數字電路分析與制作三維虛擬仿真教學軟件開發

蒙俊健+談文潔+鐘育新

數字電路是中等職業學校電子技術應用專業的基礎核心課程。在傳統教學中，學生在學習相關的理論知識后，再進行實驗的驗證，學習過程枯燥、學習難度大，這種方式難以調動學生主動學習的積極性。近年來，筆者積極探索電類專業基礎課程的改革，在課程整合和教學模式、方法、手段上進行大膽實踐，充分運用信息化教學手段輔助教學，將數字電路整合為數字電路分析與制作，采用“教、學、做”一體化的教學模式進行教學。在“教、學、做”一體化的教學模式中，實踐教學是教學的重要組成部分。教師開展實踐教學需要寬敞的實踐場所、充足的實訓設備和儀器儀表。因此，開發三維虛擬仿真技術開發教學軟件，建設三維虛擬仿真實踐教學平臺，能夠在很大程度上解決實踐場所和設備不足的問題，克服傳統實踐教學空間和時間的限制，同時能大幅降低實訓教學的費用。

一、軟件主要實現過程和所用技術

數字電路分析與制作三維虛擬仿真軟件的主要實現過程和所用技術有：利用CAD和3DMax軟件建立實訓所需的元器件、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，實現人機交互；利用web發布模擬仿真包，使其在任何可以使用互聯網的地方都能隨時方便地使用該仿真實驗，提高教學效率與學生的學習興趣。

二、三維仿真軟件功能設計

1.三維虛擬仿真教學軟件設計思路

數字電路分析與制作三維虛擬仿真軟件是以培養學生的元器件檢測、產品安裝、電路檢測和調試及電路故障排除能力為教學目標構建的虛擬仿真教學平臺。筆者學校成立了由學校專業教師和企業專家組成的教學軟件開發小組，根據數字電路分析與制作課程的教學目標、教學內容、教學方法、教學認知規律和企業的崗位要求及工作過程，遵循“項目導向、任務引領、理實一體”的課程建設思想，依據電子技術應用專業典型工作任務，以常用電子小產品安裝為主線設計教材結構，按照項目為載體，工作過程為導向，能力訓練帶動知識學習的思路開發了理實一體化的《數字電路分析與制作》項目教材。在項目教材的基礎上，共同討論制訂軟件系統開發方案和功能指標體系，并由專業教師對每個電子小產品進行實際的安裝、檢測和調試，驗證、確定檢測項目和能力指標，修改軟件系統開發方案和功能指標體系，再由軟件技術開發公司來負責技術實現。

2.實訓項目設置

數字電路分析與制作三維虛擬仿真教學軟件開發與項目教材配套，以便于師生在教學的過程中使用。根據教材的結構特點，數字電路分析與制作三維虛擬仿真軟件設置了包括聲光控節能燈的制作、產品質量檢測儀的制作、全貼片八路搶答器的制作、電動機故障監測報警電路的制作、電子生日蠟燭的制作、數字電子鐘的制作、叮咚門鈴的制作、數字萬用表的制作在內的8個項目。每個項目按教學目標和電子小產品安裝工作過程及要求，分為若干個訓練模塊。

3.教學功能設計

根據電子小產品安裝、調試工作過程和實訓要求，實訓教學主要訓練學生的元器件識別、檢測、電路安裝、調試和故障排除能力。在每個項目實訓操作界面中，包含了電路圖、元件挑選、元件檢測、安裝練習、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品的電路圖，便于學生在產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，學生根據電子小產品的電路圖，在電子元器件庫中選擇需要安裝的電子元器件規格、型號和數量。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”功能模塊的訓練，可培養學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，學生通過使用逼真的3D萬用表對各種元器件進行檢測和判斷元器件的好壞，從而培養學生儀器儀表使用能力和元器件檢測能力。

四是安裝練習。在“安裝練習”功能模塊中，學生可利用已選擇的元器件在虛擬的印制電路板上進行安裝練習，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，培養學生電子產品的安裝能力。

五是在路測量。在“在路測量”功能模塊中，學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行在線電阻測量，培養學生電路測試能力。

六是功能展示。在 “功能展示”功能模塊中，學生對安裝完成的電子產品按鈕或開關進行不同的操作，可完整地展現該電子產品的功能，便于學生對已經完成的電子產品進行功能檢測，判斷自己安裝的產品是否具有應有的功能和達到質量標準。

七是通電測量。在 “通電測量”功能模塊中，學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行測量和調試，培養學生的檢測和調試能力。

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

在數字電路分析與制作三維虛擬仿真教學軟件的每個功能模塊中，具有操作步驟提示，相關的測量數據記錄表格、實時測試考評及重新開始等功能。學生完成練習，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”按鈕反復練習。在仿真情景下，學生可通過鼠標中鍵平移、滾輪縮放、右鍵旋轉從任意角度觀察電子產品，交互式完成電子產品的安裝、調試和故障診斷。

三、三維虛擬教學軟件特點

總結起來，三位虛擬教學軟件主要有以下三個特點。

1.體現工作過程循序漸進的特點

根據電子產品安裝工作過程循序漸進的特點，每個實訓項目可分為電子元器件挑選、電子元器件檢測、電子產品安裝、電子產品測量、產品功能展示、產品通電測量、產品故障檢測七大功能模塊，虛擬仿真、練習和考評融合。在學習過程中，學生亦可根據自己學習情況，按順序進行練習或選擇不同的模塊進行訓練、學習和測試。

2.學習過程中體現人機互動

教學仿真軟件界面設計友好，形式新穎。學生在學習過程中可根據操作步驟提示進行反復多次練習，掌握相關的操作技能。之后進行實時測試考評，檢查自己掌握技能情況，時時體現人機互動。學生在人機交互的環境里，可以主動思考、主動探索、主動發現，從而極大地發揮學生的創新能力。

3.教學和學生學習過程靈活

三維虛擬仿真在線實訓教學平臺，使學生在課上、課下均可利用網絡教學平臺進行學習，克服傳統實踐教學受空間和時間的限制，反復實訓對元器件的損耗和設備的損壞的問題。教師可根據教學的實際情況和教學環節選擇相應的功能模塊，利用仿真軟件輔助教學，提高教學效率。

數字電路分析與制作三維虛擬仿真教學軟件在筆者學校2015級電子技術應用專業試用，軟件以逼真的場景、豐富的內容、良好的交互性，得到了教師、學生的認可。它豐富了教學和實訓手段，起到了促進電類基礎課程教學模式、方法、手段上的改革，提高了課堂教學效率、學生的操作水平和教學質量，降低了教學成本的效果。

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

（作者單位：廣西機電工業學校）