中，使用标准的统一命令来实现功能服务；能添加、修改和删除仪器和实验，以使虚拟验室系统适应教学的实验变更要求。

（二）资源共享及互动操作功能

实验者可以共享实验数据、实验设备、实验环境等相关资源，能够减少重复投资。虚拟验室具有互动性，用户可以操作本地实验室，同时用户之间可以交流信息。

（三）实验功能

虚拟实验室的核心功能就是虚拟实验。每一个典型的虚拟实验在架构上应包括实验环境、实验仪器设备、实验目的、实验原理和实验内容步骤几部分。通过虚拟实验，学习者可以了解实验中所用到的虚拟仪器的功能及使用方法，能查看实验目的、实验内容、实验要求、注意事项等，实验者还可以方便地获取具体实验步骤。

（四）扩展功能

虚拟实验室的实验项目应该能根据人才培养方案的变化及时扩充、缩减或修改，服务功能也要随时增删或修改。而实验室本身所具备的综合管理、资源共享等特点，给改变实验项目、实验内容等提供了低消耗的快速的可扩展特性。

（五）安全机制

虚拟实验室应采取必要的安全措施和技术手段来维护系统软件和用户知识产权的安全。具有安全措施的虚拟实验室，能够做到拒绝非法访问者进入虚拟实验室，也可以及时中止合法访问者的不当操作。例如采用身份认证机制，用户若要进入虚拟实验室，首先必须登录，以核对用户是否有使用权限。这样一方面可以阻止非法用户的入侵；另一方面可针对用户的属性，赋予不同的使用权限。例如：教师用户可以将自己创建的虚拟实验上传到服务器端，以充实虚拟实验室的内容。

三、电子技术虚拟实验室的构建

（一）虚拟实验系统

虚拟实验系统着重关注两个关键特征，一个是仿真性，一个是交互性。仿真性是为了保证虚拟实验尽量与真实实验尽量具有相同的视觉特征，避免虚拟实验仪器的抽象化，从而产生真实感。交互性具有视角交互、动作交互、数据交互等交互层级，使学习者具有沉浸感。

电子技术虚拟实验系统由以下模块组成：

1.用户登录模块。该模块主要提供学生和教师注册、登录功能，以及管理人员进行后台的维护以及资料资源的管理，它允许师生使用自己的账号和密码进行登录。

2.实验报告模块。学生按照要求完成实验后可以在网上上传实验报告，教师可以对实验报告给出评价。

3.在线讨论模块。是一个供远程学习者交流的场所，该模块让学生老师能够相互沟通，讨论学习方法和经验，也可以提出问题，由负责实验教学的教师回答，是网络化学习必须的一个基本功能。

4.实验模块。虚拟实验子系统是整个虚拟实验系统的核心部分，它由环境漫游模块、钻探模拟实验、仪器展示实验和实验帮助三大子模块构成。学生或教师进入实验系统后，在虚拟实验平台上，可以进行三维场景虚拟漫游，以及全方位的观察和正确选择各种实验仪器和器材；然后把各种实验设备正确地组合起来后，就可以进行实验了，用户可以仔细观察得到的结果。实验帮助子模块是介绍实验仪器的操作方法及注意事项，这些介绍与所选择的实验内容相关，如实验背景、实验方法等，涉及范围较广，能够扩展学生的知识，从而帮助学习者顺利完成实验。模块设计如图1所示。

（二）开发流程

我们选择Virtools作为电子技术虚拟实验室开发平台，开发流程如图2所示：

（1）模型构建。使用3ds Max软件构建虚拟场景和实验设备、器材模型。（2）动画制作。使用3ds Max软件对实验室场景中的虚拟人物或实验设备进行必要的动画制作，比如虚拟人物的行走、碰撞等，实验设备的打开与连接等。（3）场景导出。将在3ds Max软件中生成的场景和设备导出为Virtools可读格式。（4）交互设计。使用Virtools软件为模型添加交互行为，实现对真实实验的虚拟操作。（5）系统。把最后完成的虚拟实验教学系统成网页文件，或者打包成可执行文件，使学习者能使用虚拟实验系统。

（三）系统的实现

本实验系统用到的开发工具有：（1）3D 建模：3ds Max 8.0；（2）虚拟现实：Virtools 4.0；（3）程序编制：Virtools'BB＼SDK；（4）图形绘制：Flash CS3；（5）图像处理：Photoshop CS2。运行环境：Windows XP SP2；奔腾 4 处理器。用户登录界面如图3所示：

图4为本实验系统三维场景和实物图，图5为交通灯实验的电路模型和交通灯情景再现。

四、结束语

《电子技术》虚拟实验系统的应用，能缓解设备更新压力、提高实验效率，同时通过虚拟现实教学，能有效的发挥学生的各种感官作用，使学生接受更多、更具体、更完整的信息，有利于构建以学生为主体的教学模式。基于Virtools虚拟实验技术在电子技术教学中的应用，能有效地提高学生的实践能力、分析问题的能力和解决问题的能力，这是平常的CAI软件难以达到的。我们希望通过“电子技术虚拟实验系统”所提供的三维虚拟实验平台，让学习者能够身临其境地操控场景中的实验对象来完成课程实验，也为其他虚拟实验系统的开发和应用提供方法借鉴。

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作者简介：刘云芳（1973-），女，湖南湘潭人，湖南工业职业技术学院副教授，研究方向：电子信息工程。