摘要：本文阐述了将虚拟现实技术应用到虚拟实验教学中心建设的理论过程。同时针对哈尔滨工程大学计算机虚拟实验教学中心的实际建设情况进行了详细的论证。
关键词：虚拟；实验室；教学
中图分类号：G642文献标识码：B
文章编号：1672-5913 (2007) 24-0034-03
1绪论
计算机硬件教育的实践性非常强，设备仪器的升级换代速度非常快，特别是当前创新教育引领学生发展的环境下，平均不到两年，设备的配置就已无法满足学生的创新实验需要，由于设备仪器的被动淘汰，必然产生大量的更新需求，因此，高额的采购费用始终是高校硬件实验教学大踏步发展和改革的瓶颈。
计算机硬件教育的资源十分有限，目前门类繁多的硬件实验教学体系课程，特别是实验中心全面开放导致的学生数量猛增，硬件设备无法保证人均占有率，同时，由于设备的长时间运转，也无形中增加了设备的磨损和维修频率。对于实验室的整体教学资源是一种负担。
在这样的强势需求下，利用虚拟现实技术搭建虚拟实验教学中心势在必行。虚拟实验教学中心，具有多方面的优势和潜力。它可以减轻教学人员的负担，使教学人员更多地投入到实验教学改革中去；它可以满足任意数量学生在任意时间的网上实验；它可以很容易地实现系统升级，调整设备配置，以插件的方式对虚拟设备进行升级；它只需要按照相应设备的逻辑本质，定义虚拟元器件就可以帮助学生进行更多地创新实验。
2虚拟现实技术
典型的虚拟现实系统有以下几部分组成，如图1所示：
图1 虚拟世界结构化模型
1) 虚拟建模系统。建模系统是虚拟世界的支撑软件。根据用户需求和定义好的处理逻辑，建模系统可以完成虚拟世界的建设工作，并将其与客观世界达成映射。
2) 视景生成器。视景生成器是虚拟系统的UI部分，它人机交互的接口，用户通过视景生成器定义的图形图像进行操作，达到在虚拟世界仿真分析的目的。视景生成器根据不同的逻辑定义不同的视景展现顺序。
3) 知识库系统。知识库系统是虚拟世界运行和维护的资源库，虚拟世界的视景的实际意义在知识库中都有定义，虚拟元素之间的关系，虚拟电路的逻辑推动引擎，对虚拟电路的判定等均根据知识库中的数据定义。
4) 虚拟组件系统。它主要提供在虚拟环境下对虚拟元素的设计和管理。如虚拟元器件的类型，大小，颜色的设置；虚拟环境下的视景的调节，虚拟世界的世界调整，坐标变换等。
传统的教学方式以讲为主，辅之以实验验证，使学生缺乏主动思维的能力和主动性，在潜意识中认为老师讲的就是对的，而实验验证只是走过场。对于创新人才的培养，最注重的恰恰是实践能力的培养，由实验转为实践，不仅仅是教学内容由验证型向设计型，综合型的形式转变，它更注重的是教学方法的改变，即教师少讲内容，多引导学生思维。虚拟实验中心面向新的培养目标能够有的放矢地进行模拟实验演示，仿真实验数据分析，综合型实验检测，问题跟踪等一系列需要教师和学生进行1:1授课才有可能真正意义完成的教学任务。
此外，虚拟实验中心依托于校园网络，可以弥补设备资源的不足，实验室开放与学习任务冲突等问题，可以实现最大负荷情况下的多人数在线虚拟实验。在虚拟实验室，教师是建设者，虚拟仿真实验室是服务人员，监控系统是后勤保障。其结构如图2所示：
图2 虚拟实验教学中心基本结构
(1) 多个用户可以同时登录虚拟实验教学中心，用户的基本信息与教务处学生信息管理系统直接相连，数据跨平台共享；
(2) 根据登录信息，记录其登录后的访问行为，即如实验日志，包括实验人员名称，实验时间，在线时长，实验内容，操作是否规范，操作是否熟练，对于随机问题的排错和调试能力等；
(3) 根据实验的基本考核点，计算其实验成绩，如对于数字逻辑虚拟实验，学生的实验成绩
M=(实验完成时刻-开始时刻)/实验规定完成时间*0.3+(实际配错数目/随机产生错误数据)*0.2+实验结果是否正确*0.5
其中，对于数字逻辑虚拟实验来说，实验结果是否正确，是由系统知识库自动输入数据，根据输出结果，动态输出的权值，该值的范围在0.5~1之间取值。对于不同的实验类型和内容，系统依据知识库进行不同的判定和成绩输出。
学生的成绩最终存储到成绩库，该数据库为中心与教务系统互联，成绩由系统自定判定，并定时备份和上传，无法更改。
(4) 虚拟实验教学中心，现包括四个硬件虚拟实验室：数字逻辑及电路虚拟实验室，可编程逻辑及数字系统虚拟实验室，嵌入式系统虚拟实验室，计算机技术创新虚拟实验室，每个虚拟实验室内部运行结构如图3：
图3 虚拟实验室内部运行结构
以数字逻辑及电路虚拟实验室为例：学生完成登录操作，可以浏览虚拟实验教学中心基本介绍，在虚拟环境下参观教学中心。
●学生选择进入数字逻辑及电路虚拟实验室，虚拟电子门禁自动记录该人员进入实验室时间；
●进入实验室，可多角度观察该实验室，进入某位置入座；
●根据实验目标，学生可根据需要选择虚拟元器件类型和数目。如果选择不理想，在后期实验过程中，可以动态申请元器件数目和类型。但对于指定元器件的数目和类型的实验，选择是无效的；
●向虚拟实验室的虚拟网络管理员申请要进行实验的内容，系统会进行虚拟环境快速建模，针对实验内容搭建虚拟实验平台，同时实验评判系统开始工作，记录学生的开始时间和每一个实验操作及对随机错误的调试等，随机错误由知识库生成，特别地，知识库还存储着实验内容的演示结果，虚拟元器件的逻辑内容；
●学生开始进行实验，检查完毕，申请结束；
●专家系统启动，根据所完成数字逻辑电路，实测输入输出，并和理论值进行比较，对于错误的结果，回溯逻辑电路，找到问题并记录；
●计算成绩M，并结合知识库，由专家系统提出电路存在的问题和不足；
●学生可选择性的观看正确的实验操作过程和演示，也可以选择回放自己的实验过程，加深理解；
●离开实验室，门禁系统登记，注销该用户；
3虚拟现实技术的具体应用
虚拟实验室的建设完全遵循虚拟现实技术的组成要素，以数字逻辑及电路虚拟实验室为例：主要包括数字电路运行及展示效果发生器，实验环境快速建模仿真器以及实验室实景仿真器以及虚拟实验室应用管理系统，组件构造系统。
(1) 数字电路运行及展示效果发生器，负责学生对虚拟元器件的操作接口，例如当用户选择某元器件，并对该元器件进行移动，添加到任意位置；同时，还负责对虚拟电路运行的演示效果，如逻辑值输入到输出的演示过程，专家系统判定的错误连线提示等情况提示；特别地，负责对动态展示效果的定义。
(2) 实验环境快速建模仿真器以及实验室实景仿真器，是虚拟实验室建设的核心部分。首先，定义了虚拟实验室的运行逻辑，即上述的整体运行过程；其次，定义了虚拟实验室实验内容的操作流程和控制行为的管理；再次，定义了系统同数据库，特别是知识库以及专家系统得互联和访问机制；特别地，定义了实验室运行和维护的基本准则和逻辑流程。
(3) 虚拟实验室应用管理系统，是实验室正常运行的软件保障，包括用户管理，数据库访问管理，逻辑元器件基础信息管理，实验内容管理，逻辑知识管理，专家系统，知识库定义和更新等内容。
(4) 组件构造系统，定义了虚拟元器件的类型和图形展示方案；定义了虚拟实验中心的图形展示和方案；定义了所有动态演示方案；
由以上4个部分组成了数字逻辑及电路实验室，从图形界面到动态效果仿真，从实验室运行维护到同教务等其它系统的交互访问；从专家系统判定实验到知识库更新，增加新的实验内容；从学生访问实验室到教室建设和加强虚拟实验室的功能，所有的工作都是围绕以上4个部分进行，并展开升级工作的。
4结论
虚拟现实技术以其良好的应用基础和理论应用前景，受到越来越多高校的青睐，特别是伴随着高校有限资源同广泛的教学需求之间的日益加深的矛盾，基于虚拟现实技术的虚拟实验教学实验室的建设显得迫在眉睫。
哈尔滨工程大学计算机实验教学中心继承和发扬“哈军工”的优良传统，经多年实践，中心积累了丰厚的教学经验，确立了“强基础、重能力、抓创新”的教学理念，伴随着虚拟实验教学中心的建立，实验教学中心的实验教学充满生机和活力，深受广大学生欢迎。虚拟实验教学中心为大学生的创新能力、动手能力、协作能力的培养发挥了不可替代的重要作用。
参考文献
[1] 曾芬芳. 虚拟现实技术[M]. 上海交通大学出版社，1997.
[2] 汪成为，高文，王行仁. 灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M]. 北京清华大学出版社，广西科学技术出版社，1996.
[3] [美] VinceJ. Virtual Reality Systems[M]. Addison Wesley Publishing，1998.
[4] 方恺晴，石琳，林亚平. 虚拟电子实验台在实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索，2000，(1).
[5] 赵沁平，陈小武. 虚拟现实技术与应用[J]. 中国计算机报，2001，(2).
作者简介
武俊鹏(1962-)，男，副教授，哈尔滨工程大学计算机专业实验教学中心主任，1984年7月毕业于哈尔滨船舶工程学院(现哈尔滨工程大学)计算机科学与技术专业，获工学学士，现主要从事实验室管理、专业实验教学和嵌入式技术的研究工作。wujunpeng@hrbeu.edu.cn
孙建国(1981-)，男，博士研究生，哈尔滨工程大学计算机专业实验教学中心教师，现主要从事嵌入式系统研究以及仿真技术研究工作。
张国印(1962-)，男，工学博士，教授，博士生导师。主要研究领域为嵌入式系统、网络与信息安全、智能控制与智能机器人、传感技术与信息处理等领域。
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