浅谈虚拟实验在电子技术教学中的应用

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  目前,实践性教学是农村职业教育电子实验课的薄弱环节,在农村中等职业学校,电子实验教学都普遍受到了实验设备少,设备陈旧落后,实验经费不足,实验空间及实验室开放时间有限等诸多因素的限制。虚拟技术的出现和深入发展为我们解决这一难题提供了一种有效的途径。我们可以利用虚拟技术建设各种虚拟电子技术实验室,将计算机变成实验台,软件变成仪器,网络变成实验室的虚拟技术能形象生动地表现各个学科的教学内容,有效地营造随技术发展的教学环境,为学生提供生动、逼真的实验情境和方便、自然的实验手段,更好的帮助学生理解知识、加深记忆,提高教学质量。
  一、虚拟技术概述及电子实验概况
  虚拟实验室是虚拟技术在教学上的一项全新应用。虚拟技术是运用计算机对现实实验进行全面仿真的技术,它能够创建与实际电子实验类似的环境,能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求。利用虚拟技术开发建设的虚拟实验室允许人们虚拟的做成自己没有现实设备的实验,使处于不同的学习者可以对某个实验项目进行重复实验工作,从而节省实验资源。
  电子技术实验教学一般是按教学大纲的要求做一些指定性实验,学生很少有机会去自己设计实验内容。这样的实验课无法满足对学生实验技能的培养和理论与实践相结合能力的培养。对调动学生学习积极性,加强实践动手能力和创新精神的培养都极为不利。如何弥补传统实验教学存在的缺点和不足,提高实验课教学质量,强化学生的实验技能,为培养学生创新思维创造条件,是农村职业教育急需解决的一个新课题,因此创建一个虚拟实验室,成为解决此类问题的关键。
  二、电子虚拟实验室的实现条件
  虚拟实验室是由虚拟技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。在虚拟实验室中,学生能够在计算机建立的模拟实验场景中从不同的视角观察一个实验对象,通过鼠标的选择或者拖曳操作便可完成与虚拟实验对象之间的交互。
  虚拟实验室实际上就是数字化的仿真技术在实验教学中的应用,一个真正的虚拟实验教学系统的前台是多媒体或是虚拟化的环境,后台是实时仿真的过程。选择合适的仿真开发工具。从对虚拟实验的要求看,仿真工具必须具有与多媒体相结合的功能,也就是做实验的人员,做实验时是在多媒体下进行实验操作,然后将操作所产生的信息输给后台的仿真系统进行实时仿真,然后再实时地将仿真的结果回放到前台的多媒体,通过多媒体的形式输出。目前的仿真软件很多,有 EASY-T、VT -I』NK3.3、SPW、cadance、Mento r、Matrix、 Matlab、prote1DXP2004、labview、labwindow s/CVI、OpenGL、MuhiGen等,建立虚拟实验时,应根据具体需隶 选用合适的仿真开发工具。比如,开发 电子电路技术类虚拟实验,可选用prote1-dxp2004、labview、labwindow s/CVI等仿真软件;开发自动控制 原理类虚拟实验,可选用Maflab等仿真软件;开发电子系统和控制系统类虚拟实验,可选用 cadanee、Mentor、M atrix等仿真软件 开发 含 虚拟视境类虚拟实验,可选用 OpenGL、MultiGen 等仿真建模软件。在选用仿真软件时要把握 好仿真软件对虚拟实验开发的针对性和适应性。
  虚拟实验实际上就是用虚拟化的操作界面向仿真软件输入数据或指令,经过仿真软件的实时仿真 将仿真结果输送到虚拟化的显示设备。虚拟化的 操作界面和显示设备,通常是采用多媒体技术产生的。因此 如何将计算机仿真技术与虚拟化的仪 器或多媒体环境有机地结合起来是虚拟实验建立 的关键和核心技术,也是虚拟实验 建设必须解决好的问题。由于当前国内外的仿真软件都是用来搞仿真设计的,所以都不具有与多 媒体相结合的功能,该问题是当前影响虚拟实验 室建设发展的关键问题 。因此,开发研制仿真 软件与多媒体环境的接口是十分重要的。
  三、电子虚拟实验室的优势
  1.虚拟技术可以将耗费大量耗材的实验简化为在计算机上操作的实验,从而避免了由于客观环境下实验器材不足或者实验环境达不到标准而造成的实验效果不理想的状况,另外可为原本就不足的实验经费节省开支。
  2.虚拟技术中的科学可视化技术能将复杂的科学现象和自然景观以及复杂概念等图形化,从而发现科学规律或直观地掌握复杂概念。在电子实验研究中,采用现代数据采集技术和测试技术可在短时间内获得大量数据。如实验的测量数据。应用科学可视化技术,可将这些数据转换为几何图形及图像信息,并可在计算机屏幕上加以显示,还可进行交互处理,这就使学生在学习中能以直观生动的方式发现隐藏在数据中的科学规律。
  3.虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力三个基本特征。在具体的教学实验中,学生可以作为主角存在于虚拟环境中,对虚拟环境内的物体进行操作并从环境中得到自然的反馈,而且当学生沉浸在多维信息空间中时,能够主动地获取知识,寻求解答,形成新的概念。
  4.虚拟实验室的建立彻底打破空间与时间的限制,虚拟现实技术结合多媒体技术和计算机网络,能提高实验效果与效率,充分发挥教学优势
  四、电子虚拟实验室的应用
  《电子技术基础》是一门实践性很强的课程,它将理论的讲授和技能训练融为一体,是一门很重要的主专业课。因此,在该课的实验中融入虚拟实验技术尤为重要。目前在笔者所在学校的实验室中,既有实际操作的试验室和实验器材,又初步规划出符合学生基础性实验的虚拟实验软件,可以说为农村职业学校电子专业虚拟实验室的建立做出了初步的探讨。示波器虚拟实验就是其中一项效果显著的例子,学生在接触实际的示波器之前,先在计算机上用虚拟的示波器软件进行演练和量化操作,再进行实物的操作练习,达到了事半功倍的教学效果,学生对此类实验也倍感兴趣,克服了以前在实验中害怕做错实验的畏首畏尾的心理。纷纷觉得学以致用有效果。
  虚拟技术虽是一项新技术,但它在实际中的应用价值已被人们认可,并已在其他领域得到广泛应用。虚拟电子实验室的研究无疑具有划时代意义,它将极为复杂而又耗费精力的科学实验的研究放在定量的软件系统中进行分析,极大地节省了实验项目的开支,又可直接得到直观的教学效果。我们相信,虚拟技术必将在职业学校实验室建设中引起一场新的技术飞跃。
  
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