數(shù)字電路分析與制作三維虛擬仿真教學(xué)軟件開發(fā)

蒙俊健+談文潔+鐘育新

數(shù)字電路是中等職業(yè)學(xué)校電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識后，再進(jìn)行實驗的驗證，學(xué)習(xí)過程枯燥、學(xué)習(xí)難度大，這種方式難以調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。近年來，筆者積極探索電類專業(yè)基礎(chǔ)課程的改革，在課程整合和教學(xué)模式、方法、手段上進(jìn)行大膽實踐，充分運用信息化教學(xué)手段輔助教學(xué)，將數(shù)字電路整合為數(shù)字電路分析與制作，采用“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)。在“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式中，實踐教學(xué)是教學(xué)的重要組成部分。教師開展實踐教學(xué)需要寬敞的實踐場所、充足的實訓(xùn)設(shè)備和儀器儀表。因此，開發(fā)三維虛擬仿真技術(shù)開發(fā)教學(xué)軟件，建設(shè)三維虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，能夠在很大程度上解決實踐場所和設(shè)備不足的問題，克服傳統(tǒng)實踐教學(xué)空間和時間的限制，同時能大幅降低實訓(xùn)教學(xué)的費用。

一、軟件主要實現(xiàn)過程和所用技術(shù)

數(shù)字電路分析與制作三維虛擬仿真軟件的主要實現(xiàn)過程和所用技術(shù)有：利用CAD和3DMax軟件建立實訓(xùn)所需的元器件、電路板、儀器儀表等實物仿真三維模型，建立常用的電子元器件庫；利用unity3d軟件導(dǎo)入仿真三維模型，使用unity3d的Javascript、C#等編程語言對三維模型完成交互仿真編碼，實現(xiàn)人機(jī)交互；利用web發(fā)布模擬仿真包，使其在任何可以使用互聯(lián)網(wǎng)的地方都能隨時方便地使用該仿真實驗，提高教學(xué)效率與學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、三維仿真軟件功能設(shè)計

1.三維虛擬仿真教學(xué)軟件設(shè)計思路

數(shù)字電路分析與制作三維虛擬仿真軟件是以培養(yǎng)學(xué)生的元器件檢測、產(chǎn)品安裝、電路檢測和調(diào)試及電路故障排除能力為教學(xué)目標(biāo)構(gòu)建的虛擬仿真教學(xué)平臺。筆者學(xué)校成立了由學(xué)校專業(yè)教師和企業(yè)專家組成的教學(xué)軟件開發(fā)小組，根據(jù)數(shù)字電路分析與制作課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)認(rèn)知規(guī)律和企業(yè)的崗位要求及工作過程，遵循“項目導(dǎo)向、任務(wù)引領(lǐng)、理實一體”的課程建設(shè)思想，依據(jù)電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)典型工作任務(wù)，以常用電子小產(chǎn)品安裝為主線設(shè)計教材結(jié)構(gòu)，按照項目為載體，工作過程為導(dǎo)向，能力訓(xùn)練帶動知識學(xué)習(xí)的思路開發(fā)了理實一體化的《數(shù)字電路分析與制作》項目教材。在項目教材的基礎(chǔ)上，共同討論制訂軟件系統(tǒng)開發(fā)方案和功能指標(biāo)體系，并由專業(yè)教師對每個電子小產(chǎn)品進(jìn)行實際的安裝、檢測和調(diào)試，驗證、確定檢測項目和能力指標(biāo)，修改軟件系統(tǒng)開發(fā)方案和功能指標(biāo)體系，再由軟件技術(shù)開發(fā)公司來負(fù)責(zé)技術(shù)實現(xiàn)。

2.實訓(xùn)項目設(shè)置

數(shù)字電路分析與制作三維虛擬仿真教學(xué)軟件開發(fā)與項目教材配套，以便于師生在教學(xué)的過程中使用。根據(jù)教材的結(jié)構(gòu)特點，數(shù)字電路分析與制作三維虛擬仿真軟件設(shè)置了包括聲光控節(jié)能燈的制作、產(chǎn)品質(zhì)量檢測儀的制作、全貼片八路搶答器的制作、電動機(jī)故障監(jiān)測報警電路的制作、電子生日蠟燭的制作、數(shù)字電子鐘的制作、叮咚門鈴的制作、數(shù)字萬用表的制作在內(nèi)的8個項目。每個項目按教學(xué)目標(biāo)和電子小產(chǎn)品安裝工作過程及要求，分為若干個訓(xùn)練模塊。

3.教學(xué)功能設(shè)計

根據(jù)電子小產(chǎn)品安裝、調(diào)試工作過程和實訓(xùn)要求，實訓(xùn)教學(xué)主要訓(xùn)練學(xué)生的元器件識別、檢測、電路安裝、調(diào)試和故障排除能力。在每個項目實訓(xùn)操作界面中，包含了電路圖、元件挑選、元件檢測、安裝練習(xí)、在路測量、功能展示、通電測量、故障檢測這8個功能選項。

一是電路圖。點擊“電路圖”按鈕，可瀏覽所安裝的電子小產(chǎn)品的電路圖，便于學(xué)生在產(chǎn)品安裝過程隨時查閱。

二是元件挑選。在“元件挑選”功能模塊中，學(xué)生根據(jù)電子小產(chǎn)品的電路圖，在電子元器件庫中選擇需要安裝的電子元器件規(guī)格、型號和數(shù)量。同時可點擊“計時測驗”來檢測判斷所選元器件的對錯，通過“元件挑選”功能模塊的訓(xùn)練，可培養(yǎng)學(xué)生電子元器件識別能力和選擇能力。

三是元件檢測。在“元件檢測”功能模塊中，學(xué)生通過使用逼真的3D萬用表對各種元器件進(jìn)行檢測和判斷元器件的好壞，從而培養(yǎng)學(xué)生儀器儀表使用能力和元器件檢測能力。

四是安裝練習(xí)。在“安裝練習(xí)”功能模塊中，學(xué)生可利用已選擇的元器件在虛擬的印制電路板上進(jìn)行安裝練習(xí)，并通過“計時測驗”來檢測判斷所選元器件選擇和安裝方法的對錯，培養(yǎng)學(xué)生電子產(chǎn)品的安裝能力。

五是在路測量。在“在路測量”功能模塊中，學(xué)生使用仿真儀器儀表對已安裝完成的電路板上的變壓器、集成塊等電子元器件進(jìn)行在線電阻測量，培養(yǎng)學(xué)生電路測試能力。

六是功能展示。在 “功能展示”功能模塊中，學(xué)生對安裝完成的電子產(chǎn)品按鈕或開關(guān)進(jìn)行不同的操作，可完整地展現(xiàn)該電子產(chǎn)品的功能，便于學(xué)生對已經(jīng)完成的電子產(chǎn)品進(jìn)行功能檢測，判斷自己安裝的產(chǎn)品是否具有應(yīng)有的功能和達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

七是通電測量。在 “通電測量”功能模塊中，學(xué)生使用仿真儀器儀表對電路的電流、集成電路各引腳的電壓等物理量進(jìn)行測量和調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生的檢測和調(diào)試能力。

八是故障檢測。在“故障檢測”功能模塊中，學(xué)生可對模擬的不同故障進(jìn)行測試和檢測，培養(yǎng)學(xué)生的檢測和故障診斷能力。

在數(shù)字電路分析與制作三維虛擬仿真教學(xué)軟件的每個功能模塊中，具有操作步驟提示，相關(guān)的測量數(shù)據(jù)記錄表格、實時測試考評及重新開始等功能。學(xué)生完成練習(xí)，點擊“完成”或“提交答案”按鈕可得知自己在實際操作過程中的正確與錯誤的情況，在找出錯誤的原因后，可以按“重新開始”按鈕反復(fù)練習(xí)。在仿真情景下，學(xué)生可通過鼠標(biāo)中鍵平移、滾輪縮放、右鍵旋轉(zhuǎn)從任意角度觀察電子產(chǎn)品，交互式完成電子產(chǎn)品的安裝、調(diào)試和故障診斷。

三、三維虛擬教學(xué)軟件特點

總結(jié)起來，三位虛擬教學(xué)軟件主要有以下三個特點。

1.體現(xiàn)工作過程循序漸進(jìn)的特點

根據(jù)電子產(chǎn)品安裝工作過程循序漸進(jìn)的特點，每個實訓(xùn)項目可分為電子元器件挑選、電子元器件檢測、電子產(chǎn)品安裝、電子產(chǎn)品測量、產(chǎn)品功能展示、產(chǎn)品通電測量、產(chǎn)品故障檢測七大功能模塊，虛擬仿真、練習(xí)和考評融合。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生亦可根據(jù)自己學(xué)習(xí)情況，按順序進(jìn)行練習(xí)或選擇不同的模塊進(jìn)行訓(xùn)練、學(xué)習(xí)和測試。

2.學(xué)習(xí)過程中體現(xiàn)人機(jī)互動

教學(xué)仿真軟件界面設(shè)計友好，形式新穎。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可根據(jù)操作步驟提示進(jìn)行反復(fù)多次練習(xí)，掌握相關(guān)的操作技能。之后進(jìn)行實時測試考評，檢查自己掌握技能情況，時時體現(xiàn)人機(jī)互動。學(xué)生在人機(jī)交互的環(huán)境里，可以主動思考、主動探索、主動發(fā)現(xiàn)，從而極大地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)過程靈活

三維虛擬仿真在線實訓(xùn)教學(xué)平臺，使學(xué)生在課上、課下均可利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，克服傳統(tǒng)實踐教學(xué)受空間和時間的限制，反復(fù)實訓(xùn)對元器件的損耗和設(shè)備的損壞的問題。教師可根據(jù)教學(xué)的實際情況和教學(xué)環(huán)節(jié)選擇相應(yīng)的功能模塊，利用仿真軟件輔助教學(xué)，提高教學(xué)效率。

數(shù)字電路分析與制作三維虛擬仿真教學(xué)軟件在筆者學(xué)校2015級電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)試用，軟件以逼真的場景、豐富的內(nèi)容、良好的交互性，得到了教師、學(xué)生的認(rèn)可。它豐富了教學(xué)和實訓(xùn)手段，起到了促進(jìn)電類基礎(chǔ)課程教學(xué)模式、方法、手段上的改革，提高了課堂教學(xué)效率、學(xué)生的操作水平和教學(xué)質(zhì)量，降低了教學(xué)成本的效果。

課 題：本文為廣西職業(yè)教育教學(xué)改革重點項目《（數(shù)字電路分析與制作）數(shù)字化教學(xué)資源共享平臺的建設(shè)與實踐》（項目編號：GXZZJG2015A008）研究成果。

（作者單位：廣西機(jī)電工業(yè)學(xué)校）