虚拟现实技术在电子教学中的应用

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【摘要】随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术中的“虚拟仪器”和“虚拟电子实验室”等技术已迅速应用在电子测量和电子实验教学等领域。基于虚拟仪器的虚拟电子实验室技术也将会应用到电子教学当中，这项技术对于电子技术课程的教学变革将产生深远的影响。

【关键词】虚拟现实;虚拟仪器;电子教学

2010年的年初，詹姆斯.卡梅隆的3D电影《阿凡达》席卷了全世界，这部电影完全颠覆了人们心目中传统电影的概念，艺术表现技术发生了质的飞跃，为全世界展现出了宏伟壮观的视觉效果，特别利用了三维立体的电影技术，现在的电影艺术里已经把这项技术作为重要的卖点。电影不仅让观众深深体验到前所未有的三维的视觉和心灵的冲击，同时3D技术也成为了人们关注的焦点。近年来，随着科学技术的成熟，3D技术应用于越来越多的领域，除了全国人民都比较熟悉的3D电影技术，电视与游戏的3D技术也正在兴起，同时虚拟社区的3D商店和虚拟现实技术也逐渐走进了高校的电子教学中。虚拟现实技术在电子测量领域的应用非常广泛，其中也包括电子设计和虚拟实验等。虚拟系统中的编程语言LabVIEW等课程是高校理工科学生和必修课程。目前国内的大学都配有虚拟电子实验室，其中大量应用虚拟现实技术的电子实验教学软件。为了方便教学，学校专门建立虚拟电子实验图像的交互式的教学平台，由电子计算机辅助教学，并且还可以对电路和虚拟实验的非损耗设备进行定期检测，教学设备的类型多样，实验成本低且效率高。

一、虚拟现实技术概述

一般来说，只要是通过三维模型实现人机交互的操作就都可以被称为虚拟现实的技术。虚拟现实的定义还可以用更为严格概念表述：就是指通过虚拟仪器的操作，然后应用到相应的实际场景中，并赋予这个场景一定的功能显示。例如3D汽车模型，当车辆的三维模型制作出来后，可以允许用户选择这个三维模型所处的背景，可以是运行在城市或乡村的路上，它允许用户编写动作脚本为这个虚拟模型进行定义，满足各个要素后得到的才是最完整的“虚拟现实”。

虚拟现实还应该具有以下的特点：

多感知性：这个特点是指虚拟现实不仅能够表现出来计算机技术赋予的特点，通常它还具有听觉、触觉、运动甚至包括味觉、嗅觉的感知功能。

浸没感：又称临场感知，这个特点是指模拟环境的仿真度达到理想的状态，使身临其境的用户难以分辨真假，用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，所有的环境是真实的，就像在现实世界中一样。

互动性：用户在虚拟环境中的可操作程度以及反馈程度，具体的说就是用户可以通过直接接触的方式来控制虚拟环境中的对象，并能感觉到物体的重量等具体信息，用户也可以直接操控视觉对象。

构想性：它是指虚拟现实技术可以创造出一个广泛的空间，可以通过想象扩大用户的认知范围，可以不受真实环境限制而随意的想象，哪怕是现实环境中不可能发生的。

二、在电子教学中应用虚拟现实技术

现在我们所说的虚拟现实技术的本质主要是指人与计算机之间信息交流的技术，针对虚拟现实技术的特点，我们可以把这一技术应用于电子教学过程中，提高教学质量。

1.虚拟教学与虚拟实验

虚拟现实技术能够为为学习者提供丰富的学习资源和学习材料，借助于虚拟现实技术，教师和学生可以在虚拟环境中观察到一些关键问题，让学生在亲身体验中获得实践经验，大大提高了他们对抽象知识的理解能力和对所学内容的控制能力。虚拟实验主要是利用虚拟现实技术建立各种虚拟实验室，根据教学的需要可以在任何时间内，并以任何形式虚拟各种各样的教学设备，教学内容可以不断更新，使教学训练能够与科技的发展速度同步，为学生提供生动逼真的学习环境。

2.虚拟仿真校园

以虚拟现实技术为基础建立远程教育平台，为学生提供移动学习空间，因为高校扩招，目前学校的学生人数已经达到了一定的规模，相比而言学校的教学资源出现了紧张的现象，远程教育通过课程目录和网站程序的交互式远程教学，为每个远程终端开放继续教育，可以提供更多的学习机会和专业技术培训，也能为社会创造更多的经济效益。

三、虚拟仪器在电子教学中的优势

在教学过程中，完整的测试仪器会由许多不同的仪器组成， 这些虚拟仪器和计算机网络互连，网络模块可以建立通信系统与远程应用工具交流信息，通过互联网电子邮件系统的功能为远程实验教学创造了有利条件。

虚拟仪器拥有强大的数据处理功能，它以计算机技术为核心技术，使用虚拟仪器可以很容易地测量变量，并且清晰的显示测量分析的过程。而传统仪器的测量存在一定误差，虚拟仪器的测量速度快、精度高，优势比较明显。

虚拟实验的设计和测试是各种电子电路等电路虚拟实验的反馈，教师可以设计计算机“虚拟组件”和“虚拟测试仪”工作平台，学生通过远程网络学习后访问学校的虚拟实验室系统，执行应用程序即可进行虚拟实验，测试的结果和模拟分析过程都会存储在磁盘上，有且于学生对于学习结果的巩固。

虚拟电子实验室为学生创建了一个理想的测试环境，构建新的教学模式，促进学生的创新能力，教学结果的验证实验方案也可以选择解决具体生活中的问题，如数字电路课程结束后，学生可以把虚拟实验室中的操作用于声控灯、报警电路、控制电路和控制电子交通灯的电路设计，不仅可以提高学生学习的积极性，还有助于提高教学质量和学生的动手操作能力。教师还可以利用虚拟电子实验室设计一些高难度的综合设计，例如数字钟里的计数、译码和分频电路对于钟表数字显示的控制，集成的组合逻辑电路和时序逻辑电路等，进一步培养学生的能力。

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