基于虚拟技术在数电实验中的应用

杨庆 杨太红 朱周英 周珂宇

摘 要： 通过虚拟现实技术，将其深入应用在电子技术教学的教学辅助之中。在数字电子技术的实验教学中，改变以往传统实验授课方式。将虚拟技术应用于数电实验当中，帮助学生更加清晰直观了解电路的运行及原理。使学生能够应用掌握综合实践能力。将虚拟技术应用于教学实验是现如今教学改革的重要向。

关键词： 虚拟技术；数电实验；教学改革

1数字电子技术实验

1.1数字电子技术实验现状

数字电子技术是自动化专业中最为重要的课程之一。这类课程的教学中，对于电路当中电路的流向及电路的电路的转换生成的数字信号的问题，通常晦涩难懂，难以想象。普通的文稿演示难以让人感受到立体直观。且高校扩招、实验室无法提供最新的实验设备、实验设备老化等问题。

现如今各大高校的设备大多数都是属于过去式老旧的实验设备，以前的实验方式和方法难以适应信息爆炸式的学习模式。一般情况下传统教育的实验中，实验设备少大多数都是3-4人一台实验仪器。学生基本上只能勉强仓促地完成规定的实验步骤。一般一次实验过后，无法对于知识得到进一步的加深理解，把实验当做任务完成，无法做到人才培养的。

就目前而言，数字电子技术实验的试验预习，都是根据试验参考书进行课前预习，对于实验课程的大部分相关环节该做什么都比较模糊，数字电路的实验是对教材课本中内容的实际操作，实验过程中只能通过表面线路的连接，逻辑的组合，最终通过示波器，显示仪，灯的亮灭观察图形正确与否，一旦出现出现故障难以发现。特别是由于连接导线使用时间过长老化中间金属丝断裂这些故障排除起来繁琐困难。

1.2实验教学改革的必然性——推陈出新

数电课程实验室的改革是必然的，根据国家中长期教育改革和发展规划纲要提出，要加强教育改革与制度创新。教改目标是要求培养学生动手实践与实际制作能力。根据学科特点，坚持“创新综合型”的人才培养目标，积极进行教改，实现教学方式和学习方式的创新[1]。

所以现在的数电试验教学环境，高校还不足以培养出拥有实践技能的全方位发展的综合性人才。新的试验教学环境和新的试验教学方式，是实现教学改革的主要因素之一。

2 VR技术的发展与数电课程教学

虚拟技术所呈现出实验景象与现实之中所见景象有很大区别。在实验室中一般只能所见即所闻，看见的都是表面的实验现象，无法透过仪器的现实看到各元器件信号之间的流动、传输、转换、变化以及电路之间各部分衔接相互作用，保护器件是如何在欠压、欠电流、过载、过压时发挥作用保护电路；不同信号怎么样通过与或非门进行逻辑处理。在虚拟实验室中我们可以通过表象看到本质，在虚拟仿真当中，展现电路内部的构造。可以在实验触发时一瞬间，停留、放大、拆分各部分，分析电路，更好的掌握实践能力。

通过虚拟现实技术构建的实验室设备不会出现磨损，而且对于学生来说可以在实验之前预习实验，将难点和疑点在课上询问。在应用虚拟实验室中除通过连接电路实现实验的成功，还可以看内部的构造，虚拟出电流走向，不同信号的转化，直观立体的教学知识。普通的仿真软件虽到实验然也具有模拟实验设备，但在仿真时各种元器件的选择替换，线路的连接不能做到简洁应用[2]。

在数字电子技术中， 数字电路的试验中元器件的选择和线路的连接很重要。在过去的仿真软件和实际实验当中，对模拟电路的放大器，数字电路中的各种芯片来说，在设计电子电路时是很难选择的，主要由于平时学生很少接触实验，对于其性能不熟悉，用其他芯片无法知道其具体功能使实验失败。与之前所提到通过数据分享交流，可以知道在某些环节容易出错，数据输入多少得到的误差最小。

3数电试验与虚拟仿真系统

3.1数电与模电虚拟实验流程

虚拟实验的过程是通过授课计划，初步了解实验，老师给予学生虚拟实验系统的使用，以及实验中所需注意事项，学生通过VR实验室相互交流合作完成实验预习，在正式实验课程中，与老师进行更加深层次的探讨，而不仅仅停留在手把手教学模式上。完成实验过后分析总结实验，提出自己的想法和建议。

在使用VR实验室时，虚拟仿真系统会提供相应的元器件库。普通课件只会展现外部功能引脚图，在虚拟实验中重点强调元器件内部信号的转变，能够了解各部件的作用。

3.2元器件CD4081为例

我们以一个常见的元器件CD4081芯片为例，来讲解虚拟实验室所带来不同与一般实验所能看见的景象，简单的说明一下。

CD4081，包含四个2输入端与门；所以每一片CD4081芯片上都有四个独立的二个输入端的与门。用此芯片浅显讲述虚拟实验中的细微景象。

如CD4081芯片中的四个与门电路：当信号流入点击芯片可以看见其内部如何转化，以及在后面实验中过程的转变。在其中一个与门电路中，输入1和0两种不同的信号在引脚5和引脚6中，经逻辑转换输出。在输出于引脚4。此过程可以让实验者清晰了解实验的每一个步骤[3]。

3.3虚拟实验的资源共享

如在数电虚拟实验流程当中，观看虚拟仿真教程视频，预习实验。可以把视频当做一种开放性的共享资源。以及在使用时出现的问题、想法皆可提出，完善虚拟实验。若此虚拟实验仿真系统能够在高校之间进行推广，提高其资源的利用效率，实现信息以及平台共享。

4探讨虚拟技术在数电实验中的可行性

在目前而言的虚拟技术存在着一些不可避免的缺陷，现目前的高校的技术力量还无法全方位立体的展现一个逼真的虚拟场景。其中让体验者能够真实的体验到在过去的传统教育中无法体验到的虚拟场景，保证体验者身临其境的流畅度，这是一个难点。在普通的桌面式虚拟场景中，不管场景多么真实，但还是存在差距。当人们从虚拟环境之中走出来，虚拟场景与真实环境不同所带来的差异，长时间佩戴，學生依然会产生晕眩和不适感，可能会让人感到莫名的不适应[4]。

数电是自动化专业的本科必修的重要科目。但目前教育师资力量薄弱，没有足够的实验条件，所以我们的课程主要以理论课程为主。通过虚拟技术将课程中基础知识通过虚拟场景进行展示，弥补图片、文字的不足。这是对于高校近几年来，与社会发展变化所带来的差异造成知识变化从而进行的补充[5]。将虚拟技术应用于教学有利于创新性人才培养。

5结语

通过虚拟技术在数电实验方面的应用，使用虚拟场景让学生清楚的了解到数电实验。数字信号在元器件中通过逻辑转换进行转变，知道各部分电路的作用及如何操作应用。虚拟技术逐渐应用于教育的各个方面，在实验教学之中，虚拟技术有利于培养综合实践能力更高的人才。在教学改革之中，更加符合我国对于创新性与应用型人才的需要。

参考文献

[1]江华丽，冯志斌.数电和模电课程教改研究[J].教育教学论坛.2016（20）.128-129.

[2]常文平.电子技术课程教改和实践探索[J].河南机电高等专科学校学报. 2004（1）.75-76.

[3]李兵.基于X3D数字电路虚拟实验的构建及教学模式研究[J].湖南第一师范学院学报.2016（5）.76-78.

[4]刘园.VR技术在教育领域的研究与应用[J].多媒体技术及用，2016（16），207-208.

[5]吴蜜.VR技术与专业教学融合研究[J].互联网+教育.2016（14）.132.