数字逻辑虚拟实验教学研究

孙建国　武俊鹏　张国印　马春光

文章编号：1672-5913(2009)08-0087-03

摘要：本文阐述了将虚拟现实及网络技术应用到数字逻辑实验教学中的理论过程。并详细介绍了运用Flash、插件等多媒体编程技术建设数字逻辑虚拟实验室的详细过程。同时，对未来计算机实验教学的发展方向进行了讨论。

关键词：虚拟；数字逻辑；实验教学

中图分类号：G642

文献标识码：B

1前言

在我国，高等学校的计算机学科教学长期以来停留在以理论课为主，缺乏或不重视实验教学的被动局面。按照这样的培养模式造就的毕业生往往需要在各自的工作岗位上重新进行技术实践环节的再培训和二次指导才能符合用人单位的基本要求，这无形中也增加了社会的人才培养开销和负担。近年来，随着社会层面的反馈以及大学办学模式的逐步开放和交流加大，广大高校逐渐认识到了实验教学在计算机人才培养过程中的重要性并逐步贯彻以实践为主体的计算机学科新的办学理念。计算机学科实验教学的目的，在于提高学生的综合实践能力和创新精神，使学生能够理解所学的计算机理论知识，掌握一定的应用技能，以适应未来实际工作需要。

与之相对的是，大量先进的实验教学设备和具备优良实验教学环境的大批现代化教学实验室的建设和使用，这些都为计算机人才培养质量提供了保证。但是，在这些积极因素的笼罩下，我们也应清醒地认识到存在潜在威胁和障碍，设备的更新换代和维修保养是一笔庞大的开支，每年均占实验室日常运行经费的70%以上，伴随着人才培养目标的提高，我们为学生提供了大量的可操作性的实验内容，实践环节的加强突出反映在设备的超负荷运行以及易损器件的高消耗上。特别是对计算机硬件系列实验教学来说，无论是芯片，导线等常见元器件损坏率直线上升，还是实验平台等高端设备保修频率提高，都说明这样一个严峻的问题，即有限的经费和设备已经无法适应由于新的人才培养模式以及办学理念转变所带来的设备更新换代，特别是易损器件高消耗带来的经费问题。从本质上，当这种矛盾激化到一定程度，将反作用于实践教学，使我们的办学路线和学生培养目标发生停滞，甚至倒退。

虚拟实验教学是解决上述一系列问题的根本措施。虚拟实验教学利用计算机仿真，虚拟现实等技术对实验教学内容进行模拟，从而达到降低实验教学成本，提高教学质量的目的。通过引入虚拟实验教学可以有效解决设备的高消耗、易损同学生人数日益增加之间的矛盾，使实验不受时间、空间的限制，同时，允许学生在虚拟教学平台上进行大量的DIY实践，在提高教育质量方面起着重要作用。

本文结合作者们的实验教学经验以及实际的实验教学改革成果，利用计算机硬件实验教学体系中较为基础的“数字逻辑实验”为突破口，率先利用仿真及虚拟现实技术实现了数字逻辑虚拟实验教学平台，并对平台进行了细致分析和论证。

2数字逻辑虚拟实验教学的理论基础

数字逻辑实验是计算机硬件实验教学课程体系中的基础课程，通过数字逻辑实验的学习，可以使学生从硬件最底层对计算机体系结构有一个详细的认识和了解。同时，数字逻辑实验长期以来都是基于不同种类的实验台进行逻辑器件的连接、测试、验证模式的实验教学，各种元器件，连接导线都属于高消耗的实验器材，每年实验室都要投入大笔资金来满足学生的实验需要。

在这样的情况下，我们将器件虚拟化，将平台模拟化，将教学仿真化，无论是从人力还是物力上都是一种极大的节约，而从调动学生实践能力，发挥自主创新精神的方面来看，则是更加积极的。虚拟仿真技术正是创新型计算机人才培养改革的产物。在仿真环境下，学生既可以避免实验器件本身损坏造成的实验阻碍，同时可以更主动地、重复性地进行综合性实验，极大地拓展了学生的创新空间和创新领域。

虚拟实验的原理正式借助动态仿真、虚拟现实等计算机技术，利用多媒体，声音，视频等方式将实验教学环节的基本环境通过虚拟现实技术在计算机平台上予以实现，同时，将物理设备、器件在映射的基础上进行扩展，以方便学生进行更加全面的创新实践活动。其原理图如图1所示。

图1 虚拟实验教学与现实映射关系

虚拟现实环境的搭建、实验检测及评定系统的实现、虚拟专家成绩评判系统是虚拟实验教学系统的三个主体部分。通过虚拟实验教学环境与实际实验教学的无缝连接，我们定义了如下模式的虚拟实验教学模型(如图2所示)。

图2 虚拟实验教学系统体系图

数字逻辑虚拟实验系统从逻辑角度主要包括以下几个部分：

(1) 实验平台效果发生器：贯穿于学生操作始终，为实验搭建支撑平台，为演示提供动态效果，为测试提供虚拟测试环境。

(2) 环境建模及实景仿真器：定义了虚拟实验教学系统的运行过程及容错，报警机制；其次，属于虚拟实验系统的控制终端，时刻纪录用户的操作行为；为用户访问实验系统及各个模块之间的切换提供了接口。

(3) 管理系统：包括用户的访问管理，教师的系统管理，以及成绩管理，虚拟电路图的保存及分析等。

(4) 组件构造系统：虚拟元器件的原理定义及生成；可自由定义虚拟器件的表达式并由于生成器件实体。

3数字逻辑实验教学系统的设计与实现

虚拟实验教学系统主要包括3个主要结构体：即虚拟环境，故障检测以及成绩评定。其中虚拟环境包括应用平台和信息存储两部分。这样的设计符合现实教学中的实践环节培养模式，即为其提供实践场所(虚拟环境)，为实践活动提供保障(故障检测)，并进行一定的激励措施(成绩评定)(如图3所示)。

图3 虚拟实验教学系统设计框图

基于上述的系统设计结构，我们定义了数字逻辑虚拟实验教学系统。系统主要以VC为编程软件，以CS Flash 9为演示平台，结合了OCR插件技术，可以通过校园网方式，访问该虚拟实验系统。该系统目前主要包括6个主体模块：

(1) 实验室简介：采用多媒体音、视频手段，使学生了解实验室的基本情况，包括具备的实验条件，先进实验教学设备以及可进行的创新实验内容及支撑条件。

(2) 教师简介：采用图片、链接等手段，使学生了解实验系统中的指导教师及所指导的具体领域，以便出现问题及困难时，及时找到负责教师进行解决。

(3) 实验器材：介绍了数字逻辑实验所需要的全部元器件，包括其原理，表达式以及重点介绍了如何进行自定义的元器件的制作。特别地，这种虚拟器件，现实中可以允许不存在。

(4) 开始实验：进入虚拟实验平台(如图4所示)，进行器件插拔，布线，测试，并提交最终的可信任结果到成绩评判系统。

图4 虚拟实验平台截图

(5) 其他功能：主要包括了自定义元器件及成绩查询、预约等功能。

(6) 其他：系统预留模块。

4虚拟实验教学系统特色及分析

数字逻辑虚拟实验教学系统不但具备现实系统的基本特点，同时，还起到了节约开始，拓展创新等积极作用，它主要具备以下优点：

(1) 拓展性，该虚拟系统在安全继承数字逻辑实验所需基本设备、芯片的基础上，还拓展了许多实验规定以外的虚拟器件，利用这些器件，学生可以进行更深入的创新实践活动。

(2) 灵活性：在保障学生进行规定实验及常规创新实验活动的同时，还为学生提供了在合理的情况，自定义集成元器件的功能，允许出现现实中并未生产的表达复杂的器件。

(3) 智能性：在虚拟环境中，特别是学生实践过程中，系统能够及时提醒学生的操作错误和缺陷，如芯片插拔位置不适宜，布线错误等。

(4) 综合性：虚拟实验系统除了提供实验条件外，还提供了专家系统来进行学生的成绩评判，为尽可能多的指出错误，并协助学生进行纠错。

(5) 其它：此外，系统为设计方案提供了自动保存，可重复演示的功能。

5未来的发展方向及结论

虚拟现实及计算机仿真应用到实验教学中是一种必然。特别是伴随着高校人才培养目标同社会需求的不断融合、交互，在这种情势下利用虚拟实验技术将形成越来越成熟的实践教学手段和理念，也满足了广大学生的创新需求和教师的教学需要。相信随着需求的不断扩大，将会涌入越来越多的新技术、新理念，使计算机虚拟实验教学的发展变得越来越迅速，教学理念也越来越进步。

哈尔滨工程大学计算机实验教学中心经过多年的硬件实验探索，积累丰厚的教学经验，明确了“强基础、重能力、抓创新”的教学理念，伴随着数字逻辑虚拟教学的逐步改革合推进，相信人才培养的质量也将更上一个台阶。

参考文献：

[1] 武俊鹏,孙建国,张国印. 虚拟现实技术在计算机实验教学中的应用[J]. 计算机教育,2007,(24).

[2] 崔永利,李妍. 计算机硬件实验教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索,2006,25(3).

[3] 曲学楼. 改革计算机硬件实验教学提高实验课教学质量[J]. 高教研究与实践,2004,3(1).

[4] 李卓伟,李华,徐婷. 计算机网络虚拟实验教学模式[J]. 实验室研究与探索,2006,25(1).

Research of Digital Logic Virtual Experiments Education

SUN Jian-guo, WU Jun-peng, ZHANG Guo-yin, MA Chun-guang

(College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract: In this paper, it is introduced that virtual reality and network technology are applied to digital logic experiment in process of teaching. And details on the use of Flash, multimedia programming, such as plug-in technology are also discussed, which is appied to digital logic virtual laboratory building. At the same time, the future development direction of computer experimental teaching is discussed.

Key words: virtual; digital; logic; experiment