虚拟现实技术应用于电工实验课教学的尝试*

顾冬华 王俊杰 杨 立

郑州轻工业学院 河南郑州 450002

虚拟现实技术应用于电工实验课教学的尝试*

顾冬华 王俊杰 杨 立

郑州轻工业学院 河南郑州 450002

本文阐述了虚拟现实实验室的概念、特点及构建方法，分析了硬件实验室和一般的虚拟实验室的优缺点，得出虚拟现实实验室可以完全替代传统硬件实验室的结论。

虚拟现实；电工；教学改革

实验教学作为高校教学过程的重要环节，对于深化学生对所学知识的理解和掌握，培养学生分析问题和解决问题的能力具有重要作用。但是，无论采用传统的硬件实验方式，还是把基于网络的虚拟实验引入电工实验教学，都有其明显的弊端:前者主要依靠硬件设备，投资大、效率低、运行成本高，又受课时安排的制约，教学效果受限；后者虽可在一定程度上缓解硬件实验教学模式面临的困难，然而却产生了新的问题，由于学生是在操作虚拟设备，因此对培养学生的动手能力就显得有些力所不能及。把虚拟实验室建立在虚拟现实技术之上，可以很好地克服上述两种方法的弊端。

一、基于虚拟现实技术的电工虚拟实验室的概念

虚拟现实是一种虚拟的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,学生借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。虚拟现实技术带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法,使人机交互的内容更加丰富、形象,方式更加自然、和谐。

基于虚拟现实技术的虚拟实验室是把虚拟实验室建立在虚拟现实技术之上，由于虚拟现实技术的本身特点，使学生在做虚拟实验时，会有一种身临其境的感觉，操作虚拟仪器，就如同在操作实际仪器一样，从而传统的虚拟实验所存在的一系列问题，诸如不便于培养学生分析故障，难于培养实际动手能力等，在这里都不复存在。

二、基于虚拟现实技术的电工虚拟实验室的功能与特点

1.身临其境

电工实验课的一个重要特点是能够培养学生的实际动手能力。因此在创建电工虚拟实验室时必须考虑电工实验课的这一重要特点。身临其境作为虚拟现实技术最主要的技术特征，在发挥培养学生实际动手能力的作用方面，表现的淋漓尽致。所谓身临其境，就是要让学生觉得自己是虚拟环境中的一部分,而不是旁观者,使学生在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种“全身心投入”的状态,有身临其境的感觉,即所谓的“沉浸感”。正是这种“沉浸感”特性使虚拟现实与一般的交互式三维计算机图形有较大的不同,学生可以暂时与现实环境隔离,沉浸于数据空间、从数据空间向外观察,以更自然、更直接的方式与数据交互,从而能真实地注视数据。理想的虚拟环境应该达到使学生难以分辨真假的程度(例如，可视场景应随着视点的变化而变化),甚至超越真实,如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。

2.交互性

交互性是指学生对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。例如，学生用手直接抓取实验室中的实验设备时，手里会有握着东西的感觉，并可以感觉到物体的重量，视场中的实验设备也随着手的移动而移动。

3.安全性

在电工实验课中，学生要经常操作220V的用电设备，虽然用电设备在正常情况下是带有保护的，但是用电设备不可避免的会出现各种各样的故障，这时就有可能会出现触电事故，给学生造成人身伤害。而在虚拟现实实验中，由于是在操作虚拟设备，在给学生以亲身感受的同时，又绝对不会存在安全隐患。

三、基于虚拟现实技术的电工虚拟实验室的构建

虚拟现实系统从简单到复杂可以分成3大类：桌面虚拟现实系统，沉浸虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。构建电工虚拟现实实验室可以根据学校的自身特点，教学要求，经费等来选择不同的系统。桌面虚拟现实系统虽然比较简单，缺乏头盔式显示器的那种完全沉浸功能,但它仍然具备良好的三维性、灵活的交互性，并且对硬件资源要求比较低，在学校经费不充足的情况下不失为一种较好的选择。下面仅以桌面虚拟现实系统为例说明其实现方法。

桌面虚拟现实系统是1套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。一般来说，它由5个部分构成：一是虚拟环境；二是以显示器为核心的视觉系统；三是以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统；四是以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备；五是以集味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。根据系统的不同要求，可以选择视觉系统、听觉系统、身体位置跟踪系统、味觉、触觉反馈系统不同的组合，在电工虚拟现实实验室中，我们只需要选择听觉、触觉反馈系统，就可以基本达到我们的要求。

虚拟环境以高性能的计算机为核心，通过专业的软件生成逼真的三维实验室场景以及各种虚拟实验设备。在对沉浸感要求不是很高的情况下，采用计算机屏幕来取代头盔显示器。一些廉价的三维眼镜和安装在计算机上方的立体观察器、液晶显示光闸眼镜等等都会产生一种三维空间的幻觉。这种幻觉在很大程度上可以弥补沉浸感的不足。

虚拟听觉也称为立体听觉。在虚拟现实场景中，从不同方位,不同地点发出的声音，传到观察者的耳朵时,其听觉效果也不相同,观察者可以根据听觉效果分辨出声音的大致方位,远近程度等。“双耳效应”理论揭示了人耳是如何分辨声音的方位与远近的。

双耳效应理论认为：人耳对声源方位的判断能力是根据由于双耳距离差引起的以下4个物理因素产生的。1.声音到达双耳间的时间差;2.声音到达双耳间的强度差;3.声音低频分量由于时间差产生的相位差;4.由于人头对高频分量的遮蔽作用产生的音色差。时间差反映声音到达双耳先后造成的相对时间差异。强度差则反映声音在空气中传播由于距离造成的衰减差异。相位差和时间差是密切相关的，也可以说是时间差派生出了相位差。根据双耳效应理论设计立体声重放系统可以逼真地重放立体声效果。

触觉反馈是指在人机交互过程中，计算机对操作者的输入作出响应，并通过触觉反馈设备作用于操作者的过程。首先，触觉反馈设备利用传感器测量操作者的运动和位置，将数据实时、准确地输入计算机，并且将虚拟环境中生成的触感反馈给操作者，使操作者产生身临其境的沉浸感。虚拟环境接收由传感器输入的数据，根据碰撞算法和触觉生成算法生成三维图像和触觉反馈设备的控制信号，分别传输给显示设备和触觉反馈设备。目前在触觉反馈设备方面已经有了很多产品，绝大多数的产品都是以数据手套的形式存在，操作者带上数据手套，就能够实现操作者抓取物体时感受到的作用力。

四、虚拟现实实验室与传统硬件实验室和一般的虚拟实验室的比较

传统硬件实验室和一般的虚拟实验室都存在着各自的利于弊。传统硬件实验室是由真实实验设备、仪器构成，学生在做实验时，可以较好地培养其动手能力，分析、解决问题的能力。但这样的实验室通常建设费用非常高昂，很多学校承担不起。一般的虚拟实验室解决了经费问题，但却产生了新的问题，由于学生是在操作虚拟设备，因此在培养学生动手能力和分析问题解决问题的能力上就有些欠缺。而虚拟现实实验室对上述二者进行了综合，取优去弊，既能节约经费，又能达到培养学生动手能力，分析问题解决问题能力的目的。首先，虚拟现实实验室的主要部分建立在计算机上，大部分以软件形式存在，只需要附加少量的硬件设备，这样就在很大程度上节约了经费开支。其次，由于虚拟现实技术本身的特点，学生在虚拟现实实验室中做实验，和在真实的实验室做实验没有太大的差别，其动手能力、分析问题解决问题的能力也不会因此而有丝毫的削弱。在虚拟现实实验室中，任何仪器、设备都具有长、宽、高三维特征，学生可以绕着仪器，设备转动，就像在真正的实验室中观察真实仪器一样。学生不仅可以操作仪器，还能感受到仪器的存在，比如触电的感觉。当学生摸到电源火线的时候，由于火线是虚拟的，所以不会触电，但是学生又能感受到触电的感觉，使其在以后的工作、生活中，会对电源火线有警觉感。因此虚拟现实实验室可以完全取代传统硬件实验室，在大学教育中发挥更大的作用。

五、结束语

虚拟现实技术是当前世界各国都在研究的一个热门课题，将虚拟现实技术应用于电工实验教学是一个大胆的尝试，随着计算机技术的发展以及虚拟现实技术的日益成熟，其在各类实验教学中必然会发挥越来越多的作用。

[1]魏克新,王英霞,刘浩.基于LabVIEW的电力电子虚拟实验室的构建[J].现代科学仪器,2007,3：23～24

[2]王大勇.基于网络的计算机电路虚拟实验室的设计与开发[J].河北广播电视大学学报,2007,12(5)：18～20

[3]李国丽,应艳杰,盛华.电工电子实验教学改革[J].电子教学学报,2008,30(5)：60～62

[4]王志良,石琳,李志刚.开放式虚拟环境实验平台的设计与初步实现[J].系统仿真学报,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

顾冬华,硕士，助教。王俊杰，本科，实验师。

*本文系郑州市科学基金(No:C2009SP0009)；河南省信息化电器重点实验室开放基金(No:IEA2009-0206)。