将虚拟现实技术用于微机原理实验教学*

郭晓红

(太原理工大学 计算机科学与软件学院，山西 太原 030024)



将虚拟现实技术用于微机原理实验教学*

郭晓红

(太原理工大学 计算机科学与软件学院，山西 太原 030024)

将虚拟现实技术用于微机原理课程的硬件实验教学环节，可以使教学效果和教学质量得到极大的提高。本文主要描述了用软件模拟仿真计算机硬件实验装置EL-JY-II实验系统创建虚拟实验室的方法，探讨在计算机技术高速发展和普及的今天如何使计算机硬件的教学跟上时代发展的步伐，使我们培养的学生进一步满足社会的需求。

虚拟现实；模拟仿真；建模；动画制作

微机原理是当前理工科非计算机专业开设的计算机基础课，该课程的教授目的是使学生在掌握计算机基本操作和高级语言程序设计的基础上进一步掌握计算机的内部工作原理，在今后的工作岗位上能够更好地利用计算机这一高科技解决本专业的实际问题。微机原理课程在教学环节中设有计算机硬件实验的内容，同学们通过硬件实验理解和掌握计算机的工作原理。本文探讨将当前计算机研究热点——虚拟现实技术用于传统的硬件实验，用创建虚拟实验室的方案解决微机原理实验课程所面临的问题，给出创建虚拟实验室的研究步骤、设计模型和开发方法。

1　计算机硬件实验所面临的挑战

1.1实验教学内容

微机原理课程主要讲解计算机硬件结构体系和工作原理。学生通过该课程的学习，了解和掌握微型计算机的硬件组成、运行机制和计算机指令的工作模式。 由于计算机结构的复杂性和内部工作过程的不可视性，计算机的硬件学习要辅以相应的实验课程，其中包括中央处理器CPU、内存的基本组成和工作原理、常用输入输出接口组成和工作原理以及常用外部设备的工作原理[2]。为了使学生真正掌握计算机的这些组成部分，微机原理的实验课针对每一个工作单元设计了对应的实验内容，而且有专用的实验装置。早期有DOS环境下北京工业大学的BH-86实验设备，现在广泛使用的有EL-JY-II计算机组成原理实验系统。这些实验装置能完成计算机硬件的基本部件实验和整机模拟实验，是目前较为理想的实验设备，被很多院校选择使用。

1.2实验教学所面临的挑战

由于微机原理课程是面向全校学生开设的，需要的设备多，投入的资金量大，因此设备不容易到位是该课程所面临的第一大难题。第二大困难是计算机任课教师严重不足。由于计算机的普及，在校生必修三个层次的计算机课程，学生多教师少的矛盾极为严重，硬件实验需要分组进行，辅导实验的教师严重不足。另一个面临的困难是计算机发展太快，硬件实验设备更新的快，淘汰的也快。由于以上三项主要困难，计算机的硬件实验通常用汇编语言程序设计的软件实验来取代， 其结果是同学们对计算机的CPU、存储器、I/O接口、总线等硬件的概念仍然停留在书本上，达不到课程的基本要求。为此，提出了创建虚拟实验室的解决方案。

2　创建虚拟实验室的解决方案

2.1虚拟实验室的概念

虚拟实验室是一种用虚拟现实技术构建的开放式虚拟实验教学系统，它将实验室的教学数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。目前虚拟实验室在发达国家已经十分普及，已经成为一种重要的教学资源，具有不受时间、地点、设备制约，为用户提供一个比传统实验环境更为精确、方便、深入、开放的自主实验平台。由于虚拟实验的这些优点，使得虚拟实验及其相关的研究成为目前研究中的一个热点问题。 最早在1989年美国University of Virginia 的William Wulf教授就提出了虚拟实验室的概念。 Wulf形象地把虚拟实验室称为“无墙的研究中心”。

2.2我国虚拟实验室的发展现状分析

我国在虚拟实验室方面的研究进展有清华大学的三维气象系统、华中科技大学的现代工程测试虚拟实验室和虚拟仪器实验室等，取得了可喜的成就。但虚拟实验室的应用范围和领域仍处于初级阶段，还有更大的空间等待着开发和研究。对于理工科体系的一些课程，如物理、化学、电子电路和微机原理等，都是实践性很强的课程，实验教学环节对学好这些课程是至关重要的。学生通过实验环节的培训，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，获得基本的综合应用技能和实践能力。缺少了实践动手的机会，教学效果将大打折扣。虚拟实验室系统可以降低设备成本和节省实验经费，并且能够充分发挥网络的作用，实现资源共享，避免仪器的重复添置和资金浪费。

2.3创建虚拟实验室的具体步骤

虚拟实验室的创建分为实验分析、虚拟实验室的设计规划、软件开发、安装试运行、修改完善、交付使用和日常维护等步骤。第一步：对现行实验进行全方位分析是实现虚拟实验室的基本依据，所需完成的工作包括现行教学大纲的分析修订、教材的分析和更新、实验内容的分析修订，以确保将该课程设计为最佳的教学体系。第二步：虚拟实验室的设计规划。在这一阶段要求根据该课程的硬件实验做出虚拟实验室的整体实验规划和设计，包括预计完成的实验、每个实验的具体设计方案、以及各实验之间的关联。第三步：软件开发。这一步是创建虚拟实验室最耗时和费力的阶段，它要求在前一阶段的设计基础上，开发出切实可用的仿真软件，这不仅需要有经验、高素质的软件开发人员，还需要有一个软件开发团队，只有满足这些条件，虚拟实验室的创建才能完成。第四步：试运行。虚拟实验室的开发初告成功后，先在小范围试运行，在试运行的过程中发现不足，修改完善，使之功能不断提高，最后成为符合设计要求、真正实用的虚拟实验环境。 最后将虚拟实验室交付使用，在使用过程中还需要认真维护、不断升级，直至被新的、更好的系统所取代。

3　创建微机原理虚拟实验室的方法

在虚拟实验室的创建中，设计一个高品质的、切实可用的虚拟实验环境是研究开发虚拟实验室的核心，用软件编制一个能够取代硬件实验，并在现硬件实验全过程的虚拟实验环境是该研究的难点。在此，我们对设计模型和开发方法进行阐述。

3.1总体设计

虚拟实验室的大环境选择为能容纳60台到240台的计算机普通机房，机房的每台计算机上安装一套虚拟实验软件，这样每一台计算机就是一个硬件实验平台。该实验平台主要有三个方面的功能：1) 计算机组成原理实验设备EL-JY-II的整机虚拟仿真；2) 每个实验过程的模拟仿真再现；3) 实验说明和实验帮助引导功能的实现。

对于创建EL-JY-II实验设备的虚拟环境，需建立实验设备的实物图、整体平面、立体图、功能分布图、局部功能图；每一个图都需给出各组成部分的名称和功能介绍，并配有相对应的操作说明和必要的动态演示；对于每个局部功能块，具有放大功能，不仅能细致的描绘各局部功能块的元件布局情况，还能够演示和介绍每块的功能。

EL-JY-II实验设备可完成14个硬件实验，该项目选择了符合微机原理实验要求的4个实验进行模拟仿真，这四个实验分别是：1) CPU工作原理的实验；2) 半导体存储器RAM实验；3) 8255并行I/O接口实验；4) 总线控制实验。

3.2开发方法

开发微机原理虚拟实验室按照软件工程中提出的螺旋式开发模型[1]循序渐进地完成整个实验室的创建。如图1所示。

图1　螺旋模型图

按照螺旋模型的理论，在每一次螺旋周期的开发中，都给出该开发阶段的目标，选择实施方案并评估，当评估可行时才进入具体的软件开发，最后，给出该开发周期的总体评价，进入下一阶段的螺旋周期。 螺旋模型中，每一次循环都是上一个周期的迭代，每一个周期都有对应的阶段输出结果。每迭代一次，螺旋线就前进一次。在微机原理的螺旋模型式开发中，第一周期完成EL-JY-II实验设备和预完成实验的需求分析和总体设计；第二个循环周期完成软件的产品化局部设计并对每个局部的设计和各局部之间的关联进行合理性、正确性、准确性验证。在最后一个螺旋周期中完成所做的设计。

在软件开发阶段选用的软件开发工具包括以下几种：1) 用Proteus仿真软件[3]建立实验平台。Proteus是目前可将电路仿真、印刷版电路设计仿真、虚拟模型仿真三和一的EDA工具软件，采用该软件可方便的模拟微机原理中的8086CPU实验、8255、8253等各I/O接口的实验等；2) 用二维动画软件Flash完成EL-JY-II实验设备的外观设计和各功能部件的操作和演示；3) 面向对象的编程语言VB控制EL-JY-II实验设备的各个开关、按钮、指示灯等人机控制界面，将Flash动画和Proteus仿真功能集成，再补充各实验的实验说明书和实验引导程序，实现实验的全过程。

4　结束语

创建虚拟实验室可给微机原理的实验课带来的优越性主要有：1) 采用虚拟实验室可节省大量的设备投资。以EL-JY-II实验系统为例，该设备每套约1万元(连同配套的计算

机在内)，如果装备一个实验室需要60套，建一个实验室就需要资金60万元。 如果用虚拟实验模拟完成，只在普通机房模拟实现，每个实验室可节省约60万元；2) 可灵活选择实验设备所开设的实验进行模拟。软件模拟可组合同类实验设备的众家所长，根据自己的需要进行仿真模拟，可设计一套最适合自己课程需要的模拟实验；3) 还可及时进行更新换代而无须购买新的实验装置。当计算机技术有了新的发展，硬件设备就要更新换代，采用模拟仿真的方式就不需要更新硬设备，只要补充新的模拟内容即可；4) 同样还可以让同学们在硬件实验前用虚拟机进行预习，即：先模拟完成要做的实验，再在实验装置上进行实验，起到事半功倍的效果，防止由于操作不当引起的设备损坏。

[1]李爱萍，崔东化，李东升，等.软件工程[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[2]郭晓红，闫宏印.微型计算机原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[3]田社平，俞水峰，方向忠，等.Proteus在微机原理课程教学中的应用[J].电子电气电子教学学报，2011(5)：70-72.

The Application of Virtual Reality Technology in Computer Laboratory Course

Guo Xiaohong

(CollegeofComputerScienceandSoftwareEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,TaiyuanShanxi030024,China)

When the virtual reality technology is applied to the computer laboratory teaching cycle, the learning effect and quality is greatly improved. In this paper, it describes the creation steps and methods of virtual laboratory using computing software to mimic and simulate the computer hardware experiment device of EL-JY-II system, and discuss how to make the computer hardware course following nowadays highly development and widely using of computer technology, so that our students can further meet the requirement of society.

virtual reality; analog simulation; modeling; animation building

2016-05-05

太原理工大学教学改革项目(8003-02040196)

郭晓红(1958- )，女，山西运城人，副教授，主要从事计算机教学工作。

1674- 4578(2016)04- 0033- 02

TP 391.9

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