虚拟实验的设计与实现

虚拟实验的设计与实现

虚拟实验是网络课程的重要组成部分，也是开发与设计的难点。本文在分析虚拟实验的特点、使用现状及虚拟实验系统构成的基础上，提出了利用仿真软件设计开发综合性、设计性虚拟实验的方案。采用该方案，具有灵活性、鲁棒性、动态匹配性好、共享方便等特点，便于实验的灵活变更与快速实施。以数字电路课程为例，给出了设计中的关键技术和相关实现结果。

标签：虚拟实验；网络课程；数字电路；远程教学

实验教学作为高等学校教学体系的重要组成部分，对培养学生的创新意识、动手能力、分析问题和解决问题能力有着不可替代的作用。为满足培养具有高素质、创新能力的人才要求，实验教学在不断地进行着改革，实验教学内容向综合型、设计型转变，由此各种教学媒体被引进到实验教学中来，特别是虚拟实验，对传统实验教学产生了越来越大的影响。在网络课程的实验中，学生可根据自己的实际情况确定实验内容、安排实验进度，学生自主学习的空间不断扩大，主体地位明显提高，从而满足了社会群体协同学习和个体独立性学习的需要。但这种新型的实验教学模式的充分实现，必须依托质优量足的虚拟实验作为条件支撑，而目前虚拟实验的开发设计还存在着一些问题。如何才能设计开发出内容科学、实时和交互功能强、参数变更灵活的虚拟实验，是当前虚拟实验教学中亟待解决的一个问题。

一 虚拟实验的特点及设计现状

虚拟实验的教学，既有与网络课程的教学特点共通之处，如时空的疏离性、资源的共享性、活动实施的机动性、学习行为的自主性等，又有其自身的特点。虚拟实验过去一直被称作思想实验(thought experiment)，那是因为过去受客观条件所限，这样的实验只能在人的头脑中进行。现在一般认为，虚拟实验是以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，以计算机及网络技术为支撑，所实现的揭示客观过程或现象的本质联系和规律的一种科学认识方法[6]。

以数字电路实验为例，说明虚拟实验与传统实验的区别。传统的数字电路实验室使用的实体实验仪器一般由3个功能模块组成:信号的采集与控制模块、信号的分析与处理模块、结果的表达与输出模块。由于这些功能模块基本上是以硬件或固化的软件形式存在,仪器只能由生产厂家来定义、制造，仪器的使用数量和次数只能由学校的条件来定，因此存在投资费用高、运行成本高、仪器设备利用率低、实验次数少等缺点,加之这些传统的仪器大多缺乏相应的计算机接口,因而在配合数据采集和处理方面显得比较困难。科学的进步和计算机技术的飞速发展，有力地促进了虚拟仪器的诞生和发展,它是以通用计算机为平台,利用计算机的资源,与具有标准接口( GPIB ,RS 232 ,VXI ,PXI 等)的硬件仪器设备有机结合构成的，但还没有完全独立于硬件设备。虚拟实验，是指完全独立于除计算机以

外的硬件设备，通过操作由仿真软件生成的，如同传统仪器操作面板一样的用户界面，实现对被测对象的信息采集、数据分析处理、过程通信、显示、存储及数据生成。

虚拟实验的特点可以归为几点：：

l、计算机技术化：从实验的设计开发、实验的更新维护和实验的使用推广都离不开计算机；

2、实验环境仿真化：虚拟实验环境是利用计算机建立的模拟真实的实验场景；

3、实验对象可视化：虚拟实验中的每一个实验对象都是实际物体的仿真。用户与虚拟实验环境之间的交互通过这些可视化的实验对象来完成；

4、实验数据实时化：实验对象和用户之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作直接进行交互，实验结果及时反馈。

目前国内网络课程及远程教学中涉及有实验的课程不多，即使有实验内容的课程，数目也较少。虚拟实验的开发设计中普遍存在以下问题:（1）总体数量偏少，综合性、设计性的虚拟实验更为鲜见；（2）大多数的虚拟实验为验证性实验，功能简单，学生缺乏综合锻炼的机会；（3）虚拟实验的灵活性差，不能满足综合性、设计性的实验教学要求。（4）设计工具一般采用Flash、Authorware、PowerPoint、3DMAX等软件制作，用户界面很美观，但实验教学效果欠佳。[1][5]

二、虚拟实验系统的构成

虚拟仿真实验作为开放实验教学的重要辅助手段，一方面，可以大大提高实验效率和效果，拓宽学生由感性认识上升到理性认识的途径，使学生在愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识；另一方面，虚拟实验不受时间及空间的限制，学生可以自主地完成实验，激发学生的创造性思维。

从实验的组织结构看，虚拟实验系统除了与实际实验相同，如实验目录、实验目的、实验内容、实验原理、实验电路、实验要求、实验步骤等以外，还具有良好的可操作性和交互性。从实验体系上分，可分为基础性实验、综合性实验和设计性实验。从构件上分，虚拟实验系统由计算机、网络课程平台、实验平台和后台支撑软件。从人员上分，系统可由管理员、教师、实验人员和开发人员组成。

虚拟实验系统不同于一般讲的虚拟实验室，它是网络课程中的一个部分，可以直接链接在网络课程的主页面上，通过界面操作进入仿真实验平台，所以它省去了虚拟实验室中的“室”的概念，也就省去了诸如构建虚拟实验室所必备的实验室、硬件设备的三维建模、渲染等设计环节[2][4]。

三、实现案例

1设计工具的选择

在进行虚拟实验设计时，必须考虑设计开发的工具。使用多媒体课件开发工具进行教学课件的制作是当前的主流，也可用于虚拟实验的设计，如用PowerPoint制作幻灯片式的课件，较合适对于以文本为主的教学内容，用Authorware制作的课件，可以实现图文并茂，用Flash制作课件，可实现较好的动态效果，但对于以上这些工具，很难或无法实现设计性或综合性的实验仿真。对于一些特殊课程，如数字电路、模拟电路、通信等硬件课程，以及涉及到电路信号或实验数据图形的演示，则选择仿真软件如MATLAB ，LabView，SystemView等更合适，它们都集有各种应用工具箱，功能强大，具有灵活性、鲁棒性、动态匹配性、文件量小、共享方便等特点，便于实验方案的灵活变更与快速实施。

2 设计的主要技术

在案例设计过程中，主要利用MATLAB仿真软件的Simulink和GUI来实现。[3]

（1）实验图形的显示

类似数字电路、模拟电路、滤波器、通信等实验，涉及到电路模块的设计和图形输出的显示。MATLAB的Simulink提供了非常丰富的模块库，如输入源、输出方式、离散时间模型、线性环节、非线性环节、连接及接口、其它环节等。若想建立如图4所示的电路图设计，只要将相应模块拖入编辑窗，然后双击模块图标设置参数即可，如图4中的示波器，只要选择“输出方式”模块库中的“scope”，示波器就建成了。若想建立类似如图5的波形图，只要使用MATLAB提供的plot()(二维图形绘制)和plot3()(三维图形绘制)两个函数就可完成图形的输出显示。

（2）操作界面的设计

界面主要用于输入信号的参数设置，并根据新设置的参数来运行和显示结果。操作界面的设计使用MATLAB中的GUI来实现。它可提供静态文本框、可编辑文本框、单选按钮、命令按钮、弹出式菜单、组框等控件。如图1、图2和图3，设计时，打开GUI，将所需控件模块拖动到编辑区，定义名称、调整位置形成主界面，此时就形成了界面所对应的编程文件（.m文件），然后在m文件中，给控件的回调函数添加代码，定义控件的功能。以图1的“软件说明”按钮为例，定义它的功能，则在它的回调函数（M文件）中进行如下设置：

function varargout = instruction(varargin)

% 创建一个图形窗口

FigureHandle=figure(‘position’,[380,300,250,150]);％ 设定图形窗口的属性

set(FigureHandle,’menubar’,’none’,’numbertitle’,’off’,’name’,’软件说明’)

FigureColor = get( FigureHandle, ‘Color’ ) ;

set(FigureHandle,’defaultuicontrolBackgroundColor’,FigureColor );

% 创建一个框架

TitleHandle= uicontrol(FigureHandle,’style’,’frame’,

‘Units’,’pixels’,.’position’,[10,10,230,130] );

% 创建文本框，添加说明文字

TextHandle = uicontrol(FigureHandle, ‘Style’,’text’,

‘Units’,’pixels’,’position’,[20,20,210,110], ‘Horizontal’,’left’,’string’,{[‘《数字电路仿真平台》是一个完全由matlab实现的软件。’]},’fontname’,’宋体’,’fontweight’,’demi’,’fontsize’,13);

set(TextHandle,’BackgroundColor’,[0.7,0.8,0.9]);% text底色设置为浅蓝色

待整个实验系统全部设置完成后，进行打包调用。使用命令Mcc –W

lib:TestDll-L c-t-T link:libtargetfile.m对m程序文件进行编译，生成.dll.h 和 .lib

动态链接库，就可以在网络课程或网页中直接调用了。

3 具体实现

数字电路课程是计算机、电信、通信、电子、物理等专业的基础课，涉及的学习面较广，建立网络课程及网上实验，有利于资源共享，也是对课堂教学和实验室实践的延伸。如图1所示为数字电路实验的主界面，可以进行全加器、编码器等七类实验内容，通过操作按钮选择相应的操作。

如图2所示为移位寄存器实验的一个界面，显示实验目的及移位寄存器的工作原理，点击进入按钮，显示如图3所示的实验参数设置界面，在界面中选择“显示电路图”，可以看到图4所示的电路原理图，在图4中双击任一模块，或者利用工具栏和菜单栏更改模块参数，也可以更改电路，退出电路后显示电路的输出波形，如图5所示。