3D電子信息綜合交互式教學演示平臺設計

曹會國

摘 ?要： 電子信息工程是一門理論與實踐緊密聯(lián)系的專業(yè)，具有理論知識范圍廣、枯燥、實踐性強的特點，學習難度較高。以提高電子信息課程教學質量為目標，設計一種3D電子信息綜合交互式教學演示平臺，利用3D教學演示平臺講授電子信息專業(yè)課程，平臺開發(fā)經(jīng)歷需求分析、新功能研發(fā)、后期合成等過程，采用3D仿真模型模擬電子信息知識;該平臺包括6個模塊與3個系統(tǒng)，模塊與系統(tǒng)間互相合作實現(xiàn)平臺交互式教學演示功能;在GUI交互界面中基于C語言程序、操控鼠標瀏覽3D教學內(nèi)容。實驗驗證得到采用平臺教學后電子信息1班與2班學生及格率均達到95%以上，由此可看出該平臺可明顯提高教學質量與學生成績。

關鍵詞： 電子信息課程; 綜合交互式平臺; 3D仿真模型; 教學演示; 教學質量; 教學內(nèi)容瀏覽

中圖分類號： TN911?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0062?04

Abstract： Electronic information engineering is a profession closely related to its theory and practice， has the characteristics of wide theoretical knowledge range， dullness and strong practicality， and is difficult to learn. Taking the teaching quality improvement of the electronic information course as the target， a 3D integrated interactive teaching demonstration platform for electronic information course is designed. The 3D teaching demonstration platform is used to teach electronic information courses. The platform development experienced the processes of demand analysis， research and development of new functions， and post?synthesis. The 3D simulation model is adopted to simulate the electronic information knowledge. The platform includes six modules and three systems. The interactive teaching demonstration function of the platform is realized by means of interactive cooperation between modules and systems. The 3D teaching content is browsed on the GUI interactive interface by controlling the mouse on the basis of C language program. The results of the experiment verification show that the passing rates of students in Class 1 and Class 2 of electronic information major are higher than 95% by using the platform， which indicates that the platform can significantly improve the teaching quality and students′ academic records.

Keywords： electronic information course; integrated interactive platform; 3D simulation model; teaching demonstration; teaching quality; ?teaching content browse

0 ?引 ?言

電子信息工程是利用電腦等高科技手段處理或控制信息的一門學科，各大高校的電子信息工程專業(yè)課程理論知識與實際應用有著緊密聯(lián)系，并且具有嚴謹、抽象與繁瑣等特點[1]。多數(shù)高校在電子信息專業(yè)課程中采用PPT等二維方式進行授課，這種方式無法使學生理解抽象的內(nèi)容與概念，影響授課質量[2]。本文設計一種3D電子信息綜合交互式教學演示平臺，該演示平臺利用3D形式展示抽象的理論知識，使課程內(nèi)容具體化與形象化，既可用于電子信息課程的教學演示與實驗操作，也可用于學生課后自學[3]。將3D技術應用在電子信息教學中對改善教學質量、提升學習興趣具有重要作用，3D技術交互性極強，利用這種新穎的方式演示教學內(nèi)容，可在培養(yǎng)學習興趣的同時激發(fā)學生創(chuàng)造與發(fā)散性思維[4]。

1 ?3D電子信息綜合交互式教學演示平臺

1.1 ?平臺開發(fā)過程

3D電子信息綜合交互式教學演示平臺以電子信息為模型構建原型，利用3D動畫形式設計一個綜合交互式教學演示平臺，利用這種教學方式取代傳統(tǒng)抽象教學，改善傳統(tǒng)教學方式中理論知識與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象，使學生更容易理解教學內(nèi)容，提高教學效率[5]。3D電子信息綜合交互式教學演示平臺具有交互性、實時性與實用性等優(yōu)點，節(jié)省大量教學資源[6]。

圖1為3D電子信息綜合交互式教學演示平臺開發(fā)過程，可以看出開發(fā)3D電子信息綜合交互式教學演示平臺主要經(jīng)歷需求分析、新功能研發(fā)、后期合成等過程，若方案不通過需返回相應步驟進行修改，直至符合要求為止。采用3D仿真模型模擬電子信息知識，使學生直觀了解知識內(nèi)容，相比二維平面圖片演示更清晰明了，學習內(nèi)容更容易被接受。

圖1 ?3D電子信息綜合交互式教學演示平臺總體開發(fā)過程

1.2 ?教學演示平臺結構

教學演示平臺結構包括6個模塊與3個系統(tǒng)，具體構成如下。

1.2.1 ?模塊結構

3D電子信息綜合交互式教學演示平臺分為6個模塊，分別為：片頭片尾模塊、導航模塊、電子信息設計模塊、電子信息開發(fā)模塊、電子信息應用模塊、電子信息集成模塊[7]。歸納3D電子信息綜合交互式教學演示平臺6個模塊邏輯結構圖見圖2。由圖2可知，模塊結構內(nèi)容主要為：片頭、導航界面、4個專題模塊、退出。模塊間相對獨立，為節(jié)省系統(tǒng)資源，模塊可以控制場景開啟與關閉并能互相傳遞消息。因此，為保障教學演示平臺良好運行，需合理利用系統(tǒng)資源分配。6個模塊分別具有觸發(fā)界面與模型的功能，3D電子信息綜合交互式教學演示平臺實質是將6個相對獨立模塊依據(jù)軟件工程原理進行組合[8]。6個模塊會有相對重合部分，也有自身獨立部分。

圖2 ?教學演示平臺整體邏輯系統(tǒng)圖

1.2.2 ?系統(tǒng)結構

教學演示平臺包含顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，三者關系如圖3所示。圖中系統(tǒng)間利用接口進行交互，平臺整體功能需3個系統(tǒng)合作實現(xiàn)。

圖3 ?教學演示平臺系統(tǒng)間關系

顯示系統(tǒng)核心功能為渲染、繪制待演示場景與內(nèi)容，并利用功能組件通過3D形式呈現(xiàn)出來。本平臺主要利用Unity 3D軟件作為顯示系統(tǒng)的主要手段，將電子信息課程的3D模型轉換成FBX格式導入Unity 3D內(nèi)，利用程序調(diào)整3D電子信息綜合交互式教學參數(shù)，通過Unity 3D軟件呈現(xiàn)電子信息課程需要展示的模型、材質[9]。

控制系統(tǒng)核心功能是獲取信息的同時實現(xiàn)3D電子信息綜合交互式教學[10]?？刂葡到y(tǒng)主要負責各種特效制作，Unity 3D軟件加入大量特效功能，控制系統(tǒng)利用Unity 3D軟件使交互教學演示效果更加生動、逼真?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)控用戶功能是以顯示系統(tǒng)下達的指令為依據(jù)，從數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲取目標內(nèi)容后，通過控制系統(tǒng)編寫切換或移動場景等3D效果。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)核心功能是展示教學數(shù)據(jù)信息、提供演示特效數(shù)據(jù)。在Unity3D軟件中，教學演示平臺所需全部圖片、信息、視頻與特效內(nèi)容形成一個獨立數(shù)據(jù)庫存放在數(shù)據(jù)系統(tǒng)的預處理模塊中，教學演示過程中需要切換3D特效時，在數(shù)據(jù)庫中可直接獲取所需內(nèi)容，數(shù)據(jù)系統(tǒng)是3D電子信息綜合交互教學演示平臺3D效果展示的數(shù)據(jù)基礎。

1.3 ?平臺關鍵技術

1.3.1 ?GUI交互界面設計

交互界面是電腦與人體交換信息的途徑，教師在平臺GUI交互界面輸入待操作信息，電腦依據(jù)接收到的信息向用戶展示相應的3D交互畫面，便于學生閱讀、理解與分析。設計GUI交互界面實現(xiàn)3D電子信息綜合交互式教學平臺演示功能。

GUI交互主界面包括三個功能區(qū)：第一個功能區(qū)位于界面頂端，主要功能為搜索，教學演示平臺系統(tǒng)通過接收的搜索指令信息，在自身數(shù)據(jù)庫中搜索相關數(shù)據(jù)，并將搜索到的信息結果通過文本形式展示到顯示模塊中;其余兩個功能區(qū)位于交互界面左右兩側，主要功能為展示或隱藏電子信息場景物體、介紹電子信息、介紹演示平臺使用說明等。

1.3.2 ?實現(xiàn)3D瀏覽

電子信息的3D交互演示在GUI交互界面中進行，交互教學演示平臺中電子信息3D瀏覽實現(xiàn)原理如下：3D教學演示過程利用鼠標操作控制，點擊鼠標右鍵可任意旋轉或移動電子信息演示平臺，滑動鼠標滾輪任意放大或縮小演示平臺;編寫C語言程序實現(xiàn)平臺操作與控制，并設定畫面最大與最小距離限制。算法描述如下：

2 ?實驗分析

為評估3D電子信息綜合交互式教學演示平臺的教學效果，展開實驗分析。實驗選取某大學電子信息工程專業(yè)4個班級共200名學生作為研究對象，采用調(diào)查問卷與統(tǒng)計方式研究本文平臺的有效性，調(diào)查學生不記名。其中，1班與2班為測試班，采用本文平臺教學;3班與4班為對照班，采用傳統(tǒng)二維PPT方式教學。

2.1 ?興趣調(diào)查

為更好了解本文平臺提升學生學習能力的效果，在3D電子信息綜合交互式教學演示平臺實驗開始前，針對4個班級200名學生對電子信息專業(yè)課程是否感興趣進行問卷調(diào)查，調(diào)查結果見表1。

表1 ?電子信息課程調(diào)查表 ? ? ?

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從表1中200名學生調(diào)查結果可以看出，學生們對于電子信息專業(yè)課興趣有明顯差異，大部分人對電子信息專業(yè)課程感興趣程度在40%～60%之間，可見僅采用傳統(tǒng)的教學方式并不能提升學生對電子信息課程的興趣度。

繼續(xù)對200名學生進行3D電子信息綜合交互方面的問卷調(diào)查，調(diào)查學生對引入3D技術到電子信息課程中是否感興趣，結果如表2所示。

表2 ?3D電子信息綜合交互課程調(diào)查表 ? ?

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根據(jù)表2可以看出，大部分學生對本文平臺有明顯興趣，興趣是學生最好的老師，學生對新型事物興趣較高。利用3D仿真展現(xiàn)學習內(nèi)容對學生有著巨大吸引力，這符合認知發(fā)展趨勢，由此可知，引入3D教學演示平臺對學生提高成績有所幫助。

2.2 ?教學效果分析

對電子信息專業(yè)1班與2班進行3D電子信息交互教學演示平臺課程教學，教學內(nèi)容為《數(shù)字電子技術》第三章課程“門電路的功能與特性”;對電子信息專業(yè)3班與4班采用傳統(tǒng)二維PPT方式教學，教學內(nèi)容同上。課程結束后，對4個班級進行有關“二極管的開關特性”與“三極管的開關特性”學習情況調(diào)查，調(diào)查結果見表3。

由表3可知，電子信息1班與電子信息2班學生回答所學內(nèi)容正確率在95%以上，電子信息3班與4班學生回答問題正確率僅在60%左右;數(shù)據(jù)結果顯示，利用本文平臺學習電子學習知識，學生接受程度較高，印象深刻，可更好地掌握上課內(nèi)容。

表3 ?教學演示平臺課程后調(diào)查情況 ?

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學生成績是學習效果最直觀的體現(xiàn)。通過《數(shù)字電子技術》《信息與信號處理》《光纖通信計算機網(wǎng)絡》三門課程電子信息工程專業(yè)課程，統(tǒng)計使用本文平臺的電子信息工程1班與2班學習成績，并與對照班學生成績進行對比，結果見表4。

表4 ?學習成績對比 ? ? ? ?

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分析表4可得，電子信息工程1班與2班使用本文平臺學習后，學習成績非常優(yōu)秀，及格率高達95%以上;而使用傳統(tǒng)方式教學的電子信息工程3班與4班及格率僅在65%左右。因此可以看出，使用本文平臺教學后學生學習成績明顯提高。

2.3 ?接受程度分析

由于電子信息1班與2班學生采用本文平臺接受交互教學，因此調(diào)查這些學生接受平臺程度與接受知識程度，調(diào)查結果見表5。

表5 ?教學演示平臺課后接受程度調(diào)查 ? ? ? ?

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由表5可以看出，通過本文平臺教學后，學生對演示平臺與學習內(nèi)容接受程度較高，50%左右的學生接受程度在81%～100%之間，說明學生對于新教學方式很感興趣，學生在課堂上的注意力更加集中，3D立體動畫形式代替了傳統(tǒng)枯燥的平面教學圖形，加深學習印象，達到事半功倍的效果。

3 ?結 ?論

3D電子信息綜合交互式教學演示平臺將電子信息的核心理論知識存儲在平臺中，利用3D形式演示課程知識，以電子信息課程的形式進行輔助教學系統(tǒng)。采用本文教學平臺后，學生出勤率有了顯著提升，期末學習成績及格率大幅上升。測試結果表明，本文設計的3D電子信息綜合交互式教學演示平臺可明顯提高教學效率與教學質量，為電子信息專業(yè)學生提供一種嶄新的、可視化的教學手段。

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