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

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

摘要：由于《單片機(jī)原理與應(yīng)用》具有較強(qiáng)的抽象性，是一門綜合性和應(yīng)用性很強(qiáng)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(duì)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(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行升級(jí)，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(shí)，根據(jù)實(shí)踐教學(xué)要求，通過對(duì)虛擬教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行全新的開發(fā)和設(shè)計(jì)，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(dòng)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(shí)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(yíng)造出一個(gè)仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過對(duì)人體各種感官的刺激，使人體驗(yàn)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(shí)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(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)，可以對(duì)單片機(jī)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(shí)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(yàn)感強(qiáng)，而且提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和教學(xué)質(zhì)量。
　　1.《單片機(jī)原理與應(yīng)用》虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　1.1系統(tǒng)框架和功能模塊設(shè)計(jì)：
　　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(shí)現(xiàn)用戶與整個(gè)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(jī)交互體驗(yàn)；第二層為業(yè)務(wù)層，該層主要負(fù)責(zé)整個(gè)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(tái)所需的場(chǎng)景信息與數(shù)據(jù)信息，這一層實(shí)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(jì)：
　　界面設(shè)計(jì)主要包括界面布局、字體、頁面色彩等環(huán)節(jié)。其設(shè)計(jì)原則在遵循藝術(shù)美的前提下更加注重個(gè)性化，強(qiáng)調(diào)教學(xué)系統(tǒng)所要表達(dá)的主題，淡化非主流信息對(duì)學(xué)習(xí)者的干擾。對(duì)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(duì)需要交互對(duì)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(shì)，它通過提供豐富的組件來增強(qiáng)網(wǎng)站界面的表現(xiàn)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(dá)到數(shù)據(jù)可視化效果。同時(shí)，F(xiàn)lex還提供了大量的用戶交互組件，對(duì)于知識(shí)體系的呈現(xiàn)，利用【Combo Box】組件對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)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(jì)：
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(jī)專業(yè)教師的指引，迷航現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，所以應(yīng)當(dāng)提供導(dǎo)航策略設(shè)計(jì)，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(jì)：
　　交互性主要包含人機(jī)交互以及人與人的交互。所謂的人機(jī)交互，是指人與計(jì)算機(jī)之間使用某種對(duì)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(jī)之間信息交流的過程，這種類型的交互是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要特征，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景能否實(shí)現(xiàn)自然流暢的人機(jī)交互，將直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。從技術(shù)特點(diǎn)來看，基于Flex的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為交互性提供了很多的交互機(jī)制，如視點(diǎn)、導(dǎo)航、事件的發(fā)送與接收等。主要體現(xiàn)在：視點(diǎn)是用戶在人機(jī)交互的過程中通過改變攝像機(jī)的位置來改變觀察點(diǎn)，從而在不同的位置場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)或檢查某個(gè)對(duì)象；基于Flex的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是采用Action Script腳本語言對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象產(chǎn)生作用，通過編程控制來發(fā)送及接收對(duì)象。
2.《單片機(jī)原理與應(yīng)用》虛擬教學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)現(xiàn)：
　　2.1虛擬實(shí)驗(yàn)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(gè)Sphere形體，然后對(duì)形體進(jìn)行貼圖，最后固定Camera的坐標(biāo)，通過舞臺(tái)上鼠標(biāo)移動(dòng)的距離來控制Camera旋轉(zhuǎn)的角度，從而實(shí)現(xiàn)360°全方位的展示。
　　2.2單片機(jī)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(diǎn)擊、拖拽等操作來創(chuàng)建幾何體，要實(shí)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(chǎng)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(shí)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(gè)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(shí)提供一些不可見類庫的調(diào)用，在開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以在Flex工程文件中利用MXML語言來設(shè)計(jì)界面元素，優(yōu)化界面美觀，增強(qiáng)人機(jī)交互體驗(yàn)。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(dú)立的外部文件來導(dǎo)入相關(guān)代碼。在開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)技術(shù)之一的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有開發(fā)成本低、不需要昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、只需在客戶端安裝相應(yīng)插件即可，應(yīng)用價(jià)值較高，推廣性強(qiáng)，更適合應(yīng)用于單片機(jī)教學(xué)之中。同時(shí)，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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