基于3D虛實(shí)結(jié)合的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探索與研究

彭麗 楊京渝 夏港深

摘?要：為克服電路分析系列課程傳統(tǒng)教學(xué)方法中所存在的弊端，更好地研究虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用。通過利用三維建模和動(dòng)畫軟件maya搭建虛擬場景模擬實(shí)景和實(shí)物，將抽象的知識轉(zhuǎn)化為與實(shí)際相結(jié)合的知識，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的電路教學(xué)體系和教學(xué)方式。激發(fā)學(xué)生對電路知識的興趣，提高了學(xué)生分析問題、解決問題和排除故障的能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電路分析;三維建模;maya;教學(xué)體系;虛實(shí)結(jié)合

電路分析作為高等院校電子類和電氣類專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，是電類相關(guān)專業(yè)電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要課程，在電類相關(guān)專業(yè)的發(fā)展中占重要地位。[1]而電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)，對提高學(xué)生的實(shí)操技能和創(chuàng)新能力有重要意義，也是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保證。目前，大多數(shù)高校教學(xué)理論課以教師講授為主，“大鍋飯”、“一言堂”、“走形式”等教學(xué)模式使學(xué)生被動(dòng)接受知識，無任何自主性，學(xué)習(xí)興趣不濃，老師教學(xué)效果不理想。[2]

文章通過利用三維建模和動(dòng)畫軟件maya搭建虛擬場景模擬實(shí)景和實(shí)物，將抽象的知識轉(zhuǎn)化為與實(shí)際相結(jié)合的知識，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的電路教學(xué)體系和教學(xué)方式。能成功的實(shí)現(xiàn)一種高端的知識交換，可在任何地方、用任何設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。創(chuàng)造出一個(gè)學(xué)生主動(dòng)參與全過程、學(xué)生內(nèi)部自主協(xié)作、教師提供技術(shù)支持、學(xué)生與教師一起積極探索的新型教學(xué)模式。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的背景

工科電子類的電路試驗(yàn)是實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，起著學(xué)生對電路的測試、分析、設(shè)計(jì)及應(yīng)用開發(fā)能力的培養(yǎng)作用，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只要求驗(yàn)證學(xué)過的理論，而且受實(shí)驗(yàn)空間、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)器材、維護(hù)、安全等方面的限制，對學(xué)生做實(shí)驗(yàn)束縛比較大。隨著高校教學(xué)方式的不斷改革，虛擬實(shí)驗(yàn)也逐漸被大學(xué)課堂所應(yīng)用。

虛擬實(shí)驗(yàn)在國外起步較早，技術(shù)相對成熟。美國最先提出虛擬實(shí)驗(yàn)概念，在大學(xué)的普及程度也相當(dāng)廣泛，其中麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室于1998年開發(fā)并投入使用。在國內(nèi)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視，目前國內(nèi)的多數(shù)高校都根據(jù)自身教學(xué)需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，但虛擬實(shí)驗(yàn)還沒有廣泛用到我國教學(xué)中，對利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)的教學(xué)模式和教學(xué)設(shè)計(jì)的研究還不重視。[3]

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的搭建

（一）電路實(shí)驗(yàn)的3D建模

實(shí)驗(yàn)教育經(jīng)過多年改革，逐步與國際接軌。實(shí)驗(yàn)教育以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、思考能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力為主要目標(biāo)。3D虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的制作使用maya三維建模工具，它可以用虛擬電子元器件，如電阻、二極管、三極管、邏輯電路、集成電路輕而易舉地拖到“實(shí)驗(yàn)電路板”上，調(diào)用虛擬儀表及電源，創(chuàng)建、測試并且排除故障修復(fù)電路，完成相關(guān)電路試驗(yàn)的測試、分析、設(shè)計(jì)及應(yīng)用。為更加生動(dòng)、形象的將實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程等內(nèi)容進(jìn)行展示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和效率?？蛇M(jìn)一步將3D建模制作成動(dòng)畫，這樣不僅可以完美呈現(xiàn)電路的構(gòu)成和各個(gè)元器件、儀器、儀表等各部件的作用，而且通過動(dòng)畫演示能展現(xiàn)各電路的工作原理、動(dòng)作過程及以及各試驗(yàn)的拆、裝流程。實(shí)時(shí)3D圖形和逼真的3D元件可以吸引學(xué)生注意力，這種模擬操作環(huán)境，能使教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率大大提高。

（二）虛擬教學(xué)平臺搭建

采用B/S 模式構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。虛擬實(shí)驗(yàn)室群通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)置接口，集中全校的所有虛擬實(shí)驗(yàn)室，遠(yuǎn)程使用者可以通過網(wǎng)絡(luò)，注冊不同類型的用戶，訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室群，利用校園網(wǎng)絡(luò)，通過平臺管理，將分布在不同位置的不同虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中管理，有效地利用各類虛擬實(shí)驗(yàn)資源。[4]

三、在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）3D教學(xué)的應(yīng)用

3D動(dòng)畫技術(shù)以模擬真實(shí)物體的方式，把復(fù)雜抽象的內(nèi)容、科學(xué)原理等通過運(yùn)用各種表現(xiàn)形式將其集中、簡化、形象、生動(dòng)的表現(xiàn)出來。3D動(dòng)畫能夠制作出精良的特效動(dòng)畫，這些的真實(shí)性讓人們極大的體驗(yàn)到3D動(dòng)畫帶給人們的視覺盛宴。采用3D建模創(chuàng)新教學(xué)的模式，能給人一種立體感和真實(shí)感，加快學(xué)生對電路原理的了解和認(rèn)識，提高教學(xué)的目的性和實(shí)效性。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的應(yīng)用

通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，一些教學(xué)課件和儀器設(shè)備的使用視頻、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等均可以上傳到網(wǎng)站上提供給學(xué)生，讓他們能隨時(shí)觀看或下載，無形中擴(kuò)展了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的空間和時(shí)間。[5]老師和學(xué)生可不僅可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺對日常的理論知識進(jìn)行驗(yàn)證，而且通過該平臺可將抽象的內(nèi)容、復(fù)雜的電路以更加直觀化、生動(dòng)化的方式來提升學(xué)生對內(nèi)容的理解掌握。同時(shí)給與了學(xué)生更多觀察電路、設(shè)計(jì)電路的機(jī)會(huì)，也為實(shí)際電路的操作提供了演練機(jī)會(huì)，無形中提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

文章通過利用三維建模和動(dòng)畫軟件maya搭建虛擬場景模擬實(shí)景和實(shí)物，將抽象的知識轉(zhuǎn)化為與實(shí)際相結(jié)合的知識，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的電路教學(xué)體系和教學(xué)方式。

使用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺把教材中只能靜態(tài)描述的內(nèi)容重新以動(dòng)態(tài)的方式顯現(xiàn)出來，提高學(xué)生的理解力和記憶力，激發(fā)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)興趣?？蓮浹a(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器、元件少的不足及避免儀器、元器件損壞。這種3D電工電路虛擬平臺十分有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。創(chuàng)造出一個(gè)學(xué)生主動(dòng)參與全過程、學(xué)生內(nèi)部自主協(xié)作、教師提供技術(shù)支持、學(xué)生與教師一起積極探索的新型教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊鴻波，高晶敏，等.“電路分析”課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].課程教材，2011（189）：99-100.

[2]田孝文.“電路分析”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式分析[J].無線互聯(lián)科技，2019（2）：88-89.

[3]鄧文婷，胡維.基于3D的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（23）：27-29.

[4]許衛(wèi)明，吳軍強(qiáng)，汪承焱.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺的研究與實(shí)現(xiàn)[J].福建電腦，2013（6）：69-70.

[5]張紅，徐慧平，肖波，李開成.淺談關(guān)于做好電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)建議[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2018（1）：121-123.