虚拟仿真技术在教学实验系统中的应用研究

摘要:简要介绍了虚拟仿真技术,描述了教育领域中虚拟实验的概念,构建了虚拟仿真教学实验系统的结构模型,给出了微机接口电路教学实验系统的虚拟仿真设计实例,指出虚拟仿真技术在教学实验系统应用中需要注意的问题。

关键词:虚拟仿真;教学实验系统;应用

中图分类号:TP391.9 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 05-0000-01

Application of Teaching&Experiment System in Virtual Reality

ShanzengLiangjie

(Northwest University for Nationalities,Mathematics and Computer Science College,Lanzhou730000,China)

Abstract:The paper introduced the conception of virtual reality and virtual labs in the field of education,and constructed the structure model of teaching and experiment system with virtual reality.A design example of computer interface experiment teaching and experiment system with virtual reality was presented,and the major problems which need to be aroused during the process of making application of virtual reality in virtual labs were pointed out.

Keywords:Virtual reality;Teaching and Experiment System;Application

一、引言

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。虚拟现实技术是先进的人―计算机接口技术,其实质是利用计算机产生一个三维的、基于感知信息的临场环境。人可以参与和控制环境,同时环境能够对人的控制行为做出动态的交互反应。系统仿真技术是随着计算机技术的发展而形成的新兴学科,它是通过建立真实系统的数学模型,利用计算机来达成对系统的分析、研究、设计等目的。目前,虚拟仿真技术在军事、教育、医学、工业设计等多个领域都得到了应用。在教育教学领域,虚拟仿真技术能够进行教学活动或实验操作的模拟,具有经济性好、安全性高以及可重复等多种优势,已经开始替代某些费时、费力、费钱的真实试验和教学演示,对传统的教学活动产生了强烈冲击,引发了教学领域产生一系列深刻的变化。

二、虚拟实验的概念

虚拟实验是指借助于多媒体、系统仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造辅助实验、部分替代甚至全部替代传统实验各个操作环节的相关软硬件平台。虚拟实验是建立在一个虚拟的实验环境(仿真平台)之上,其重点关注的是实验操作的交互性和实验结果的真实性,因此,在虚拟实验室或者实验设备上,实验者可以完全像在真实的实验环境中一样完成各种实验项目,所进行的操作就像是在真实的实验设备上进行的,并且能够取得不低于或者超出在真实实验环境中或者在真实设备上所取得的实验效果。尤其对于一些对经费、场地和器材等方面都要求较高的实验,虚拟实验具有相当的优势。尤其随着网络技术的发展,基于网络的虚拟实验更是突破了传统实验对“时间和空间”方面的限制,不论是实验者还是指导教师都可以方便的上网进入虚拟实验室进行各种实验,虚拟实验的开展极大的促进了教学实验活动的进行。

三、虚拟仿真教学实验系统的模型结构和实例分析

(一)虚拟仿真教学实验系统的模型

虚拟教学实验系统的设计的着眼点主要建立在对实物实验设备和实验环境的仿真上,包括对实验场景和实验对象的实体仿真以及实验对象内部的数学仿真,对应的仿真模型是实体模型和数学模型,具体的模型结构如图1所示。

图1虚拟仿真教学实验系统的模型结构

在这样的模型结构中,实体模型的优劣程度直接影响虚拟实验的真实感与交互性,而数学模型的精确程度则影响着实验的效果和实验质量。在虚拟实验系统的模拟中,为了逼真地模拟出实验场景,使实验仪器和元器件等对象在外形上与操作上都具有真实感,一般采用三维建模技术进行场景和实体的建模。对于数学模型的构建,则是依据系统之间的相互关系和内在联系机制,依据成熟的理论和模型在分系统之间建立确定的对应关系。因此,对于不同的虚拟实验类型,一般具有不同的数学模型。

(二)微机接口电路教学实验系统的虚拟仿真设计实例

下面介绍了基于虚拟仿真技术建立的微机接口电路教学实验系统设计实例。传统微机接口电路实验中,需要专门的硬件实验设备与普通微机相连,实验的主要过程是在微机中利用asm等工具软件进行接口实验程序的调试操作。其基本过程如图2所示。

图2微机接口电路“半虚拟化”设计方案

对这一基本实验采用虚拟仿真技术进行虚拟教学实验系统设计,应该主要针对“专用硬件实验台”进行虚拟化设计,其实现难点在于真实的实验软件与虚拟的接口电路之间进行虚拟“连接”。利用Windows对底层硬件设备的管理和访问控制方法,可以设计专门的设备驱动程序(VxD)软件来代替外部的实验接口电路。具体的应用技术和设计方法如图3。

图3虚拟硬件接口电路实现方法

(三)虚拟仿真技术在教学实验系统中应用需要注意的问题

随着虚拟仿真技术在教学实验系统的应用日益广泛,在具体实践中也需要注意两个问题:首先,注意强化虚拟仿真技术与多媒体技术的有机结合。多媒体技术具有直观、逼真的视觉效果,有利于构建和营造逼真的实验环境,要充分利用、虚拟技术来,营造逼真的训练工作环境,仿真技术则通过建立真实的数学模型,能够进行实时仿真,这两者之间的融合,有利于构建真实环境下的实时仿真平台,实现虚拟与仿真的无缝联接。其次,根据不同实验的特点确定虚拟教学实验系统的设计思想和仿真工具。虚拟教学实验系统的开发应该注意将实验工程环境的开发和实验仿真过程开发进行结合,一般把仿真过程主要在后台运行,强调实时性和可靠性,而具体的实验工程环境的运行作为前台,强调真实性和高仿真性。因此需要根据具体的实验需求加以侧重。

三、结束语

虚拟仿真技术应用于教学实验系统,是对实物实验的补充、完善和扩展,能够保证实验教学系统中具有良好的开放性和具有真实感的交互,必将引发实验教学领域的深刻变化,虚拟仿真实验教学也将成为实验教学改革的一个重要方向。

参考文献:

[1]嵇萍,刘泗岩.虚拟仿真实验在单片机教学中的应用[J].中国现代教育装备,2009,17:94~96

[2]陈俊,强俊,田丽.虚拟平台在高职单片机教学改革中的应用探索[J].电子技术,2009,07:43~44