主頁 > 技術(shù)文章 > 淺談虛擬教學(xué)系統(tǒng)在《單片機原理與應(yīng)用》教學(xué)中的運用 2024-10-09

淺談虛擬教學(xué)系統(tǒng)在《單片機原理與應(yīng)用》教學(xué)中的運用

摘要：由于《單片機原理與應(yīng)用》具有較強的抽象性，是一門綜合性和應(yīng)用性很強的課程，學(xué)生學(xué)習(xí)起來往往難以理解，教學(xué)難度相對較大。另外，傳統(tǒng)的教學(xué)模式過于陳舊，教學(xué)手段過于單一，如果不對現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行升級，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法將很難達(dá)到教學(xué)目的。為了使學(xué)生能夠更加直觀、深入的理解所學(xué)知識，根據(jù)實踐教學(xué)要求，通過對虛擬教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行全新的開發(fā)和設(shè)計，建立起新的虛擬教學(xué)系統(tǒng)模式，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力和動手能力的目的。
　　和以往教學(xué)模式的差別在于，虛擬教學(xué)系統(tǒng)是建立在虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上的新型教學(xué)模式。通過采用這種教學(xué)技術(shù)手段能夠營造出一個仿真的學(xué)習(xí)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(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，提高學(xué)習(xí)熱情，從而實現(xiàn)快速提高學(xué)習(xí)能力的目的。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)教學(xué)，可以對單片機的硬件電路原理進(jìn)行直觀的演示和講解。采用基于 Flex 的虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā) 的教學(xué)系統(tǒng)，不但界面美觀，用戶交互體驗感強，而且提高了學(xué)生的動手實踐能力和教學(xué)質(zhì)量。
　　1.《單片機原理與應(yīng)用》虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
　　1.1系統(tǒng)框架和功能模塊設(shè)計：
　　虛擬教學(xué)系統(tǒng)采用三層B/S結(jié)構(gòu)，開發(fā)技術(shù)采用.NET，MXML+ Action Script，JavaScript技術(shù)等，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2000，其中第一層為客戶端層，該層主要表現(xiàn)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(xiàn)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(shù)來建構(gòu)RIA應(yīng)用程序，給用戶以豐富的人機交互體驗；第二層為業(yè)務(wù)層，該層主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的邏輯業(yè)務(wù)，以此來完成客戶端層與信息資源層之間的數(shù)據(jù)交互；第三層為信息資源層，提供平臺所需的場景信息與數(shù)據(jù)信息，這一層實現(xiàn)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(xué)資源庫模塊、教學(xué)模塊以及協(xié)作學(xué)習(xí)模塊。
　　1.2系統(tǒng)界面設(shè)計：
　　界面設(shè)計主要包括界面布局、字體、頁面色彩等環(huán)節(jié)。其設(shè)計原則在遵循藝術(shù)美的前提下更加注重個性化，強調(diào)教學(xué)系統(tǒng)所要表達(dá)的主題，淡化非主流信息對學(xué)習(xí)者的干擾。對于虛擬教學(xué)系統(tǒng)的界面而言，選用藍(lán)色為主體背景色，并通過調(diào)整色彩的透明度和飽和度來產(chǎn)生文字和圖標(biāo)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(shù)來優(yōu)化網(wǎng)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(wǎng)站界面的表現(xiàn)力，使得界面更為友好�？梢圆捎脠D表控件，創(chuàng)建豐富的圖表，達(dá)到數(shù)據(jù)可視化效果。同時，F(xiàn)lex還提供了大量的用戶交互組件，對于知識體系的呈現(xiàn)，利用【Combo Box】組件對所有知識點以列表的形式展現(xiàn)并與用戶進(jìn)行交互。
　　1.3導(dǎo)航策略設(shè)計：
虛擬教學(xué)系統(tǒng)的信息量巨大，內(nèi)部信息之間的關(guān)系復(fù)雜，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者由于缺乏單片機專業(yè)教師的指引，迷航現(xiàn)象時有發(fā)生，所以應(yīng)當(dāng)提供導(dǎo)航策略設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，以提高學(xué)習(xí)效率。目前比較多的導(dǎo)航方式有檢索導(dǎo)航、導(dǎo)航圖導(dǎo)航、菜單導(dǎo)航、書簽導(dǎo)航、提示導(dǎo)航、演示導(dǎo)航、觸摸區(qū)導(dǎo)航等。
1.4交互策略設(shè)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(wù)而進(jìn)行的人機之間信息交流的過程，這種類型的交互是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要特征，也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的一個主要優(yōu)勢，系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實場景能否實現(xiàn)自然流暢的人機交互，將直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計的成敗。從技術(shù)特點來看，基于Flex的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為交互性提供了很多的交互機制，如視點、導(dǎo)航、事件的發(fā)送與接收等。主要體現(xiàn)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(xiàn)出不同的形態(tài)及具有空間感的三維效果；導(dǎo)航是用戶在虛擬場景中漫游的信息指示，通過導(dǎo)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(xiàn)實技術(shù)主要是采用Action Script腳本語言對虛擬環(huán)境中的對象產(chǎn)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(yīng)用》虛擬教學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用實現(xiàn)：
　　2.1虛擬實驗室構(gòu)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(jìn)行貼圖，最后固定Camera的坐標(biāo)，通過舞臺上鼠標(biāo)移動的距離來控制Camera旋轉(zhuǎn)的角度，從而實現(xiàn)360°全方位的展示。
　　2.2單片機及相關(guān)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(xiàn)一些復(fù)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(gòu)出虛擬場景及儀器模型，然后通過材質(zhì)為模型表面加入色彩、光澤和紋理等來達(dá)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(shù)以達(dá)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(yīng)用程序界面的XML語言，它通過一組標(biāo)簽集來定義用戶界面，同時提供一些不可見類庫的調(diào)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(shè)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?qū)ο蟮哪_本語言，在Flex中，用戶可以采用的標(biāo)簽來嵌入Action Script代碼，也可以從獨立的外部文件來導(dǎo)入相關(guān)代碼。在開發(fā)虛擬實驗的過程中，Papervision3D作為外部的類庫導(dǎo)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(jìn)行調(diào)用。
作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)之一的桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有開發(fā)成本低、不需要昂貴的虛擬現(xiàn)實設(shè)備、只需在客戶端安裝相應(yīng)插件即可，應(yīng)用價值較高，推廣性強，更適合應(yīng)用于單片機教學(xué)之中。同時，虛擬協(xié)同工作、儀器的遠(yuǎn)程虛擬仿真操作技術(shù)等方面有待更深入的探索與創(chuàng)新，這些也將是作者進(jìn)一步研究的方向。

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