主頁 > 技術文章 > 淺談虛擬教學系統(tǒng)在《單片機原理與應用》教學中的運用 2024-10-09

淺談虛擬教學系統(tǒng)在《單片機原理與應用》教學中的運用

摘要：由于《單片機原理與應用》具有較強的抽象性，是一門綜合性和應用性很強的課程，學生學習起來往往難以理解，教學難度相對較大。另外，傳統(tǒng)的教學模式過于陳舊，教學手段過于單一，如果不對現有的教學模式進行升級，采用傳統(tǒng)的教學方法將很難達到教學目的。為了使學生能夠更加直觀、深入的理解所學知識，根據實踐教學要求，通過對虛擬教學系統(tǒng)進行全新的開發(fā)和設計，建立起新的虛擬教學系統(tǒng)模式，從而達到培養(yǎng)學生邏輯思維能力和動手能力的目的。
　　和以往教學模式的差別在于，虛擬教學系統(tǒng)是建立在虛擬現實技術基礎上的新型教學模式。通過采用這種教學技術手段能夠營造出一個仿真的學習環(huán)境，通過對人體各種感官的刺激，使人體驗到身臨其境的感覺，刺激學生的學習欲望，提高學習熱情，從而實現快速提高學習能力的目的。通過網絡技術、虛擬現實技術來實現教學，可以對單片機的硬件電路原理進行直觀的演示和講解。采用基于 Flex 的虛擬現實技術開發(fā) 的教學系統(tǒng)，不但界面美觀，用戶交互體驗感強，而且提高了學生的動手實踐能力和教學質量。
　　1.《單片機原理與應用》虛擬教學系統(tǒng)設計
　　1.1系統(tǒng)框架和功能模塊設計：
　　虛擬教學系統(tǒng)采用三層B/S結構，開發(fā)技術采用.NET，MXML+ Action Script，JavaScript技術等，數據庫采用SQL Server2000，其中第一層為客戶端層，該層主要表現為系統(tǒng)界面，在Web瀏覽器上外掛Flay Player播放器，該層用來實現用戶與整個系統(tǒng)的交互，在該層中，部分頁面可以采用Flex技術來建構RIA應用程序，給用戶以豐富的人機交互體驗；第二層為業(yè)務層，該層主要負責整個系統(tǒng)的邏輯業(yè)務，以此來完成客戶端層與信息資源層之間的數據交互；第三層為信息資源層，提供平臺所需的場景信息與數據信息，這一層實現信息資源的集中統(tǒng)一管理，該層主要包括師生信息庫、模型庫、課件庫、試題庫等。系統(tǒng)功能模塊主要包括管理模塊、教學資源庫模塊、教學模塊以及協(xié)作學習模塊。
　　1.2系統(tǒng)界面設計：
　　界面設計主要包括界面布局、字體、頁面色彩等環(huán)節(jié)。其設計原則在遵循藝術美的前提下更加注重個性化，強調教學系統(tǒng)所要表達的主題，淡化非主流信息對學習者的干擾。對于虛擬教學系統(tǒng)的界面而言，選用藍色為主體背景色，并通過調整色彩的透明度和飽和度來產生文字和圖標的色彩，對需要交互對象的按鈕等工具采用三維立體的形狀來凸顯出虛擬系統(tǒng)的多感知性。采用Flex技術來優(yōu)化網站界面有著很大的優(yōu)勢，它通過提供豐富的組件來增強網站界面的表現力，使得界面更為友好。可以采用圖表控件，創(chuàng)建豐富的圖表，達到數據可視化效果。同時，Flex還提供了大量的用戶交互組件，對于知識體系的呈現，利用【Combo Box】組件對所有知識點以列表的形式展現并與用戶進行交互。
　　1.3導航策略設計：
虛擬教學系統(tǒng)的信息量巨大，內部信息之間的關系復雜，在學習過程中，學習者由于缺乏單片機專業(yè)教師的指引，迷航現象時有發(fā)生，所以應當提供導航策略設計，引導學生進行有效學習，以提高學習效率。目前比較多的導航方式有檢索導航、導航圖導航、菜單導航、書簽導航、提示導航、演示導航、觸摸區(qū)導航等。
1.4交互策略設計：
　　交互性主要包含人機交互以及人與人的交互。所謂的人機交互，是指人與計算機之間使用某種對話手段，以一定的交互方式，為完成確定任務而進行的人機之間信息交流的過程，這種類型的交互是虛擬現實技術的一個重要特征，也是虛擬現實技術應用于虛擬教學系統(tǒng)中的一個主要優(yōu)勢，系統(tǒng)中的虛擬現實場景能否實現自然流暢的人機交互，將直接關系到系統(tǒng)設計的成敗。從技術特點來看，基于Flex的虛擬現實技術為交互性提供了很多的交互機制，如視點、導航、事件的發(fā)送與接收等。主要體現在：視點是用戶在人機交互的過程中通過改變攝像機的位置來改變觀察點，從而在不同的位置場景顯現出不同的形態(tài)及具有空間感的三維效果；導航是用戶在虛擬場景中漫游的信息指示，通過導航，用戶可以在虛擬環(huán)境中移動或檢查某個對象；基于Flex的虛擬現實技術主要是采用Action Script腳本語言對虛擬環(huán)境中的對象產生作用，通過編程控制來發(fā)送及接收對象。
2.《單片機原理與應用》虛擬教學系統(tǒng)中應用實現：
　　2.1虛擬實驗室構建：
　　在Flex Builder 3開發(fā)環(huán)境中，借助Papervision3D開源的3D引擎，建立一個Sphere形體，然后對形體進行貼圖，最后固定Camera的坐標，通過舞臺上鼠標移動的距離來控制Camera旋轉的角度，從而實現360°全方位的展示。
　　2.2單片機及相關硬件的三維虛擬模型展示：
　　Papervision3D中也自帶一些基本的形體（球體、立方體、平面、圓錐等），但無圖形界面，不能像專業(yè)的建模工具那樣通過點擊、拖拽等操作來創(chuàng)建幾何體，要實現一些復雜的模型，就需要借助3DS MAX、MAYA等工具。在3DS MAX中可以通過Polygon多邊形建模、特殊建模、修改建模、Patch面片建模、NURBS建模等方式來建構出虛擬場景及儀器模型，然后通過材質為模型表面加入色彩、光澤和紋理等來達到與真實事物相似的特性。建模的過程中，在不影響模型整體效果的情況下盡量減少多邊形的個數以達到減小輸出文件的體積。
　　2.3 MXML+Action Script編程控制
　　MXML是一種描述Flex應用程序界面的XML語言，它通過一組標簽集來定義用戶界面，同時提供一些不可見類庫的調用，在開發(fā)虛擬實驗時，可以在Flex工程文件中利用MXML語言來設計界面元素，優(yōu)化界面美觀，增強人機交互體驗。Action Script是一種面向對象的腳本語言，在Flex中，用戶可以采用的標簽來嵌入Action Script代碼，也可以從獨立的外部文件來導入相關代碼。在開發(fā)虛擬實驗的過程中，Papervision3D作為外部的類庫導入到 Flex Builder開發(fā)工具中，放置在Flex工程文件目錄下src文件中來進行調用。
作為虛擬現實技術之一的桌面虛擬現實技術具有開發(fā)成本低、不需要昂貴的虛擬現實設備、只需在客戶端安裝相應插件即可，應用價值較高，推廣性強，更適合應用于單片機教學之中。同時，虛擬協(xié)同工作、儀器的遠程虛擬仿真操作技術等方面有待更深入的探索與創(chuàng)新，這些也將是作者進一步研究的方向。

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