计算机虚拟仿真技术在教学中的应用之浅见

1 计算机虚拟仿真技术在教学中的应用之浅见计算机虚拟仿真技术在教学中的应用之浅见 袁海洪 袁海洪 男 1971 1 本科 技师 教师 摘摘要要 利用计算机技术生成一个逼真的 具有视 听 触等多种感知的虚拟仿真环境 把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源 以打破物理结构之间的壁垒 使学习者 可以同虚拟仿真环境中的实体交互 产生互动 帮助使用者提高对事物的感知和认识能 力 启发参与者的思维 同时可以避免教学设备条件的局限性 虚拟仿真可以提高 技能培训的效率 减少或弥补物理资源的数量 隐藏物理资源的部分复杂性 加以 先进的教学方法已达到事半功倍的效果 虚拟现实技术可以广泛应用在教学活动中 并且可以带来切实可观的效果 首 先 设备元器件的虚拟现实可以让参与者进行人机互动获得身临其境的体验 其次 能帮助初学者加深对专业技能的了解 同时可以初步掌握必要的理论知识 随着深 入的开发 通过数据接口的指令可以实现控制真实环境中的器件或设备 与此同时可随 时获得所学项目的数据资料 多媒体技术与网络技术的发展为现代教育手段的现代化带来了新的机遇和挑战 随着计算机技术的快速发展 现代教育技术的应用已不再是停留在音像技术课堂中应用 的常规模式层次上 而是朝着多媒体化 网络化 信息化 教育技术应用模式多样化 和远程教育普及化的趋势发展 特别是基于计算机仿真技术的虚拟教学形式 是一种最 新出现的教学模式 具有广阔的发展前景 代表了教育的未来和发展的方向 虚拟现实 Virtual Reality 简称 VR 又称为灵境技术 它汇集了数字图象处理 计算机图形学 多媒体 技术 人工智能 人机接口技术 传感器技术 以及人体行为 学技术 是计算机技术的综合应用 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 用户借助必要的设备以 自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用 相互影响 从而产生如同真实环境的感 受和体验 尽管该环境并不真实存在 但它作为一个逼真的三维环境 仿佛就在我 们周围 由于用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存存意识或幻 觉 从而使得用户在计算机所创建的维虚拟环境中处于一种全身心投入的状态 一一 虚虚拟拟现现实实系系统统的的构构成成 2 虚虚拟拟环环境境 它由虚拟环境发生器所产生 且可让使用者通过传感器件和作用器件 与之交互 这种交互的结果是使用者有全身心进入这一环境的感觉 传传感感器器件件 它将虚拟环境中的物体的形 动作 声音等进行转换 使人能获得视 觉 听觉 触觉等多方面的感觉 这些感觉与他以往在实际环境中的感觉一致 作作用用器器件件 它将人的一些约定动作 如行走 手势等 变成作用的信息 让虚拟环 境有所察觉 人人 虚拟现实实质上是一内含反馈的闭环系统 只有人的存在才能使这一反馈环 路有效成立 所以人是 VR 系统中不可缺少的成分 人通过传感器件感受虚拟环境的 存在 又通过作用器件去影响虚拟环境 使其作出相应的变化 虚虚拟拟环环境境发发生生器器 它能产生使用者所需要的虚拟环境 且能通过作用器件传来 的作用信息 了解使用者的位置和动作 并对已产生的虚拟环境作出相应的修改 通过虚拟可实现动态的资源部署和重配置 满足不断变化的教学需求 虚拟现实所建立的虚拟环境是基于真实数据数学模型组合而成的 技术标准严格遵 循项目设备的标准和要求 建立一个逼真的三维场景 对设施进行真实的 再现 可以使学员在虚拟场景中人机交互 同时可以减少理论或实践知识掌握不周全造成的设 备损坏和安全事故 提高了项目任务的学习质量 二二 虚虚拟拟仿仿真真在在计计算算机机专专业业教教学学活活动动中中的的使使用用 计算机课程实践性很强 在书本上体现难免会给人们的理解带来困难 利用虚拟现 实技术制作的课件能够很好地解决这一问题 例如 在计算机基础课程中介绍计算机中 各个组件的结构和讲解计算机组装的过程时 书本的文字难以让学习者了解组件结构和 组装的过程 利用虚拟现实技术可以将文字 声音 图片 动画等几种媒体表现形式有 机地结合 设计出生动活泼的界面 制作出一些三维的 交式的 具有沉浸感的内容 满足学习者从各个角度观察和学习 仿佛身临其境 更好地理解学习的内容 由于计算机发展的太快 因此现在许多学生在开始学计算机时 都是从 Windows XP Windows 2003 开始学习 而对于 MS DOS Windows 3 x NetWare 等并不了解 这样 当使用的计算机出现故障时 就不知道应该怎样解 决 因为他们不知道计算机的来龙去脉 不知道怎样去解决 比如一个很小的故障 装 有 Windows XP 的计算机不能启动了 有可能是因为在软驱中有一张非引导磁盘 或 者光驱中有 非引导光盘等一些其他设备与计算机相连接 这时就不知道把这些东西取 出或移除再重新启动计算机 3 学生可能学习了一些计算机的 历史 知识 也知道启动磁盘 也知道MS DOS 也知道格式化磁盘 也知道硬盘在使用前需要分区和格式化 也知道软件需要 安装 也知道 学生们从书本上学了太多的 也知道 但是却很少有学生能亲 手去实践 原因如下 学校的机房都是由机房管理员负责安装好系统 机房的机器一般是不允许学生自己 安装系统 更不准许学生对硬盘分区和格式化 即使学生自己有机器 配置也很高 但 也很少有学生在自己的机器上分区 格式化和频繁安装新的系统 如果总对硬盘进行分 区和格式化 机器不会用很长时间 如果想学工具软件 也不会用自己的机器做实验 尤其是一些 危险 性的实验 学生只有一台机器 不能做网络实验 最多能做一些 上网的实验 即使几个同学把机器放到一起做实验 姑且不说场地和电源不好找 就是 网卡和交换机之类的东西也不好配 如果在机器上使用最新软件 就可能造成系统不能启动 容易感染病毒等 如果 使用新的系统软件 那就更容易出现故障 因为安装新系统时 很容易损坏硬盘和丢 失数据 要知道 计算机硬件相对来说有价 但是数据在很多时候是无价的 即使是 计算机的高手 也容易在测试新的系统时出现错误 有了虚拟机 就可以在虚拟机中 安装各种软件 不用为了测试软件天天安装新系统 在测试系统软件时也不用担心宝 贵的数据了 在虚拟机中做实验 一切都是真实的 与在真正的计算机上做实验效果 是完全一样的 同时 机房管理员 也可以完全放心 学习计算机需要做大量的实验 需要反复地安装 删除 测试系统或者软件 但 现有微机系统存在着多样性 每台计算机的配置都不一样 同样的软件在不同的机器 和不同的环境下安装时都有可能不一样 使用虚拟机软件 不管主机是何种配置和 何种环境 在虚拟机中 安装操作系统或者应用软件 都可以提供一个标准和统一的环 境 只要按照软流程 进行操作 实验结果不会有任何的不同 在 20 世纪 90 年代初期 每一个学习计算机的人都是从MS DOS 开始学起的 但是 MS DOS 页面不好 还需要记忆一大堆的命令与单词 所以很快被Windows 所取代 虽然现在已经进入 Windows 时代 已经很少用到 DOS 命令 但是当计算 机出现一些故障时 Windows 98 不能启动 Windows NT 或者 Windows 2000 Windows XP 丢失 boot ini 文件不能启动时 或者需要进行一些必要的操作时 如在 Windows 下 大量改变许多文件的扩展名 需要格式化硬盘和分区等操作 还是会用到 DOS 命令的 4 学习 MS DOS 有助于了解操作系统的发展简史 在必要时可以用 DOS 命令来做做一些在 Windows 操作系统下不能完成的工作 即使是现在 Windows 操作系统已经到了 Windows XP Windows 7 还是有一些重要的操作需要通过 DOS 命令来实现 但是由于条件的限制 MS DOS 只能安装在 FAT16 的分区上 MS DOS6 22 管理的磁盘分 区不能超过 2GB 还需要把 MS DOS 安装在物理硬盘的第一个主分区上 现在的机器 普通 情况下 P4 的 CPU80GB 以上的硬盘 默认安装的是 Windows XP 或者 Windows 2003 等 磁盘分区为 FAT32 或者是 NTFS 格式 在正常情况下是不能安装 MS DOS 的 我们就可以利 用虚拟计算机来实现 虚拟可在不影响用户的情况下对物理资源进行删除 计算机虚拟化 技术升级或改变 由于虚拟环境下的实验 反复的硬盘初始化对实际的物理硬盘没有丝毫 影响 大大的降低了真实环境下的硬件损伤 延长了硬件设备的使用寿命 节约了消耗 企业需要各种网络管理人员有 初 中 高 不同的管理人员 但在学校教学活动中 由于实验成本太高学校一般不会专门筹建一个 群集 服务的实训场合 例如 在城域网 和广域网的网络建设过程中 不必真正把网络构建起来就可以亲身体验 犹如进行现场的 操作 我们可以在 VM ware 的虚拟机中做群集的实验 并亲手组建各种网络 学会这些网 络的组建 管理和维护 Windows NT 网络的组建 Windows 2000 路由器的实验 RAID 硬盘镜像实验 Windows XP 的网桥实验 NetWare 4 11 的网络实验以及在虚拟机中上网 的内容等在虚拟机中模拟通过实验学习 使学生掌握和熟悉基本的网络环境 学会这些基 本网络的组建 管理和维护 在 网页设计 的教学活动中 需要多台计算机在多种环境及多个系统下运行 或者 在一台计算机上反复安装不同环境 单机环境 网络环境 不同 IE 版本数据库环境等 或 多系统 如 Windows 2003 windows XP Windows 7 等 进行测试 网页设计学生制作的 网页 在上传到网站后 他不知道最终用户的使用环境 如使用的是 IE5 0 还是 IE6 0 是 Internet Explore Netscape 还是 Opera 为了避免出现问题 在将网页上传之前 需要在安装不同版本的计算机上进行测试 由于机房使用的局限性不可能同时出现如此多 不同系统的计算机 但可以在一台计算机上安装多种虚拟机和配置多种环境自己进行测试 了 这也有利于发现问题和快速反馈问题 计算机组装与维护 课程是计算机专业学生必修的一门基础专业课 实验性很强 课程内容主要涉及计算机硬件系统的安装与调试维修 软件系统的安装与维护 常用维护 工具软件的使用等 其中 在软件系统安装和常用维护工具软件使用的教学中 为了给同 学们提供真实的演示过程 让学生直观形象的学习实践技能 传统的操作方法是教师在一 5 台裸机上执行完整的操作过程以给学生提供真实的实践指导 当这样对于计算机软件系统 而言 每次实验指导时 教师的演示操作势必彻底的破坏了教师机的系统环境而使教学环 境受到了极大的制约 同时也人为的增加了实验室机器的维护难度 针对这样的情况 我 们在 计算机组装与维护 课程教学与实验操作中引入虚拟机软件技术 它不仅为教学提 供了真实的演示效果 极大地改善了教学计划的实施 还避免了实验时人为造成的计算机 硬件设备的损坏 使教学的组织实施与教学效果都有了较大的提高 在计算机组装与维护课程的软件系统安装与维护教学中 需要涉及到 CMOS 参数设置 硬盘初始化 操作系统的安装与设置 系统优化与维护等操作 由于这些操作与计算机的 操作系统环境相关联 直接改变计算机的系统环境甚至破坏计算机系统而使机器无法正常 工作 从而影响到课程的教学组织实施 利用虚拟机技术 可以很好的避免此种现象的发 生 我们使用 Virtual PC 7 0 汉化版 这也为学生提供一个界面良好 操作简单的实验环 境 创建虚拟计算机环境创建虚拟计算机环境 首先主机上安装完虚拟机软件 Virtual PC 7 0 汉化版 然后启动运行虚拟计算机软件 Virtual PC 7 0 根据操作向导完成虚拟计算机环境的创建 如图就是通过虚拟机软件创 建的虚拟计算机 CMOS 参数设置下见图 6 由于使用虚拟机软件创建的虚拟计算机相当于物理裸机 即通过虚拟软件虚拟了计算 机系统所必需的硬件环境 我们知道裸机是无法工作的 所以我们还需在裸机的基础上安 装软件环境 在 CMOS 参数设置界面中我们设置计算机的启动顺序首先从光盘启动 为我们 后面使用光盘启动盘启动计算机并进行软件系统的安装准备条件 1 1 硬盘初始化操作 硬盘初始化操作 保存 CMOS 的参数设置 使用 DOS 启动光盘或启动光盘镜像文件启动计算机至 DOS 命令 行界面 运行硬盘分区命令 Fdisk 对硬盘进行分区 格式化等初始化操作 因为虚拟计算 机支持使用光盘镜像文件 类似于虚拟光驱 这也为我们在实验中节省了大量的光盘消耗 和一些实验环境准备的时间 另外 由于主机上创建的客户机只是物理计算机上的一个 VHD 文件 所谓的硬盘初始化操作也只是对物理计算机上的 VHD 文件进行操作 所以特别 适用于学生实验环境 可以反复进行而不会对物理硬盘产生硬伤和主机软件系统破坏 同 时虚拟机提供的操作环境与真实的物理计算机操作完全一样 不至于有模拟的感觉 此外 对于计算机 DOS 系统中的硬盘初始化软件的学习与使用 虚拟计算机可以提供 非常有利的实验环境 2 2 安装操作系统 安装操作系统 通过初始化操作 我们进一步理解了计算机的文件存储原理 为了使用计算机的强大 功能 我们还要安装计算机操作系统 为用户提供良好的图形操作界面 在虚拟计算机的 光驱中放入安装光盘或使用光盘镜像文件 执行安装程序 按照安装向导进行相关设置 即可完成安装过程 2 2 虚拟电路和虚拟仪器的使用 虚拟电路和虚拟仪器的使用 7 在模拟电路或数字电路的课程实验中 可以通过虚拟的电路器件来达到电路设计的目 的 而没有购买器件问题所带来的麻烦 并可以通过虚拟仪器来对这些电路进行测量 从 而避免仪器可视界面过小或设备不足的窘境 Multisim 本来是加拿大图像交互技术公司 Interactive Image Technoligics 简称 IIT 公司 推出的以 Windows 为基础的仿真工具 被美国 NI 公司收购后 更名为 NI Multisim NI Multisim 用软件的方法虚拟电子与电工元器件 虚拟电子与电工仪器和仪 表 实现了 软件即元器件 软件即仪器 是一个原理电路设计 电路功能测试的虚拟 仿真软件 NI Multisim 的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用 同时也可以新建 或扩充已有的元器件库 而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查 到 因此也很方便的在工程设计中使用 NI Multisim 的虚拟测试仪器仪表种类齐全 有一般实验用的通用仪器 如万用表 函数信号发生器 双踪示波器 直流电源 而且还有一般实验室少有或没有的仪器 如波 特图仪 字信号发生器 逻辑分析仪 逻辑转换器 失真仪 频谱分析仪和网络分析仪等 NI Multisim 具有较为详细的电路分析功能 可以完成电路的瞬态分析和稳态分析 时域和频域分析 器件的线性和非线性分析 电路的噪声分析和失真分析 离散傅里叶分 析 电路零极点分析 交直流灵敏度分析等电路分析方法 以帮助学生分析电路的性能 NI Multisim 可以设计 测试和演示各种电子电路 包括电工学 模拟电路 数字电 路 射频电路及微控制器和接口电路等 可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障 如开路 短路和不同程度的漏电等 从而观察不同故障情况下的电路工作状况 在进行仿 真的同时 软件还可以存储测试点的所有数据 列出被仿真电路的所有元器件清单 以及 存储测试仪器的工作状态 显示波形和具体数据等 利用 NI Multisim 与传统的电子电路设计与实验方法相比 具有如下特点 设计与 实验可以同步进行 可以边设计边实验 修改调试方便 设计和实验用的元器件及测试仪 器仪表齐全 可以完成各种类型的电路设计与实验 可方便地对电路参数进行测试和分析 可直接打印输出实验数据 测试参数 曲线和电路原理图 实验中不消耗实际的元器件 实验所需元器件的种类和数量不受限制 实验成本低 实验速度快 效率高 设计和实验 成功的电路可以直接在产品中使用 与标准的实验室仪器相比 使用软件制作的虚拟仪表 可以定义仪器的功能 使用计 算机 插入式硬件和 NI Multisim 能共同组成一个可完全配置的虚拟仪器 以完成用户的 8 任务 使用这些软件 用户可以根据需要创建所需的任何类型的虚拟仪器 而其成本仅仅 是传统仪器的一小部分 当需求变化时 还可以在瞬间修改虚拟仪器 在对机械系统进行分析时 使用虚拟样机技术 虚拟样机技术 rtual Prototyping Technology 又译虚拟模型技术 是一项新生的工程技术 它采用计算机仿真与虚拟技术 在计算机上通过 CAD CAM CAE 等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中 实现产品 的仿真 分析 虚拟样机技术在设计的初级阶段就可以对整可视化的环境中 实现产品的 仿真 分析 虚拟样机技术在设计的初级阶段就可以对整个系统进行完整的分析 可以观 察并试验各组成部件的相互运动情况 使用系统仿真软件可以在各种虚拟环境中真实地模 拟系统的运动 在计算机上方便地修改设计缺陷 仿真实验不同的设计方案 对整个系统 不断改进 直至获得最优设计方案以后 再做出物理样机 虚拟计算机的使用 使学生可以尽情地 放心大胆地做每一个实验 虚拟现实 技术还可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟 通过虚拟系统便可以直接 地观察到这一假设所产生的结果或效果 从而激发学生的创造性思维 培养学生的创造能 力 通过虚拟的实验室进行实验 既可以缩短实验的时间 又可以获得直观 真实的效果 还能对那些不可见的结构原理和不可重组的精密设备进行仿真实训 避免真实实验操作带 来的各种危险 并且 虚拟实验具有先进性和共享性 易扩充 易于改变教学项目 减少 设备投入经费 使教学内容在虚拟的环境中不断更新 使实验实践及时跟上技术的发展 但是在采用虚拟实验进行教学的过程中 并不能完全代替真实实验 虚拟实验是虚拟的实 验 缺少 实物感 正如在网上看书与拿真实的书看时 会觉得真实的书更实在 在网络 实验中 用到的网络设备像路由器 交换机等种类 型号都很多 在虚拟实验中 学生很 难见到这些设备 如果在真正的实践中可能会无从下手 因此 在具体实施中 应该虚实 进行结合 有目的地安排一些实验在真实环境中操作 这样 他们会对实验的设备有亲身 的体会 更