基于3D的虚拟实验教学平台研究

邓文婷，胡 维

（广州大学 实验中心，广东 广州 510006）

实验教学是高校培养创新型人才的重要环节，对提高学生的实操技能和创新能力有重要意义，也是提高人才培养质量的重要保证。在传统的实验教学中，主要采用现场模拟的方式，这种方式主要依靠教师进行真实场景模拟来进行现场讲解和操作。随着高校教学方式的不断改革，虚拟实验也逐渐走进了大学课堂。

美国是最先提出虚拟实验概念的国家，在大学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学院的Web Lab远程实验室于1998年开发并投入使用。它提供了用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学，它允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型，然后通过一个用Java激活的Web浏览器使用在远程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据，验证自己的设计[1]。

在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。由于虚拟实验技术的特点，它的实际应用在理工教学中大有作为，尤其在电工电子、医学、建筑、生化等学科有重要作用。目前国内的多数高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室。但目前，虚拟实验还没有广泛用到我国教学中，对利用虚拟实验进行教学的教学模式和教学设计的研究还不重视。

电路实验作为工科电子类一个重要的实践性教学环节，起着培养学生对电路的测试、分析、设计及应用开发能力的作用，传统的验证性实验只要求验证学过的理论，而且实验器材有限，对学生做实验束缚比较大。为了让学生能自主地进行实验的操作，并能使学生积极思考，学会设计与调试，因此把电路实验与计算机模拟结合起来，设计了电路虚拟实验平台，为学生提供了一个自由开放的设计空间。

为了便于直观和清晰地了解电路虚拟系统的搭建，我们以电子镇流器型日光灯照明电路实验作为范例分析虚拟实验平台的搭建。

1 虚拟元件模型的制作

电子镇流器型日关灯照明电路图如图1所示，其中包含的元器件包括了空气开关、双控开关、电子整流器等，具体清单见表1。

日光灯照明电路实验原理：使用双控开关控制日光灯的开启与关闭。

日光灯也叫荧光灯，灯管的两端各有一根灯丝，管中充有稀薄的氩和微量水银蒸气，管壁上涂着荧光粉，与普通白炽灯相比，日光灯的光线柔和，发光效率是普通白炽灯的3倍以上，使用寿命差不多是普通白炽灯的4倍，但附件多，造价比普通白炽灯高。

图1 电子镇流器型日光灯照明电路Fig.1 Fluorescent lamp lighting circuitbased on Electronic ballast

表1 日关灯照明电路元器件及工具仪器清单Tab.1 Com ponents and tool instrument list of Fluorescent lam p lighting circuit

常用的镇流器有电感镇流器和电子镇流器两种。电子镇流器实质上是一个将低频交流电压转换为高频交流电压的电源变换器。使用电子镇流器的日光灯照明电路不仅省掉了启辉器，而且使用电子镇流器还具备节能、无频闪、无噪声、灯管寿命延长等优点[2]。

双控开关内含有一个常闭触点和一个常开触点。家居的双控照明电路一般使用单联双控开关面板。两个开关中的任何一个无论处于什么状态，另一个开关都能独立地控制电灯的开、关。

空气开关又称为小型断路器，小型断路器集闸刀开关、熔断器、热继电器和欠压继电器的功能于一体，是一种可手动合闸和分闸，又能在欠压、失压、过载或短路故障发生时自动分闸的电气器件。

3D虚拟实验教学资源的制作一般使用3D Max、Maya等三维建模工具，形状比较规则的仪器设备也可以使用CAD工具进行建模。本平台通过3D Max软件制作出日光灯照明电路中所用到的各元器件及工具的3D模型，在虚拟系统中以自动旋转的方式呈现其真实的三维外观（见图2），单击元器件可进入当前器件的介绍页面（见图3）。

图2 照明电路元件3D模型及功能介绍Fig.2 3Dmodel and function of the lighting circuit

仪器设备真实尺寸差异很大，3D建模时考虑了仪器各部件之间的比例关系，也考虑了仪器实际尺寸与计算机屏幕之间的比例关系，否则就会影响真实感，也影响虚拟实验过程的科学性[3]。

2 实验操作设计与实现

实验步骤设计：

1)元件检查

①用万用表的电阻档测量日光灯的两端，看其是否连通，若其电阻∞，则说明日光灯的灯丝已经断开。

②用万用表的电阻档测量电感镇流器的两端，若其电阻为 0，或∞，则说明电感镇流器的线圈短路或开路。

2)电子镇流器型日光灯电路组装

照明电路虚拟仿真平台见图3，虚拟演示平台见图4。

图3 照明电路虚拟仿真平台Fig.3 Virtual simulation platform of the lighting circuit

图4 照明电路虚拟演示平台Fig.4 Virtual demonstration platform of the lighting circuit

实验步骤：连接插座——连接空气开关——连接双控开关———连接电子整流器——连接灯管——测试。

在系统开发过程中，由于实验操作本身的强参与性和可操作性要求其具备极强的交互性能，而在所有影响教学系统交互性能的因素中，界面交互性是基础和保障，学习者只有通过与实验系统界面间良好的交互操作才能进一步完成与实验内容间的有效信息交互[4]。

学生按照流程连接完实验电路后，如果连接完全正确，可以实现双控开关控制荧光灯管的亮灭，但是如果出现错误怎么来检查故障呢？平台设计了电路故障分析功能，对此，我们对可能出现的错误进行了解析。下面就是其中的一个分析实例：双控开关连接错误或出现故障。

1)连线错误（见图 5）：

图5 可能出现的错误连接Fig.5 Possible error connection of the lighting circuit

①合上空气开关，电路不通，拨下开关1，电路不通，再拨下开关2，电路通，拨开关1，电路不通，任意拨打开关2，电路不通，。

②合上空气开关，电路通，拨下开关2，电路不通，再拨开关1，反复拨动开关1，电路均不通，。

分析：此种现象表明两个双控开关的COM端与1口或2口混淆，连线错误。

2)出现故障：不管怎么拨弄双控开关1、2，电路一直不通。在空气开关闭合的情况下，用电笔测量双控开关1的COM端，电笔亮，此时，测量双控开关2的COM端，上下拨动双控开关1，电笔均不亮。

分析：先检查线路是否连接正确，如果连接无误，则检查连线的接口及开关本身的故障问题。检查过程如图6所示。

图6 双控开关故障分析图Fig.6 Failure analysis diagram of the double switch

3 结论

传统教学中的教学媒体是教师完成教学任务、传授知识的工具，当多媒体课件、电子作业系统、虚拟实验系统、电子出版物等现代教学媒体进入课堂教学后，以计算机为核心的信息技术、通信技术、网络技术则改变了传统的教学方法和教学模式。虽然虚拟实验中的设备是虚拟的，但它是真实实物的映射，因此在虚拟环境中操作而产生的真实感很接近人的经验[5]。

虚拟实验是对真实实验的模拟，真实实验是虚拟实验的基础，虚拟实验的局限性恰恰又是真实实验的优点，二者是相辅相成的[6]。发挥二者各自的优势，精心组织实验教学，会受到更好的效果。基于3D的虚拟实验教学平台与普通仿真软件的不同之处在于，它是对现实的一种还原，更有利于学生直观地理解和认知。

[1]郭桂苹,南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学,2010，(5)10:175-178.

[2]谢陈跃,谢斌盛.电工电子基础实习[M].北京:中国大地出版社,2008:16-22.

[3]徐明,刘海龙.三维虚拟实验教学资源管理平台[J].实验室研究与探索,2013，32(8):276-279.

[4]王荣芝,辛日华.网络虚拟实验的界面交互设计[J].实验室研究与探索,2009，8(2):82-84.

[5]王济军,魏雪峰.虚拟实验的“热”现状与“冷”思考[J].中国电化教育,2011，291(4):126-129.

[6]田丰.虚拟实验与真实实验的整合研究[J].实验技术与管理,2005，22(11):89-92.