情境學習理論下虛擬數(shù)字電路實驗平臺的設計

張新宇 石連栓

摘要：情境學習理論認為知識具有情境性，人們應該基于情境來習得知識。文章分析了基于情境學習理論的教學設計和虛擬數(shù)字電路實驗平臺的設計。該實驗平臺以情境學習理論為指導，應用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)而成。該平臺可為學習者創(chuàng)設一個虛擬的學習情境，學習者可在該情境中完成相應的數(shù)字電路實驗。與傳統(tǒng)的實體數(shù)字電路實驗平臺相比，本虛擬實驗平臺具有成本低、使用方便和操作過程安全的特點。

關鍵詞：情境學習；虛擬現(xiàn)實；虛擬實驗；電路仿真；3D

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0266-03

1引言

隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展虛擬仿真實驗應運而生，與傳統(tǒng)的器材實驗相比虛擬實驗具有成本低、操作過程安全、使用方便的特點，成了實驗課教學的一種新方式。電路仿真在電路相關的課程教學中占有相當重要的地位，在電路學習和設計開發(fā)過程中，電路仿真可大大縮短電路設計時間提高學習效率。目前在教學中常用的電路仿真軟件如Protel、Multisim、TINA等。

Proteus是一款來自英國的EDA仿真軟件，該軟件集成了原理圖布圖、PCB設計、單片機及外圍電路仿真等功能。其中單片機仿真功能支持多種處理器和編譯方式，備受用戶青睞。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的電路仿真工具，適用于模擬電路和數(shù)字電路的設計。它包含了電路硬件描述語言（HDL）輸入方式及電路原理圖的圖形輸入，具有良好的仿真分析能力。目前，Multisim在各大高校的使用十分普遍。TINA是歐洲Design Soft Kft公司研發(fā)的EDA軟件，用于模擬和數(shù)字電路的仿真分析。該軟件可以與其硬件設備Tina-Lab，即實時信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集器相連接，故能將實時測量與虛擬仿真結果相比對。這是目前所知能實現(xiàn)該項功能的少數(shù)實用技術產(chǎn)品之一，并且它是所知為數(shù)不多的具有簡體中文界面的成熟軟件。

這些軟件有著龐大的元件庫和強大的仿真能力，但是這些軟件都是基于二維平面的仿真注重電路原理的模擬，并不能為學習者提供一個學習情境，使學習者沉浸其中開展學習活動。因此結合情境學習理論開發(fā)一款逼真的3D虛擬數(shù)字電路仿真教學軟件十分具有必要性。

2基于情境學習理論的教學設計

2.1情境學習理論的內(nèi)涵

情境學習理論興起于20世紀80年代形成于20世紀90年代，代表人物有萊芙和溫格等。情境學習理論是繼行為主義“刺激—反應”學習理論與認知心理學的“信息加工”學習理論后，出現(xiàn)的又一個重要的研究取向，它將學習過程中的文化和物理背景納入了研究范圍之中。

情境學習理論認為，知識不能脫離情境而存在，知識的學習應在相應的情境中進行。在傳統(tǒng)的講授學習方式中，知識被固化成特定的符號。與傳統(tǒng)的講授學習方式不同，情境學習方式使學習在真實而又自然的環(huán)境中進行，學習者的行為是學習者與情境互動的結果。在學習者與情境互動的過程中，不僅可以習得顯性知識，而且在潛移默化中習得大量內(nèi)隱知識。就這樣，學習者在情境中不斷地實踐與反思，不斷地把在情境中學到的知識應用到情境中去，學習者的知識也不斷地得到增長。

2.2情境學習理論下的教學設計

在情境學習理論下的教學設計應包含教學目標、教學內(nèi)容、教學方式、教學關系四個方面，其結構如圖1所示。

2.2.1教學目標的設計

萊夫等人曾提出“學習的實質是個體參與實踐，與他人、環(huán)境等相互作用的過程，是形成參與實踐活動的能力、提高社會化水平的過程”。與傳統(tǒng)學校教學把認知能力的培養(yǎng)作為教學目標不同，情境學習理論更注重個體實踐能力的培養(yǎng)。實質上，如果認知能力脫離了現(xiàn)實環(huán)境就會因無法應用而失去意義。技能的培養(yǎng)需要個體在與環(huán)境的互動過程和知識與技能的實際運用中逐步形成。因此，學生的實踐平臺的設計思路為：明確要學習的知識及運用該知識的現(xiàn)實情境是什么，然后設計一個情境，使學習者能在該情境中習得并使用相關的知識和技能。

2.2.2教學內(nèi)容的設計

在以培養(yǎng)實踐能力為目標的教學中，應當為學習者創(chuàng)設真實的問題情境，以體現(xiàn)要學習的知識在現(xiàn)實生活中的存在方式。學習者應當參與真實或逼真的活動，為知識的理解和經(jīng)驗的交流創(chuàng)造條件。情境學習理論主張設計結構不良的真實問題作為學習任務，學生在實踐的過程中解決問題，在應用中理解知識，從而實現(xiàn)意義的建構。

2.2.3教學方式的設計

情境學習理論下的教學方式注重參與實踐。在基于實踐的教學活動中，學生是在問題的解決過程中通過與他人和環(huán)境互動來學習知識和技能的。因此，學生的“參與”和“實踐”是教學方式設計的重點。為了保證學生可以充分地參與實踐，一方面要為學生提供真實的問題情境，另一方面要給學生足夠的自由度，讓學生可以自由發(fā)揮。在學習者參與實踐的過程中，可以讓學習者扮演多種角色，當學習者融入學習情境中時，可以通過觀察和模仿學到情境中隱含的知識與技能。

2.2.4教學關系的設計

由于情境學習理論中的教學活動強調(diào)在真實的問題情境下培養(yǎng)學生的實踐能力，教師的任務也隨之產(chǎn)生了相應的變化。在真實的問題情境中，情況往往復雜多變并且很多問題沒有明確的界定。這就需要教師與學生之間有效的互動，為學生解決實踐中遇到的問題提供“腳手架”，以解決學生在單獨實踐中存在的效率低下、自信心受到打擊等問題。教師的角色屬于“實踐活動的設計者”和“為學習者提供幫助者”，而學習活動的主角是學生。與傳統(tǒng)教學中的師生互動不同，教師不是幫助學生獲取問題的答案，而是幫助學生理清思路、尋找方法從而保證學生的參與性。

2.3虛擬數(shù)字電路實驗平臺的學習模式

在虛擬數(shù)字電路實驗平臺上進行實驗應當以小組學習的方式進行。學習小組的各個成員組成實踐共同體，通過合作、討論、角色扮演等方式參與學習活動。虛擬數(shù)字電路實驗平臺中的學習體驗不僅包括學習者獲得的直接感受，還包括聯(lián)想、頓悟以及想象等一系列間接感受。

虛擬數(shù)字電路實驗平臺的學習模式如圖2所示。學習者與指導者和協(xié)作者構成實踐共同體，以協(xié)作的方式參與學習活動。學習活動分為虛擬電路連接和虛擬實驗現(xiàn)象兩個部分。在參與活動的過程中，學習者通過與虛擬情境的接觸能產(chǎn)生真實感、沉浸感和想象等一系列感受，這些感受將促進學習者習得知識與技能。

3虛擬數(shù)字電路實驗平臺的功能模塊設計

虛擬數(shù)字電路實驗平臺由平臺介紹、相關資料、虛擬實驗、實驗報告四個部分組成，其中虛擬實驗又分為元器件選擇、電路連接和實驗現(xiàn)象三個部分，其結構如圖3所示。

3.1平臺介紹

當學習者使用虛擬數(shù)字電路實驗平臺進行學習時，首先應當學習平臺介紹模塊中的內(nèi)容。該模塊向學生介紹了平臺中各個實驗中的元器件的使用方法以及注意事項。通過對該模塊內(nèi)容的了解，學習者可以快速掌握平臺的使用方法、減少操作失誤、提高實驗效率。

3.2相關資料

該模塊的內(nèi)容包括在虛擬數(shù)字電路實驗平臺中可進行的各個實驗的實驗目的、實驗原理以及實驗中用到的各集成電路和儀器儀表的數(shù)據(jù)手冊。通過學習該模塊的內(nèi)容學習者可以提前了解將要進行的實驗的基本內(nèi)容，在進行實驗的過程中也可以打開該模塊內(nèi)容查看所用到器件的參數(shù)。

3.3虛擬實驗

虛擬實驗模塊包括元器件選擇、電路連接和實驗現(xiàn)象三部分。元器件選擇部分需要學生在進行實驗時根據(jù)實驗要求選擇正確的元器件，然后將其安插在實驗平臺的恰當位置。在電路連接部分中學生可以使用虛擬導線將固定于平臺之上的IC、按鈕、開關、LED數(shù)碼管等各個元器件按照電路原理圖連接起來形成實驗所需的電路。在學生將電路連接完成之后，點擊“開始仿真”按鈕平臺進可顯示出相應的實驗現(xiàn)象。在仿真過程中，如果電路路中的元器件安插位置不正確或者導線連接存在錯誤，平臺還可以模擬元器件燒毀等異?，F(xiàn)象。

3.4實驗報告

實驗報告是實驗教學中的重要環(huán)節(jié)，通過填寫實驗報告學生能夠更加深入理解實驗中的重難點知識，并促使學生反思與總結。學生進入實驗報告模塊可以填寫實驗報告，實驗報告填寫完成之后，可以將文件導出或發(fā)送給教師。

4虛擬數(shù)字電路實驗平臺的開發(fā)

4.1平臺開發(fā)流程

本設計認為一個設計良好的虛擬實驗平臺應當具有以下特點：軟件界面形象、結構布局合理、電路原理正確、實驗現(xiàn)象逼真。為達到以上要求，需要做大量的準備工作， 由于Unity3D模型制作功能較3Dmax而言較弱且操作復雜，所以采取在3Dmax中制作模型然后導入Unity3D的方式建模。

首先要明確虛擬實驗平臺中所用到的電子元器件的外形尺寸、工作原理及性能參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可從元件的數(shù)據(jù)手冊中獲得。其次，要按照各個元器件的外形尺寸等比例的建立各個元器件的模型，并制作對應的外觀材質為模型貼圖。最后要根據(jù)實驗電路的原理為每種元器件模型編寫面向對象的腳本程序。Unity3D中采用的是腳本編程模式，使用C#或JavaScript編程語言編寫腳本程序用來控制元器件各種狀態(tài)的維持與改變，以實現(xiàn)電路仿真的時序性、邏輯性、合理性。

4.2模型構建

模型的構建決定著平臺的外觀是否形象。本設計需要構建一個虛擬數(shù)字電路試驗箱，主要模塊包括：箱體、印制電路板、電子元器件及導線四個部分。各模塊的建模以基本幾何體和擴展幾何體為基礎，采用車削、放樣、布爾運算等方法完成，模型的外形尺寸比例均與實物一致。模型設計完成之后需要在其表面貼圖，以達到逼真的模擬效果，該步驟采用3Dmax中的UVW貼圖功能來實現(xiàn)。

UVW貼圖的參數(shù)設置界面如圖4所示。在為模型貼圖時，首先要將圖片賦到材質球上，單擊漫反射按鈕選擇然后選擇事先準備好的圖片材質球便變成了對應的圖案。然后把將要進行貼圖的模型選中，把材質球賦予它。點擊修改器列表為模型添加一個UVW貼圖，參數(shù)選擇為平面，通過調(diào)節(jié)長度和寬度參數(shù)可以改變平面的大小，移動Gizmo坐標則能改變平面的位置，調(diào)節(jié)U向平鋪和V向平鋪則能改變貼圖的平鋪數(shù)量和圖形大小。將各個參數(shù)調(diào)整的合適大小之后便能得到貼圖之后的模型，效果如圖5和圖6所示。

4.3電路仿真功能的實現(xiàn)

電路仿真重點需要實現(xiàn)以下三種功能：

4.3.1用戶輸入

當學習者進行電路實驗時導線的連接方式，開關的通斷狀態(tài)，旋鈕的位置等這些都屬于用戶輸入。為了使用戶輸入時平臺能有相應的反饋，如：當學習者連接導線時，程序會在被點擊的兩個接線端之間生成一條導線；學習者點擊開關和按鈕時，開關和按鈕的狀態(tài)都要隨之發(fā)生相應的變化。這些操作的實現(xiàn)都需要編寫腳本程序實時監(jiān)測用戶的輸入行為，并及時顯示出對應的操作結果。

4.3.2 IC邏輯

在數(shù)字電路仿真實驗中，IC的邏輯仿真是最為關鍵的部分。附加在IC模型上的腳本程序先檢測IC的控制端口的電平狀態(tài)從而選擇IC的工作模式，然后檢測IC輸入端子的電平狀態(tài)根據(jù)IC的功能進行計算，最后將計算結果表示到輸出端口上。

4.3.3 輸出指示

輸出指示也可稱為實驗現(xiàn)象表示。學習者在將實驗電路的導線連接完畢之后，點擊電源開關然后平臺進入電模擬運行狀態(tài)。此時平臺上具有輸出功能的元器件如：發(fā)光二極管、數(shù)碼管、蜂鳴器、繼電器等需要根據(jù)電路連接情況做出相應的反應。如：當一個發(fā)光二極管兩端的電壓足以使其處于正向導通狀態(tài)時應當發(fā)出光亮；當如果實驗中的電路連接有能引起元器件損壞的錯誤，如：輸入電壓過高、短路等，平臺能模擬出IC被燒毀，電壓變?yōu)?V等相應的現(xiàn)象。

5 總結

本虛擬數(shù)字電路實驗平臺以情境學習理論為指導進行設計，由平臺介紹、相關資料、虛擬實驗、實驗報告四個部分組成。學生可在虛擬實驗平臺中學會平臺的操作方法，閱讀實驗相關的材料，進行虛擬實驗以及填寫實驗報告。虛擬數(shù)字電路實驗平臺采用在3Dmax中建模和制作動畫，在Unity3D中整合及完成人機交互等功能。該虛擬數(shù)字電路實驗平臺具有成本低、使用方便、使用過程安全的特點，彌補了實體實驗的不足，但是虛擬實驗平臺并不能完全代替實體實驗。在實際教學過程中，只有將二者相結合發(fā)揮各自的優(yōu)勢才能在教學中取得理想的效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】