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[摘要]阐述了虚拟技术在实验教学中的优势,着重探讨了虚拟仪器技术和虚拟现实技术的概念、特点及应用,给出虚拟技术在实验教学中的应用案例,并说明其重要作用及发展前景。
[关键词]虚拟技术 实验教学 虚拟仪器 虚拟现实
随着计算机软硬件的迅速发展,以LabView,Multisim,VRML,Java等为代表的计算机虚拟技术逐渐在实验教学中运用,并成为大专院校实验室建设的研究热点。当前院校实验教学的场地和设备普遍不足,资金短缺,严重限制学员动手实践能力的培养;同时,实验环节也是制约远程教育发展的重要因素。虚拟技术可以为这两方面的问题提供较好的解决方案。
一、虚拟技术在实验教学中的优势
虚拟技术最大限度地利用日新月异的PC功能,改进课程中的动手实践环节。它体现了现代教学手段和思想,是实验教学改革的必然发展方向。其主要优势具体体现在:
(1)节省投资,维护成本低
这是当前虚拟技术应用于实验教学的最大优势。许多传统实验仪器设备成本高、体积大,一般院校没有经济实力配备,使得实验教学成了纸上谈兵。利用虚拟技术构建虚拟实验环境,使用虚拟仪器代替传统仪器完成测量测试,充分利用实验室现有计算机资源,一机多用,可以大大降低实验室建设、改造与维护的资金、时间和空间成本,提高实验室使用效率,极大满足教学需求。
(2)资源共享,不受时空限制
作为基于网络信息技术的现代教育模式,虚拟实验操作不仅可以在实验室PC上进行,还可以在网络终端上进行,不受时间、空间的限制,仪器设备资源共享,满足个人学习需求。
(3)扩展性强,易于二次开发
软件模块易于修改和扩展,可以紧跟实际仪器和设备的技术进步进行二次开发,在无需购置硬件设备的情况下,实现产品功能的更新,确保了未来可用性以及系统调整或扩充的灵活性。
(4)自主操作,实时交互
学员可以自己选择实验项目和相关仪器设备,利用计算机交互操作,真正使教学活动以学员为中心,充分调动学员的学习积极性。
二、虚拟仪器技术和虚拟现实技术
虚拟技术是现代教育技术重要组成部分,在虚拟实验教学的研发中可以采取多种不同的软件工具和开发方法,目前有基于Flash技术、基于CAD软件、基于LabVIEW的虚拟仪器技术、基于Java技术和基于VRML的虚拟现实技术等,其中虚拟仪器技术和虚拟现实技术是当前探讨和应用的热点。
(一)虚拟仪器技术
虚拟仪器(Virtual Instruments),简称VI,是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式,其概念由美国NI公司于20世纪80年代中期首先提出。所有测量测试仪器的主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成,其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成,因此只要另外提供一定的数据采集硬件,便构成了基于计算机的测量测试虚拟仪器。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式,通过软件将计算机硬件资源与仪器有机地融合为一体,使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台,大大减少仪器硬件的成本并缩小了体积。
虚拟仪器的关键技术之一是应用软件,仪器的主要功能多是由软件来体现的。NI公司的LabVIEW、LabWindows及HP公司的VEE等为使用者提供了图形化、交互式的软件开发工具。这种基于G语言(图形化编程语言)的编程环境使设计者无需进行繁琐的计算机代码的编写,即可轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板。用户对虚拟仪器的操作是通过鼠标和键盘来完成的。
与传统的仪器相比,虚拟仪器除具有成本低、功能强大、便于升级与维护和易于同网络、外设相连等特点外,其主要优点是可以由用户自己定义、自己设计仪器系统,使仪器的功能更加强大、灵活,满足不同的要求。传统的电子测量分析仪器功能较为单一,完成一个教学、科研项目,有时需要多种仪器设备组合起来,成本高,占地面积大,使用不便。特别是实验教学,每种仪器都必须配置多套,对于价格昂贵的仪器设备,一般学校是难以承受的。仪器设备缺乏和过时陈旧等现象,严重影响教学科研。通过虚拟仪器技术,可以将多台传统仪器功能集成到一套用户自定义的虚拟仪器中,极大地提高教学科研的质量与效率。
(二)虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality),简称VR,是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的。20世纪90年代初,虚拟现实技术开始作为一门较完整的体系受到人们极大的关注。
虚拟现实技术是利用计算机系统人为创建一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟空间,具有向用户提供多种感知功能的能力,用户可以与虚拟环境中的实体进行交互,从而使用户沉浸其中,直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化,有亲身体验的感受。
根据“沉浸”程度的由低到高,可以划分出桌面式、沉浸式、增强现实式和分布式4种类型的虚拟,其中桌面型的虚拟现实技术使用简单,投入成本不高,在教育领域内可应用的范围很广。桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口,通过输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。
将虚拟现实技术与实验教学结合,构造虚拟实验室的优越性是显然易见的。“设备”多是“虚拟”的,可根据发展需要重新“生成”新设备,也可使“设备” 和教学内容在虚拟环境中不断更新,使学校教育可及时跟得上最新科技的发展;课堂教学不再局限于有形的教室中,教学活动的空间和时间得到了无形扩展;对于一些昂贵的设备,学生可以先通过对由计算机构造的虚拟设备进行操纵,等熟练后再使用该设备,可以大大地减少损坏的风险;对于一些有毒的化学实验,高压强电的实验,虚拟实验室的建造可以减低人身伤害的风险;虚拟现实展现立体化的空间场景,模拟显示和交互操作,学员在虚拟环境中成为参与者,对培养学员的应用技能起积极作用。
三、虚拟技术应用案例
针对我系通信实验室建设现状与通信士官培养需求,我们设计开发了试验通信士官虚拟训练系统。系统分为基于LabVIEW平台的虚拟仪器部分和基于VRML技术的虚拟设备部分,主要用于通信士官实验教学。通信测量仪器仪表的使用和通信设备的操作是我系通信士官实操培养的主要内容,通过虚拟训练系统的培训,学员可以很快适应实际通信机房工作环境,熟练使用仪器仪表和设备。
(一)通信用多功能虚拟仪器
虚拟仪器部分的软件实现采用LabVIEW编程,硬件实现采用NI的数据采集卡,集成了通信常用仪器仪表的功能,包括任意波形信号发生器、数字万用表、示波器、频谱分析仪、误码分析仪和话路分析仪等。传统的实验仪器仪表不仅需要大量的资金购置,而且占用大量的实验室空间,如图1所示。虚拟仪器仅仅需要一台带有DAQ卡的PC即可完成,如图2所示。
图1图2
当然要完成对外部信号的测量或内部信号的引出,还需要电缆和接线盒,接线盒用于连接信号,而电缆则将接线盒与数据采集卡相连(有些DAQ板卡带有接线端口)。虚拟仪器可以完全替代传统仪器使用。比如用虚拟示波器测量信号波形,将待测信号连接到接线盒的相应端口,信号经过接线盒、电缆进入到DAQ板卡完成信号的采集,被采集的信号经过PC的数据分析、处理,在PC的显示器上显示出波形和待测信号的相关数据。
系统中的各种虚拟仪器使用相同的硬件系统,将功能不同的测量仪器用软件集成为一体。每一种仪器的处理功能并非越强大越好,显示面板并非是某型号仪器的还原再现,而是根据通信士官实验教学和实际使用的需要自己来定义。
(二)虚拟通信机房设备
虚拟设备主要仿真通信机房内包括电源、程控交换机、光端机、配线架以及维护终端等主要设备。为了直观、有效的表现机房的工作环境和设备,系统采用虚拟现实技术来完成该部分的内容。
本部分设计为典型的桌面式虚拟现实系统,采用VRML语言编程实现,构造出通信机房和主要设备场景。在此之前的调研工作是非常重要的,要清楚地掌握当前通信设备的使用情况,确定虚拟设备的型号;熟悉设备的外观、内部结构和接口的分布状况;研究设备的基本功能、工作原理及信号流程。
用户通过点击鼠标,进入虚拟通信机房,看到排列的设备机柜以及操作终端。用户可以“走到”某设备前,打开柜门,看到内部各个机箱,可以拔出或插入某块板卡,还可以安装和调整配线。用户可以“坐到”虚拟操作终端前,对设备运行状况进行监控。
除了完成基本的浏览和操作功能外,系统还设计加入了设备常见故障库。教员可以调用故障库的数据,人为给设备设置故障,系统会出现相应的现象显示,比如设备告警灯亮,监控终端的告警描述,学员则根据所学知识进行排障训练。
四、结束语
社会对人才的实践和动手能力的要求越来越高,实验条件的限制使得传统实验无法满足人才培养的需求。虚拟技术以其先进的理念和得天独厚的优点,为实验教学提供了全新的教学手段,并正在成为传统实践教学的重要补充。虽然虚拟技术的应用普及以及网络化发展还有待于进一步的研究,但可以肯定,虚拟技术必将成为院校实验教学中的重要手段,对实验室建设起到巨大促进作用。
[参考文献]
[1] 王新刚,陈霞,余洁. 关于虚拟实践教学环境构建的探讨[J].教育与职业,2007.5(2):160-162.
[2] 雷勇. 虚拟仪器设计与实践[M]. 北京:电子工业出版社,2005.
[3] 韦有双,杨湘龙,王飞. 虚拟现实与系统仿真[M]. 北京:国防工业出版社,2004.
[4] 梁宇涛. 虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2006.23(3):81-85.
(作者单位:1.北京总参谋部61932部队,2.北京装备指挥技术学院士官系)
[关键词]虚拟技术 实验教学 虚拟仪器 虚拟现实
随着计算机软硬件的迅速发展,以LabView,Multisim,VRML,Java等为代表的计算机虚拟技术逐渐在实验教学中运用,并成为大专院校实验室建设的研究热点。当前院校实验教学的场地和设备普遍不足,资金短缺,严重限制学员动手实践能力的培养;同时,实验环节也是制约远程教育发展的重要因素。虚拟技术可以为这两方面的问题提供较好的解决方案。
一、虚拟技术在实验教学中的优势
虚拟技术最大限度地利用日新月异的PC功能,改进课程中的动手实践环节。它体现了现代教学手段和思想,是实验教学改革的必然发展方向。其主要优势具体体现在:
(1)节省投资,维护成本低
这是当前虚拟技术应用于实验教学的最大优势。许多传统实验仪器设备成本高、体积大,一般院校没有经济实力配备,使得实验教学成了纸上谈兵。利用虚拟技术构建虚拟实验环境,使用虚拟仪器代替传统仪器完成测量测试,充分利用实验室现有计算机资源,一机多用,可以大大降低实验室建设、改造与维护的资金、时间和空间成本,提高实验室使用效率,极大满足教学需求。
(2)资源共享,不受时空限制
作为基于网络信息技术的现代教育模式,虚拟实验操作不仅可以在实验室PC上进行,还可以在网络终端上进行,不受时间、空间的限制,仪器设备资源共享,满足个人学习需求。
(3)扩展性强,易于二次开发
软件模块易于修改和扩展,可以紧跟实际仪器和设备的技术进步进行二次开发,在无需购置硬件设备的情况下,实现产品功能的更新,确保了未来可用性以及系统调整或扩充的灵活性。
(4)自主操作,实时交互
学员可以自己选择实验项目和相关仪器设备,利用计算机交互操作,真正使教学活动以学员为中心,充分调动学员的学习积极性。
二、虚拟仪器技术和虚拟现实技术
虚拟技术是现代教育技术重要组成部分,在虚拟实验教学的研发中可以采取多种不同的软件工具和开发方法,目前有基于Flash技术、基于CAD软件、基于LabVIEW的虚拟仪器技术、基于Java技术和基于VRML的虚拟现实技术等,其中虚拟仪器技术和虚拟现实技术是当前探讨和应用的热点。
(一)虚拟仪器技术
虚拟仪器(Virtual Instruments),简称VI,是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式,其概念由美国NI公司于20世纪80年代中期首先提出。所有测量测试仪器的主要功能可由①数据采集②数据测试和分析③结果输出显示等三大部分组成,其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成,因此只要另外提供一定的数据采集硬件,便构成了基于计算机的测量测试虚拟仪器。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式,通过软件将计算机硬件资源与仪器有机地融合为一体,使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台,大大减少仪器硬件的成本并缩小了体积。
虚拟仪器的关键技术之一是应用软件,仪器的主要功能多是由软件来体现的。NI公司的LabVIEW、LabWindows及HP公司的VEE等为使用者提供了图形化、交互式的软件开发工具。这种基于G语言(图形化编程语言)的编程环境使设计者无需进行繁琐的计算机代码的编写,即可轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板。用户对虚拟仪器的操作是通过鼠标和键盘来完成的。
与传统的仪器相比,虚拟仪器除具有成本低、功能强大、便于升级与维护和易于同网络、外设相连等特点外,其主要优点是可以由用户自己定义、自己设计仪器系统,使仪器的功能更加强大、灵活,满足不同的要求。传统的电子测量分析仪器功能较为单一,完成一个教学、科研项目,有时需要多种仪器设备组合起来,成本高,占地面积大,使用不便。特别是实验教学,每种仪器都必须配置多套,对于价格昂贵的仪器设备,一般学校是难以承受的。仪器设备缺乏和过时陈旧等现象,严重影响教学科研。通过虚拟仪器技术,可以将多台传统仪器功能集成到一套用户自定义的虚拟仪器中,极大地提高教学科研的质量与效率。
(二)虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality),简称VR,是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的。20世纪90年代初,虚拟现实技术开始作为一门较完整的体系受到人们极大的关注。
虚拟现实技术是利用计算机系统人为创建一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟空间,具有向用户提供多种感知功能的能力,用户可以与虚拟环境中的实体进行交互,从而使用户沉浸其中,直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化,有亲身体验的感受。
根据“沉浸”程度的由低到高,可以划分出桌面式、沉浸式、增强现实式和分布式4种类型的虚拟,其中桌面型的虚拟现实技术使用简单,投入成本不高,在教育领域内可应用的范围很广。桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口,通过输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。
将虚拟现实技术与实验教学结合,构造虚拟实验室的优越性是显然易见的。“设备”多是“虚拟”的,可根据发展需要重新“生成”新设备,也可使“设备” 和教学内容在虚拟环境中不断更新,使学校教育可及时跟得上最新科技的发展;课堂教学不再局限于有形的教室中,教学活动的空间和时间得到了无形扩展;对于一些昂贵的设备,学生可以先通过对由计算机构造的虚拟设备进行操纵,等熟练后再使用该设备,可以大大地减少损坏的风险;对于一些有毒的化学实验,高压强电的实验,虚拟实验室的建造可以减低人身伤害的风险;虚拟现实展现立体化的空间场景,模拟显示和交互操作,学员在虚拟环境中成为参与者,对培养学员的应用技能起积极作用。
三、虚拟技术应用案例
针对我系通信实验室建设现状与通信士官培养需求,我们设计开发了试验通信士官虚拟训练系统。系统分为基于LabVIEW平台的虚拟仪器部分和基于VRML技术的虚拟设备部分,主要用于通信士官实验教学。通信测量仪器仪表的使用和通信设备的操作是我系通信士官实操培养的主要内容,通过虚拟训练系统的培训,学员可以很快适应实际通信机房工作环境,熟练使用仪器仪表和设备。
(一)通信用多功能虚拟仪器
虚拟仪器部分的软件实现采用LabVIEW编程,硬件实现采用NI的数据采集卡,集成了通信常用仪器仪表的功能,包括任意波形信号发生器、数字万用表、示波器、频谱分析仪、误码分析仪和话路分析仪等。传统的实验仪器仪表不仅需要大量的资金购置,而且占用大量的实验室空间,如图1所示。虚拟仪器仅仅需要一台带有DAQ卡的PC即可完成,如图2所示。
图1图2
当然要完成对外部信号的测量或内部信号的引出,还需要电缆和接线盒,接线盒用于连接信号,而电缆则将接线盒与数据采集卡相连(有些DAQ板卡带有接线端口)。虚拟仪器可以完全替代传统仪器使用。比如用虚拟示波器测量信号波形,将待测信号连接到接线盒的相应端口,信号经过接线盒、电缆进入到DAQ板卡完成信号的采集,被采集的信号经过PC的数据分析、处理,在PC的显示器上显示出波形和待测信号的相关数据。
系统中的各种虚拟仪器使用相同的硬件系统,将功能不同的测量仪器用软件集成为一体。每一种仪器的处理功能并非越强大越好,显示面板并非是某型号仪器的还原再现,而是根据通信士官实验教学和实际使用的需要自己来定义。
(二)虚拟通信机房设备
虚拟设备主要仿真通信机房内包括电源、程控交换机、光端机、配线架以及维护终端等主要设备。为了直观、有效的表现机房的工作环境和设备,系统采用虚拟现实技术来完成该部分的内容。
本部分设计为典型的桌面式虚拟现实系统,采用VRML语言编程实现,构造出通信机房和主要设备场景。在此之前的调研工作是非常重要的,要清楚地掌握当前通信设备的使用情况,确定虚拟设备的型号;熟悉设备的外观、内部结构和接口的分布状况;研究设备的基本功能、工作原理及信号流程。
用户通过点击鼠标,进入虚拟通信机房,看到排列的设备机柜以及操作终端。用户可以“走到”某设备前,打开柜门,看到内部各个机箱,可以拔出或插入某块板卡,还可以安装和调整配线。用户可以“坐到”虚拟操作终端前,对设备运行状况进行监控。
除了完成基本的浏览和操作功能外,系统还设计加入了设备常见故障库。教员可以调用故障库的数据,人为给设备设置故障,系统会出现相应的现象显示,比如设备告警灯亮,监控终端的告警描述,学员则根据所学知识进行排障训练。
四、结束语
社会对人才的实践和动手能力的要求越来越高,实验条件的限制使得传统实验无法满足人才培养的需求。虚拟技术以其先进的理念和得天独厚的优点,为实验教学提供了全新的教学手段,并正在成为传统实践教学的重要补充。虽然虚拟技术的应用普及以及网络化发展还有待于进一步的研究,但可以肯定,虚拟技术必将成为院校实验教学中的重要手段,对实验室建设起到巨大促进作用。
[参考文献]
[1] 王新刚,陈霞,余洁. 关于虚拟实践教学环境构建的探讨[J].教育与职业,2007.5(2):160-162.
[2] 雷勇. 虚拟仪器设计与实践[M]. 北京:电子工业出版社,2005.
[3] 韦有双,杨湘龙,王飞. 虚拟现实与系统仿真[M]. 北京:国防工业出版社,2004.
[4] 梁宇涛. 虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2006.23(3):81-85.
(作者单位:1.北京总参谋部61932部队,2.北京装备指挥技术学院士官系)