利用虚拟现实技术实现电子类专业人才培养创新新模式

虚拟现实技术在电子类专业实验教学新模式的研究与应用徐东辉(宜春学院，336000)[摘要]虚拟现实技术是实验教学中最具有优势和发展潜力的一项技术,其深度应用将推动实验教学模式的改变.本文总结了虚拟现实技术的基本特征，并根据高校实验教学的现状,探讨了虚拟现实技术在电子类专业实验新模式方面的应用,对如何利用虚拟现实技术加强、促进实验教学进行了分析和展望。关键词：虚拟现实技术，实验教学，电子类专业[Abstract]thevirtualrealitytechnologyistestsintheteachingmosttohavethesuperiorityandadevelopmentpotentialtechnology,itsdepthapplicationwillimpeltheexperimenteducationalmodelthechange.Thisarticlesummarizedthevirtualrealitytechnologybasiccharacteristic,andteststheteachingaccordingtotheuniversitythepresentsituation,hasdiscussedthevirtualrealitytechnologyintheelectronclassspecializedexperimentnewpatternaspectapplication,howtousedthevirtualrealitytechnologytostrengthen,thepromotionexperimentteachinghascarriedontheanalysisandtheforecast.Keyword:Virtualrealitytechnology,experimentalteaching,electronclassspecialty虚拟现实技术是一种综合应用各种技术有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术，是当前现代教育技术中的前沿技术。将虚拟现实技术应用于教学，使学生由知识的被动接受者变成了虚拟环境中的一名参与者，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用因此，虚拟现实技术在高等学校教学环节中具有广阔的应用前景。1、传统电子类专业实验教学中存在的弊端对电子类专业及相关学科而言，电子技术、单片机技术等基础课程是必须掌握的基本技术。为了巩固课堂所学的理论知识，培养和训练学生的掌握知识和运用知识的能力，现在各高校的电子类专业的课程都有实验课和课程设计课。电子类专业的课程设计实验课是培养应用型人才，树立学生实践观念，培养学生发现问题、分析和解决实际问题能力，启迪学生思维，提高学生综合分析能力和创造能力的重要途径，但由于电子类专业的课程抽象难懂，大多数学生感到掌握起来有一定的难度，常常感到内容庞杂、头绪纷乱、枯燥无味、无所适从，通过对几届学生的掌握情况看，学习效果不是十分的理想，最明显的表现是，在学生的毕业设计中，许多需要用到单片机、电子等方面的知识，但真正能自由应用单片机、电子等方面的技术并且能独立进行设计的学生很少，目前在教学过程中存在以下的弊端：（1）由于涉及硬件的课程比较枯燥。而且学生看不到芯片里面的东西。很多知识都是老师讲讲而已，而电子类专业课程内容涉及较多的硬件设备，老师不能现场演示硬件设备相关知识点，因此教学效果不明显。（2）由于目前大多数的电子类专业实验都是利用一些大公司已经做好的实验箱，学生根据其提供的实验教材，进行所谓的实验。其实这种实验都是学生搭搭线、编编程。甚至有的实验系统连程序都提供给学生。因此这样的验证性实验对学生的锻炼意义不大，很多同学因此都失去了兴趣。更不要说让学生去进行完整的系统设计(包括软硬件设计)。（3）即使有些学生认真做实验。但是基本上每次学生都是用同一套硬件，而电子类专业芯片的种类繁多。使得学生失去了解其他类型芯片的机会。另外实验箱的价格一般比较高。如果学生较多的化很难保证人手一套。因此实验课对于有些学生来说并没有起到真正的目的。（4）学生课内实验时间毕竟有限，学生除了上课外，平时难得有机会实践。个人配备电子类专业的实验开发系统，因成本较高。很多学生无法承受，这样也限制了学生动手能力的提高。2、虚拟现实技术对电子类专业实验教学的作用虚拟现实技术应用于实验教学可以为学生提供生动、逼真的学习环境，使学生更形象地获取知识、激发思维。（1）教学内容虚拟现实化突破时间空间限制再现真实世界的物体、现象或事物的变化过程。在教学中有很多知识所反应的事物虽是客观存在的，但无法一一呈现在学生面前，利用虚拟现实技术可再现之，为学生提供生动、逼真、感性的虚拟学习材料，帮助学生理解。有利于激发学生的创造性思维，进行主动的探索性学习，培养学生的创造能力。（2）教学实验虚拟现实化利用虚拟现实技术，可以建立电子技术、物理、化学等各种虚拟实验室。具体地说，虚拟实验具有众多传统实验难以比拟的优势：①节省实验成本。实验不消耗实验材料，可不限次数的重复操作。②安全。在虚拟实验环境中可以放心地去做各种危险实验。③实验的内容可不受时间与空间的限制。学生可在实验室及寝室随时进行实验。④实验者可跨越地域作实验，甚至多个实验者在不同地域协同做实验。可构建远程的虚拟实验室。（3）远程教育虚拟现实化，远程教育的发展应处理好教育质量、效益与规模三者间的关系，而远程教育质量的提高必须依托技术的更新与发展。远程教育与虚拟技术结合，可及时、便捷地更新和传播知识，即可提高教育质量，又可扩大规模，提高效益。使教学不再局限于有形的课堂和实验室中，向虚拟课堂、虚拟实验室乃至虚拟大学发展，教学和实验的空间和时间得到无形的扩展，可为高校扩招后设置的分校和远程教育教学点提供虚拟的教学和实验环境，也可对社会提供开放性的、远距离的继续教育和职业教育，创造更大的经济效益与社会效益，促进全国教育水平的提高。（4）实习实训基地虚拟现实化学生的实习实训是重要的教学环节，由于经费所限，多数学校无力建造自己的实习实训基地，利用多媒体技术、计算机仿真技术与虚拟现实技术相结合便可构建一个虚拟的实习实训基地，学生可在逼真的虚拟环境中进行各种职业技能的训练。由于其中的“设备”或“部件”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，使实践训练及时跟上技术的发展，同时大大减少经费的投入。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以任意进行探索性操作，可提高学生的创造性，更好地为培养创新型人才创造条件，满足创新型社会发展的要求。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及设备成本价格的不断降低，必将具有更加广阔的应用和发展前景。将虚拟现实技术应用于高校教学是必然趋势，将在探索和发展现代教育思想、提高教育技术水平、改造实验环境和优化教学过程、培养具有创新意识和创新能力的人才等方面发挥重要作用。3、利用Proteus仿镇软件构建电子类专业虚拟现实实验平台3.1、Proteus仿镇软件简介Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况．因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果．对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象．Proteus(海神)的ISIS软件特点：①具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、Ic调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能．②各种虚拟仪器：示波器、逻辑分析仪、信号发生等．⑦目前支持的单片机类型有：6800系列、8501系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列PICI8系列、ZS0系列、HCI1系列以及各种外围芯片．④支持大量的存储器和外围芯片。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，是其他任何一款软件不能相比的．在仿真与实验过程中发现，选用KeilC51uViSion2软件编译调试比较合适，该软件支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，集编辑、编译和程序仿真等于一体，同时还支持PLM、汇编和c语言的程序设计．它的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面有很强的功能，大多数工程师都在使用该软件，学生可获得更多的实际工作经验，并且通过设置可与IsIs联机调试单片机系统。3.2、构建电子类专业虚拟现实实验平台利用计算机、KEILC51仿真器和Proteus软件创建一个可视化虚拟电子类实验室，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备，完成各种验证性、设计性和综合性实验。利用仿真技术达到与真实效果相一致的教学要求和目标。从而在不增加硬件投入的基础上，提高学生的创新能力。4、利用Proteus软件构建虚拟现实实验平台的优点采用Proteus仿真软件进行虚拟现实实验，具有比较明显的优势，如涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、学生可自行实验、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。(1)内容全面，实验的内容包括软件部分的汇编、C51等语言的调试过程，也包括硬件接口电路中的大部分类型．对同一类功能的接口电路，可以采用不同的硬件来搭建完成，因此采用Protues仿真软件进行虚拟现实实验教学，克服了用传统实验教学板教学中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。(2)可重复实验，实验能力和实验设计能力的培养是工科学生解决实际工程问题能力中较为重要的。传统的实验教学中，忽视了学生实验能力的培养，对于实验设计能力的培养，则很少涉及到。因此学生学习了理论，要想将其应用到实际的工程实践中，其难度是比较大的。还有，学生毕业后想对控制技术或智能仪表等有较深的研究和学习，如果采用传统的实验教学方法，则学生需要购置的设备比较多，增加了他们学习和研究的投入。采用Proteus软件构建虚拟现实实验平台后，学习的投入交得比较的小，而实际工程问题的研究，也可以先在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样处理，不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。(3)硬件投入少，经济优势明显，Protues所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量上，都是可靠和经济的。采用软件的方式进行教学，其经济优势是比较明显的。(4)实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题，采用Protues仿真软件进行的虚拟现实技术实验教学，则不存在上述的问题，其在实验的过程中是比较安全的。(5)大量的经典案例，可供学生参考处理，该虚拟现实技术仿真系统所提供的较多的比较完善的系统设计方法和设计范例，可供学生参考和借鉴．同时也可以在原设计上进行修改处理。(6)与工程实践最为接近，可以了解实际问题的解决过程在进行课程设计或进行大实验的时候，可以具体的在Protues中做一个工程项目，并将其最后移植到一个具体的硬件电路中，让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，利于学生对工程实践过程的了解和学习。结束语利用Proteus软件整合的虚拟现实实验平台，具有比较明显的优势。虚拟现实实验室，因极少硬件投入、所以经济优势明显，不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏带来的不足，而且排除了原材料消耗和仪器损坏等因素，可以帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述的内容，加深对概念、原理的理解，弥补课堂理论教学的不足。参考文献：[1]周润景，张丽娜．基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M]．北京航天航空大学出版社，2006：卜100[2]秦曾煌．电工学与工业电子学[M]．哈尔滨工业大学出版社，2005：50-65理工作[J]．电力档案，2003(1)[3]汪成为，高文，王行仁.灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用.清华大学出版社，1996.[4]曾建超，俞志和.虚拟现实