顧冬華 王俊杰 楊 立

鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南鄭州 450002

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于電工實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的嘗試*

顧冬華 王俊杰 楊 立

鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南鄭州 450002

本文闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的概念、特點(diǎn)及構(gòu)建方法，分析了硬件實(shí)驗(yàn)室和一般的虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)缺點(diǎn)，得出虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室可以完全替代傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室的結(jié)論。

虛擬現(xiàn)實(shí)；電工；教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于深化學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力具有重要作用。但是，無(wú)論采用傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)方式，還是把基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)引入電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都有其明顯的弊端:前者主要依靠硬件設(shè)備，投資大、效率低、運(yùn)行成本高，又受課時(shí)安排的制約，教學(xué)效果受限；后者雖可在一定程度上緩解硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式面臨的困難，然而卻產(chǎn)生了新的問(wèn)題，由于學(xué)生是在操作虛擬設(shè)備，因此對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力就顯得有些力所不能及。把虛擬實(shí)驗(yàn)室建立在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之上，可以很好地克服上述兩種方法的弊端。

一、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電工虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種虛擬的沉浸式交互環(huán)境,具體地說(shuō),就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,學(xué)生借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)了人機(jī)交互的新概念、新內(nèi)容、新方式和新方法,使人機(jī)交互的內(nèi)容更加豐富、形象,方式更加自然、和諧。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室是把虛擬實(shí)驗(yàn)室建立在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之上，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本身特點(diǎn)，使學(xué)生在做虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)有一種身臨其境的感覺(jué)，操作虛擬儀器，就如同在操作實(shí)際儀器一樣，從而傳統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)所存在的一系列問(wèn)題，諸如不便于培養(yǎng)學(xué)生分析故障，難于培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力等，在這里都不復(fù)存在。

二、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電工虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能與特點(diǎn)

1.身臨其境

電工實(shí)驗(yàn)課的一個(gè)重要特點(diǎn)是能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。因此在創(chuàng)建電工虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)必須考慮電工實(shí)驗(yàn)課的這一重要特點(diǎn)。身臨其境作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最主要的技術(shù)特征，在發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的作用方面，表現(xiàn)的淋漓盡致。所謂身臨其境，就是要讓學(xué)生覺(jué)得自己是虛擬環(huán)境中的一部分,而不是旁觀者,使學(xué)生在計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種“全身心投入”的狀態(tài),有身臨其境的感覺(jué),即所謂的“沉浸感”。正是這種“沉浸感”特性使虛擬現(xiàn)實(shí)與一般的交互式三維計(jì)算機(jī)圖形有較大的不同,學(xué)生可以暫時(shí)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境隔離,沉浸于數(shù)據(jù)空間、從數(shù)據(jù)空間向外觀察,以更自然、更直接的方式與數(shù)據(jù)交互,從而能真實(shí)地注視數(shù)據(jù)。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使學(xué)生難以分辨真假的程度(例如，可視場(chǎng)景應(yīng)隨著視點(diǎn)的變化而變化),甚至超越真實(shí),如實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更逼真的照明和音響效果等。

2.交互性

交互性是指學(xué)生對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。例如，學(xué)生用手直接抓取實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，手里會(huì)有握著東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)到物體的重量，視場(chǎng)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。

3.安全性

在電工實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生要經(jīng)常操作220V的用電設(shè)備，雖然用電設(shè)備在正常情況下是帶有保護(hù)的，但是用電設(shè)備不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，這時(shí)就有可能會(huì)出現(xiàn)觸電事故，給學(xué)生造成人身傷害。而在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中，由于是在操作虛擬設(shè)備，在給學(xué)生以親身感受的同時(shí)，又絕對(duì)不會(huì)存在安全隱患。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的電工虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜可以分成3大類：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。構(gòu)建電工虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室可以根據(jù)學(xué)校的自身特點(diǎn)，教學(xué)要求，經(jīng)費(fèi)等來(lái)選擇不同的系統(tǒng)。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)雖然比較簡(jiǎn)單，缺乏頭盔式顯示器的那種完全沉浸功能,但它仍然具備良好的三維性、靈活的交互性，并且對(duì)硬件資源要求比較低，在學(xué)校經(jīng)費(fèi)不充足的情況下不失為一種較好的選擇。下面僅以桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為例說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)方法。

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是1套基于普通PC平臺(tái)的小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，它由5個(gè)部分構(gòu)成：一是虛擬環(huán)境；二是以顯示器為核心的視覺(jué)系統(tǒng)；三是以語(yǔ)音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)；四是以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備；五是以集味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)的不同要求，可以選擇視覺(jué)系統(tǒng)、聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、身體位置跟蹤系統(tǒng)、味覺(jué)、觸覺(jué)反饋系統(tǒng)不同的組合，在電工虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，我們只需要選擇聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)反饋系統(tǒng)，就可以基本達(dá)到我們的要求。

虛擬環(huán)境以高性能的計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)專業(yè)的軟件生成逼真的三維實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景以及各種虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在對(duì)沉浸感要求不是很高的情況下，采用計(jì)算機(jī)屏幕來(lái)取代頭盔顯示器。一些廉價(jià)的三維眼鏡和安裝在計(jì)算機(jī)上方的立體觀察器、液晶顯示光閘眼鏡等等都會(huì)產(chǎn)生一種三維空間的幻覺(jué)。這種幻覺(jué)在很大程度上可以彌補(bǔ)沉浸感的不足。

虛擬聽(tīng)覺(jué)也稱為立體聽(tīng)覺(jué)。在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，從不同方位,不同地點(diǎn)發(fā)出的聲音，傳到觀察者的耳朵時(shí),其聽(tīng)覺(jué)效果也不相同,觀察者可以根據(jù)聽(tīng)覺(jué)效果分辨出聲音的大致方位,遠(yuǎn)近程度等。“雙耳效應(yīng)”理論揭示了人耳是如何分辨聲音的方位與遠(yuǎn)近的。

雙耳效應(yīng)理論認(rèn)為：人耳對(duì)聲源方位的判斷能力是根據(jù)由于雙耳距離差引起的以下4個(gè)物理因素產(chǎn)生的。1.聲音到達(dá)雙耳間的時(shí)間差;2.聲音到達(dá)雙耳間的強(qiáng)度差;3.聲音低頻分量由于時(shí)間差產(chǎn)生的相位差;4.由于人頭對(duì)高頻分量的遮蔽作用產(chǎn)生的音色差。時(shí)間差反映聲音到達(dá)雙耳先后造成的相對(duì)時(shí)間差異。強(qiáng)度差則反映聲音在空氣中傳播由于距離造成的衰減差異。相位差和時(shí)間差是密切相關(guān)的，也可以說(shuō)是時(shí)間差派生出了相位差。根據(jù)雙耳效應(yīng)理論設(shè)計(jì)立體聲重放系統(tǒng)可以逼真地重放立體聲效果。

觸覺(jué)反饋是指在人機(jī)交互過(guò)程中，計(jì)算機(jī)對(duì)操作者的輸入作出響應(yīng)，并通過(guò)觸覺(jué)反饋設(shè)備作用于操作者的過(guò)程。首先，觸覺(jué)反饋設(shè)備利用傳感器測(cè)量操作者的運(yùn)動(dòng)和位置，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地輸入計(jì)算機(jī)，并且將虛擬環(huán)境中生成的觸感反饋給操作者，使操作者產(chǎn)生身臨其境的沉浸感。虛擬環(huán)境接收由傳感器輸入的數(shù)據(jù)，根據(jù)碰撞算法和觸覺(jué)生成算法生成三維圖像和觸覺(jué)反饋設(shè)備的控制信號(hào)，分別傳輸給顯示設(shè)備和觸覺(jué)反饋設(shè)備。目前在觸覺(jué)反饋設(shè)備方面已經(jīng)有了很多產(chǎn)品，絕大多數(shù)的產(chǎn)品都是以數(shù)據(jù)手套的形式存在，操作者帶上數(shù)據(jù)手套，就能夠?qū)崿F(xiàn)操作者抓取物體時(shí)感受到的作用力。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室和一般的虛擬實(shí)驗(yàn)室的比較

傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室和一般的虛擬實(shí)驗(yàn)室都存在著各自的利于弊。傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室是由真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器構(gòu)成，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以較好地培養(yǎng)其動(dòng)手能力，分析、解決問(wèn)題的能力。但這樣的實(shí)驗(yàn)室通常建設(shè)費(fèi)用非常高昂，很多學(xué)校承擔(dān)不起。一般的虛擬實(shí)驗(yàn)室解決了經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，但卻產(chǎn)生了新的問(wèn)題，由于學(xué)生是在操作虛擬設(shè)備，因此在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力上就有些欠缺。而虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室對(duì)上述二者進(jìn)行了綜合，取優(yōu)去弊，既能節(jié)約經(jīng)費(fèi)，又能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力的目的。首先，虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的主要部分建立在計(jì)算機(jī)上，大部分以軟件形式存在，只需要附加少量的硬件設(shè)備，這樣就在很大程度上節(jié)約了經(jīng)費(fèi)開(kāi)支。其次，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的特點(diǎn)，學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)，和在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)沒(méi)有太大的差別，其動(dòng)手能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力也不會(huì)因此而有絲毫的削弱。在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，任何儀器、設(shè)備都具有長(zhǎng)、寬、高三維特征，學(xué)生可以繞著儀器，設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)，就像在真正的實(shí)驗(yàn)室中觀察真實(shí)儀器一樣。學(xué)生不僅可以操作儀器，還能感受到儀器的存在，比如觸電的感覺(jué)。當(dāng)學(xué)生摸到電源火線的時(shí)候，由于火線是虛擬的，所以不會(huì)觸電，但是學(xué)生又能感受到觸電的感覺(jué)，使其在以后的工作、生活中，會(huì)對(duì)電源火線有警覺(jué)感。因此虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室可以完全取代傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室，在大學(xué)教育中發(fā)揮更大的作用。

五、結(jié)束語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)前世界各國(guó)都在研究的一個(gè)熱門課題，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)大膽的嘗試，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟，其在各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必然會(huì)發(fā)揮越來(lái)越多的作用。

[1]魏克新,王英霞,劉浩.基于LabVIEW的電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2007,3：23～24

[2]王大勇.基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].河北廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào),2007,12(5)：18～20

[3]李國(guó)麗,應(yīng)艷杰,盛華.電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(5)：60～62

[4]王志良,石琳,李志剛.開(kāi)放式虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與初步實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009，21(13)：3980～3992

The research of electrical & electronic experimentteaching reform based on virtual reality technology

Gu Donghua, Wang Junjie, Yang Li
Zhengzhou university of light industry, Zhengzhou, 450002, China

Describing the concept of virtual reality laboratory, characteristics and construction methods, analysing the advantages and disadvantages of the hardware laboratory and the virtual laboratory ,concluded that virtual reality laboratory can be obtained by completely replacing the traditional hardware laboratory.

virtual reality;electrical and electronic;teaching reform

book=55,ebook=207

2010-02-04

顧冬華,碩士，助教。王俊杰，本科，實(shí)驗(yàn)師。

*本文系鄭州市科學(xué)基金(No:C2009SP0009)；河南省信息化電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(No:IEA2009-0206)。