孫建國　武俊鵬　張國印　馬春光

文章編號：1672-5913(2009)08-0087-03

摘要：本文闡述了將虛擬現(xiàn)實及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字邏輯實驗教學中的理論過程。并詳細介紹了運用Flash、插件等多媒體編程技術(shù)建設(shè)數(shù)字邏輯虛擬實驗室的詳細過程。同時，對未來計算機實驗教學的發(fā)展方向進行了討論。

關(guān)鍵詞：虛擬；數(shù)字邏輯；實驗教學

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1前言

在我國，高等學校的計算機學科教學長期以來停留在以理論課為主，缺乏或不重視實驗教學的被動局面。按照這樣的培養(yǎng)模式造就的畢業(yè)生往往需要在各自的工作崗位上重新進行技術(shù)實踐環(huán)節(jié)的再培訓和二次指導才能符合用人單位的基本要求，這無形中也增加了社會的人才培養(yǎng)開銷和負擔。近年來，隨著社會層面的反饋以及大學辦學模式的逐步開放和交流加大，廣大高校逐漸認識到了實驗教學在計算機人才培養(yǎng)過程中的重要性并逐步貫徹以實踐為主體的計算機學科新的辦學理念。計算機學科實驗教學的目的，在于提高學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新精神，使學生能夠理解所學的計算機理論知識，掌握一定的應(yīng)用技能，以適應(yīng)未來實際工作需要。

與之相對的是，大量先進的實驗教學設(shè)備和具備優(yōu)良實驗教學環(huán)境的大批現(xiàn)代化教學實驗室的建設(shè)和使用，這些都為計算機人才培養(yǎng)質(zhì)量提供了保證。但是，在這些積極因素的籠罩下，我們也應(yīng)清醒地認識到存在潛在威脅和障礙，設(shè)備的更新?lián)Q代和維修保養(yǎng)是一筆龐大的開支，每年均占實驗室日常運行經(jīng)費的70%以上，伴隨著人才培養(yǎng)目標的提高，我們?yōu)閷W生提供了大量的可操作性的實驗內(nèi)容，實踐環(huán)節(jié)的加強突出反映在設(shè)備的超負荷運行以及易損器件的高消耗上。特別是對計算機硬件系列實驗教學來說，無論是芯片，導線等常見元器件損壞率直線上升，還是實驗平臺等高端設(shè)備保修頻率提高，都說明這樣一個嚴峻的問題，即有限的經(jīng)費和設(shè)備已經(jīng)無法適應(yīng)由于新的人才培養(yǎng)模式以及辦學理念轉(zhuǎn)變所帶來的設(shè)備更新?lián)Q代，特別是易損器件高消耗帶來的經(jīng)費問題。從本質(zhì)上，當這種矛盾激化到一定程度，將反作用于實踐教學，使我們的辦學路線和學生培養(yǎng)目標發(fā)生停滯，甚至倒退。

虛擬實驗教學是解決上述一系列問題的根本措施。虛擬實驗教學利用計算機仿真，虛擬現(xiàn)實等技術(shù)對實驗教學內(nèi)容進行模擬，從而達到降低實驗教學成本，提高教學質(zhì)量的目的。通過引入虛擬實驗教學可以有效解決設(shè)備的高消耗、易損同學生人數(shù)日益增加之間的矛盾，使實驗不受時間、空間的限制，同時，允許學生在虛擬教學平臺上進行大量的DIY實踐，在提高教育質(zhì)量方面起著重要作用。

本文結(jié)合作者們的實驗教學經(jīng)驗以及實際的實驗教學改革成果，利用計算機硬件實驗教學體系中較為基礎(chǔ)的“數(shù)字邏輯實驗”為突破口，率先利用仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)字邏輯虛擬實驗教學平臺，并對平臺進行了細致分析和論證。

2數(shù)字邏輯虛擬實驗教學的理論基礎(chǔ)

數(shù)字邏輯實驗是計算機硬件實驗教學課程體系中的基礎(chǔ)課程，通過數(shù)字邏輯實驗的學習，可以使學生從硬件最底層對計算機體系結(jié)構(gòu)有一個詳細的認識和了解。同時，數(shù)字邏輯實驗長期以來都是基于不同種類的實驗臺進行邏輯器件的連接、測試、驗證模式的實驗教學，各種元器件，連接導線都屬于高消耗的實驗器材，每年實驗室都要投入大筆資金來滿足學生的實驗需要。

在這樣的情況下，我們將器件虛擬化，將平臺模擬化，將教學仿真化，無論是從人力還是物力上都是一種極大的節(jié)約，而從調(diào)動學生實踐能力，發(fā)揮自主創(chuàng)新精神的方面來看，則是更加積極的。虛擬仿真技術(shù)正是創(chuàng)新型計算機人才培養(yǎng)改革的產(chǎn)物。在仿真環(huán)境下，學生既可以避免實驗器件本身損壞造成的實驗阻礙，同時可以更主動地、重復性地進行綜合性實驗，極大地拓展了學生的創(chuàng)新空間和創(chuàng)新領(lǐng)域。

虛擬實驗的原理正式借助動態(tài)仿真、虛擬現(xiàn)實等計算機技術(shù)，利用多媒體，聲音，視頻等方式將實驗教學環(huán)節(jié)的基本環(huán)境通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機平臺上予以實現(xiàn)，同時，將物理設(shè)備、器件在映射的基礎(chǔ)上進行擴展，以方便學生進行更加全面的創(chuàng)新實踐活動。其原理圖如圖1所示。

圖1 虛擬實驗教學與現(xiàn)實映射關(guān)系

虛擬現(xiàn)實環(huán)境的搭建、實驗檢測及評定系統(tǒng)的實現(xiàn)、虛擬專家成績評判系統(tǒng)是虛擬實驗教學系統(tǒng)的三個主體部分。通過虛擬實驗教學環(huán)境與實際實驗教學的無縫連接，我們定義了如下模式的虛擬實驗教學模型(如圖2所示)。

圖2 虛擬實驗教學系統(tǒng)體系圖

數(shù)字邏輯虛擬實驗系統(tǒng)從邏輯角度主要包括以下幾個部分：

(1) 實驗平臺效果發(fā)生器：貫穿于學生操作始終，為實驗搭建支撐平臺，為演示提供動態(tài)效果，為測試提供虛擬測試環(huán)境。

(2) 環(huán)境建模及實景仿真器：定義了虛擬實驗教學系統(tǒng)的運行過程及容錯，報警機制；其次，屬于虛擬實驗系統(tǒng)的控制終端，時刻紀錄用戶的操作行為；為用戶訪問實驗系統(tǒng)及各個模塊之間的切換提供了接口。

(3) 管理系統(tǒng)：包括用戶的訪問管理，教師的系統(tǒng)管理，以及成績管理，虛擬電路圖的保存及分析等。

(4) 組件構(gòu)造系統(tǒng)：虛擬元器件的原理定義及生成；可自由定義虛擬器件的表達式并由于生成器件實體。

3數(shù)字邏輯實驗教學系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

虛擬實驗教學系統(tǒng)主要包括3個主要結(jié)構(gòu)體：即虛擬環(huán)境，故障檢測以及成績評定。其中虛擬環(huán)境包括應(yīng)用平臺和信息存儲兩部分。這樣的設(shè)計符合現(xiàn)實教學中的實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)模式，即為其提供實踐場所(虛擬環(huán)境)，為實踐活動提供保障(故障檢測)，并進行一定的激勵措施(成績評定)(如圖3所示)。

圖3 虛擬實驗教學系統(tǒng)設(shè)計框圖

基于上述的系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)，我們定義了數(shù)字邏輯虛擬實驗教學系統(tǒng)。系統(tǒng)主要以VC為編程軟件，以CS Flash 9為演示平臺，結(jié)合了OCR插件技術(shù)，可以通過校園網(wǎng)方式，訪問該虛擬實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前主要包括6個主體模塊：

(1) 實驗室簡介：采用多媒體音、視頻手段，使學生了解實驗室的基本情況，包括具備的實驗條件，先進實驗教學設(shè)備以及可進行的創(chuàng)新實驗內(nèi)容及支撐條件。

(2) 教師簡介：采用圖片、鏈接等手段，使學生了解實驗系統(tǒng)中的指導教師及所指導的具體領(lǐng)域，以便出現(xiàn)問題及困難時，及時找到負責教師進行解決。

(3) 實驗器材：介紹了數(shù)字邏輯實驗所需要的全部元器件，包括其原理，表達式以及重點介紹了如何進行自定義的元器件的制作。特別地，這種虛擬器件，現(xiàn)實中可以允許不存在。

(4) 開始實驗：進入虛擬實驗平臺(如圖4所示)，進行器件插拔，布線，測試，并提交最終的可信任結(jié)果到成績評判系統(tǒng)。

圖4 虛擬實驗平臺截圖

(5) 其他功能：主要包括了自定義元器件及成績查詢、預(yù)約等功能。

(6) 其他：系統(tǒng)預(yù)留模塊。

4虛擬實驗教學系統(tǒng)特色及分析

數(shù)字邏輯虛擬實驗教學系統(tǒng)不但具備現(xiàn)實系統(tǒng)的基本特點，同時，還起到了節(jié)約開始，拓展創(chuàng)新等積極作用，它主要具備以下優(yōu)點：

(1) 拓展性，該虛擬系統(tǒng)在安全繼承數(shù)字邏輯實驗所需基本設(shè)備、芯片的基礎(chǔ)上，還拓展了許多實驗規(guī)定以外的虛擬器件，利用這些器件，學生可以進行更深入的創(chuàng)新實踐活動。

(2) 靈活性：在保障學生進行規(guī)定實驗及常規(guī)創(chuàng)新實驗活動的同時，還為學生提供了在合理的情況，自定義集成元器件的功能，允許出現(xiàn)現(xiàn)實中并未生產(chǎn)的表達復雜的器件。

(3) 智能性：在虛擬環(huán)境中，特別是學生實踐過程中，系統(tǒng)能夠及時提醒學生的操作錯誤和缺陷，如芯片插拔位置不適宜，布線錯誤等。

(4) 綜合性：虛擬實驗系統(tǒng)除了提供實驗條件外，還提供了專家系統(tǒng)來進行學生的成績評判，為盡可能多的指出錯誤，并協(xié)助學生進行糾錯。

(5) 其它：此外，系統(tǒng)為設(shè)計方案提供了自動保存，可重復演示的功能。

5未來的發(fā)展方向及結(jié)論

虛擬現(xiàn)實及計算機仿真應(yīng)用到實驗教學中是一種必然。特別是伴隨著高校人才培養(yǎng)目標同社會需求的不斷融合、交互，在這種情勢下利用虛擬實驗技術(shù)將形成越來越成熟的實踐教學手段和理念，也滿足了廣大學生的創(chuàng)新需求和教師的教學需要。相信隨著需求的不斷擴大，將會涌入越來越多的新技術(shù)、新理念，使計算機虛擬實驗教學的發(fā)展變得越來越迅速，教學理念也越來越進步。

哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心經(jīng)過多年的硬件實驗探索，積累豐厚的教學經(jīng)驗，明確了“強基礎(chǔ)、重能力、抓創(chuàng)新”的教學理念，伴隨著數(shù)字邏輯虛擬教學的逐步改革合推進，相信人才培養(yǎng)的質(zhì)量也將更上一個臺階。

參考文獻：

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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