虚拟现实(virtual reality，简称VR)是一种利用计算机模拟生成一个三维空间虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,用户可以通过特定的设备参与到该虚拟世界里，并与虚拟对象进行交互，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察空间内的事物的高新技术。

将虚拟现实技术应用到教育领域是教育史上的一个里程碑。春秋战国时期,著名教育家孔子就提出了"寓教于乐"的教学原则，即愉快地学习是学习过程中的最终归宿，也是实现学习目的的最佳途径。在信息技术高速发展的今天，教师的教学方式和学生的学习兴趣不断发生改变, 授课越来越多的依靠网络、手机、电视等媒体。但是这些媒体提供的信息往往是抽象的，在很大程度上超出了学生进行理解的范围。相比之下，虚拟现实技术利用其独特的立体化表现形式、姪松的交互方式及对真实事件的模拟仿真性，在新时代教学中表现出了巨大的应用潜力。本次设计的目的就是充分运用虚拟现实技术的优势，通过虚拟技能训练、虚拟实验室、虚拟教学、虚拟测试等多方面的应用，提高学生学习的效率，拓展学生的思维，使学生的学习方式从被动接受变为主动探索。

在欧美等发达国家，将虚拟现实技术融入教育教学中己成为一种普遍现象。尤其是在技能的训练方面和影视制作当中，早在1985年，(简称NLM)的VisibleHuman Project 项目就己经开始利用虚拟现实技术模拟人体进行虚拟人体的医学研究工作,并开展相关方面的虚拟人体教学培训；随后德国的Hannover大学利用虚拟现实创建了一个虚拟的实验室，在实验室中，所有的操作都是自动化的；2008年,美国纽约州立大学布法罗分校University at Buffalo,the State University ofNewYork虚拟现实实验室成功开发出了真正意文上的实体化虚拟青蛙解剖实验系统(Virtual experiment of frog)，在这个虚拟实验系统中，实验者可以在屏幕上随意地动手对青蛙进行解剖，这种解剖环境与真正的解剖实验几乎一样，浏览者还能任意调整观察角度、缩放图像。

2012年，在第二次世界教育教学领导会议上，澳大利亚迪肯大学教授Janette Grenfell提出了在艺术教育教学中构建沉浸式虚拟学习环境的主张，鼓励高等教育的学生和教育工作者之间合作参与虚拟社会网络学习景观及多模式的教学和学习方式。2013年在西班牙圣克鲁斯.德.特内里费市举行的增强虚拟现实在教育中应用的国际会议上，JorgeMartln-Gutirrez提出将虚拟现实技术引入课堂以满足教师和学生的教学需求；另一位学者Wael A.ABdelhameed通过一个案例详细阐述了虚拟现实在建筑设计中的实际应用。

我国虚拟现实技术的研究起步于上世纪九十年代初，1993年，中国科技大学就从事大学教学软件的研究和开发，两年后推出的“大学无极计算机仿真实验”系统当时成为了国际上第一个虚拟现实的教学软件，很多学校在教学的过程中使用了这款软件。清华大学的工程力学虚拟实验室是一个真实度较高的软件，它在众多工程实验资料的基础上，根据实验资料上的数据和控制理论对力学实验进行仿真和模拟。这款软件的界面中的虚拟物体和真实物体相似度很高，而且在进行实验操作的时候具有很好的交互性。它对教师在教学之前让学生自己预习以提高学习效率起到了非常有效的作用，学生也可以在课下的时间通过反复多次改变实验条件来进行实验的操作来加深对知识的理解。

随着科学技术的的迅速发展，除了高校以外，国内的很多公司也在虚拟现实在教学中的应用方面做了很多的工作，开发了很多产品。2005年，南京的金华科软件有限公司推出了一款物理教学软件——《仿真物理实验室》。这款软件有演示型和探究型实验两种类型的实验，演示型实验就是在进入实验页面以后，点击播放按钮，页面就会播放动画，让学生观察到实现现象的变化。探究型实验可以让学生从旁边选择自己所需要的实验器材，进行组装之后，点击播放按钮，观察实验现象。这款软件的不足之处就是它所播放的动画以及实验器材都是二维图片，交互性不强，用户在使用时沉浸感不强。目前师生使用较多是“畅言云”平台上的基于网页的虚拟实验，它包括了虚拟初中物理实验75个，虚拟初中化学实验36个，虚拟高中物理实验102个，虚拟高中化学实验154个。这里的虚拟实验内容丰富，涵盖的实验比较全面。在实验操作的过程中，会有实验目的、实验操作步骤、实验原理图的提醒，根据这些提醒可以方便的进行实验的操作。但是这些虚拟实验很多仍是以二维图片为主。

2. 研究的基本内容与方案

本次设计的目的是建立一个3D虚拟教学系统，通过unity3D和三维建模软件Rhino3D的结合，完成知识原理演示、虚拟实验、在线测试等模块，并对结果进行比较分析。

数字电子技术是高等教育中电子电气信息类各专业的重要技术基础课程，是一门实践性很强的课程，它的理解和掌握对本科生接下来的学习和实践有着重要的意义。本次虚拟教学任务以多个数字电路基础实验为例，由理论讲解系统、实验系统和在线测试系统三部分组成：

（1）理论讲解系统设计为传统的幻灯片讲解。通过搭建的3D虚拟教室，可以完成选择课件、播放和暂停课件、修改课件等功能。

（2）考虑到由于实验设备不足，很多学校可能不得不多人共用一台设备，是很多学生无法亲自动手操作。加之大学生学习时间较为自主，集体前往实验室的方式会造成许多不便。利用unity3D搭建的虚拟实验设备可仿真真实的数字电路实验室，学生可以不限时的设计并完成实验，并且可以自主设计实验，独立完成芯片的选择、安装和拆卸。