数字电路分析与制作三维虚拟仿真教学软件开发

　　蒙俊健谈文洁钟育新
　　数字电路是中等职业学校电子技术应用专业的基础核心课程。在传统教学中，学生在学习相关的理论知识后，再进行实验的验证，学习过程枯燥、学习难度大，这种方式难以调动学生主动学习的积极性。近年来，笔者积极探索电类专业基础课程的改革，在课程整合和教学模式、方法、手段上进行大胆实践，充分运用信息化教学手段辅助教学，将数字电路整合为数字电路分析与制作，采用教、学、做一体化的教学模式进行教学。在教、学、做一体化的教学模式中，实践教学是教学的重要组成部分。教师开展实践教学需要宽敞的实践场所、充足的实训设备和仪器仪表。因此，开发三维虚拟仿真技术开发教学软件，建设三维虚拟仿真实践教学平台，能够在很大程度上解决实践场所和设备不足的问题，克服传统实践教学空间和时间的限制，同时能大幅降低实训教学的费用。
　　一、软件主要实现过程和所用技术
　　数字电路分析与制作三维虚拟仿真软件的主要实现过程和所用技术有：利用CAD和3DMax软件建立实训所需的元器件、电路板、仪器仪表等实物仿真三维模型，建立常用的电子元器件库；利用unity3d软件导入仿真三维模型，使用unity3d的Javascript、C等编程语言对三维模型完成交互仿真编码，实现人机交互；利用web发布模拟仿真包，使其在任何可以使用互联网的地方都能随时方便地使用该仿真实验，提高教学效率与学生的学习兴趣。
　　二、三维仿真软件功能设计
　　1。三维虚拟仿真教学软件设计思路
　　数字电路分析与制作三维虚拟仿真软件是以培养学生的元器件检测、产品安装、电路检测和调试及电路故障排除能力为教学目标构建的虚拟仿真教学平台。笔者学校成立了由学校专业教师和企业专家组成的教学软件开发小组，根据数字电路分析与制作课程的教学目标、教学内容、教学方法、教学认知规律和企业的岗位要求及工作过程，遵循项目导向、任务引领、理实一体的课程建设思想，依据电子技术应用专业典型工作任务，以常用电子小产品安装为主线设计教材结构，按照项目为载体，工作过程为导向，能力训练带动知识学习的思路开发了理實一体化的《数字电路分析与制作》项目教材。在项目教材的基础上，共同讨论制订软件系统开发方案和功能指标体系，并由专业教师对每个电子小产品进行实际的安装、检测和调试，验证、确定检测项目和能力指标，修改软件系统开发方案和功能指标体系，再由软件技术开发公司来负责技术实现。
　　2。实训项目设置
　　数字电路分析与制作三维虚拟仿真教学软件开发与项目教材配套，以便于师生在教学的过程中使用。根据教材的结构特点，数字电路分析与制作三维虚拟仿真软件设置了包括声光控节能灯的制作、产品质量检测仪的制作、全贴片八路抢答器的制作、电动机故障监测报警电路的制作、电子生日蜡烛的制作、数字电子钟的制作、叮咚门铃的制作、数字万用表的制作在内的8个项目。每个项目按教学目标和电子小产品安装工作过程及要求，分为若干个训练模块。
　　3。教学功能设计
　　根据电子小产品安装、调试工作过程和实训要求，实训教学主要训练学生的元器件识别、检测、电路安装、调试和故障排除能力。在每个项目实训操作界面中，包含了电路图、元件挑选、元件检测、安装练习、在路测量、功能展示、通电测量、故障检测这8个功能选项。
　　一是电路图。点击电路图按钮，可浏览所安装的电子小产品的电路图，便于学生在产品安装过程随时查阅。
　　二是元件挑选。在元件挑选功能模块中，学生根据电子小产品的电路图，在电子元器件库中选择需要安装的电子元器件规格、型号和数量。同时可点击计时测验来检测判断所选元器件的对错，通过元件挑选功能模块的训练，可培养学生电子元器件识别能力和选择能力。
　　三是元件检测。在元件检测功能模块中，学生通过使用逼真的3D万用表对各种元器件进行检测和判断元器件的好坏，从而培养学生仪器仪表使用能力和元器件检测能力。
　　四是安装练习。在安装练习功能模块中，学生可利用已选择的元器件在虚拟的印制电路板上进行安装练习，并通过计时测验来检测判断所选元器件选择和安装方法的对错，培养学生电子产品的安装能力。
　　五是在路测量。在在路测量功能模块中，学生使用仿真仪器仪表对已安装完成的电路板上的变压器、集成块等电子元器件进行在线电阻测量，培养学生电路测试能力。
　　六是功能展示。在功能展示功能模块中，学生对安装完成的电子产品按钮或开关进行不同的操作，可完整地展现该电子产品的功能，便于学生对已经完成的电子产品进行功能检测，判断自己安装的产品是否具有应有的功能和达到质量标准。
　　七是通电测量。在通电测量功能模块中，学生使用仿真仪器仪表对电路的电流、集成电路各引脚的电压等物理量进行测量和调试，培养学生的检测和调试能力。
　　八是故障检测。在故障检测功能模块中，学生可对模拟的不同故障进行测试和检测，培养学生的检测和故障诊断能力。
　　在数字电路分析与制作三维虚拟仿真教学软件的每个功能模块中，具有操作步骤提示，相关的测量数据记录表格、实时测试考评及重新开始等功能。学生完成练习，点击完成或提交答案按钮可得知自己在实际操作过程中的正确与错误的情况，在找出错误的原因后，可以按重新开始按钮反复练习。在仿真情景下，学生可通过鼠标中键平移、滚轮缩放、右键旋转从任意角度观察电子产品，交互式完成电子产品的安装、调试和故障诊断。
　　三、三维虚拟教学软件特点
　　总结起来，三位虚拟教学软件主要有以下三个特点。
　　1。体现工作过程循序渐进的特点
　　根据电子产品安装工作过程循序渐进的特点，每个实训项目可分为电子元器件挑选、电子元器件检测、电子产品安装、电子产品测量、产品功能展示、产品通电测量、产品故障检测七大功能模块，虚拟仿真、练习和考评融合。在学习过程中，学生亦可根据自己学习情况，按顺序进行练习或选择不同的模块进行训练、学习和测试。
　　2。学习过程中体现人机互动
　　教学仿真软件界面设计友好，形式新颖。学生在学习过程中可根据操作步骤提示进行反复多次练习，掌握相关的操作技能。之后进行实时测试考评，检查自己掌握技能情况，时时体现人机互动。学生在人机交互的环境里，可以主动思考、主动探索、主动发现，从而极大地发挥学生的创新能力。
　　3。教学和学生学习过程灵活
　　三维虚拟仿真在线实训教学平台，使学生在课上、课下均可利用网络教学平台进行学习，克服传统实践教学受空间和时间的限制，反复实训对元器件的损耗和设备的损坏的问题。教师可根据教学的实际情况和教学环节选择相应的功能模块，利用仿真软件辅助教学，提高教学效率。
　　数字电路分析与制作三维虚拟仿真教学软件在笔者学校2015级电子技术应用专业试用，软件以逼真的场景、丰富的内容、良好的交互性，得到了教师、学生的认可。它丰富了教学和实训手段，起到了促进电类基础课程教学模式、方法、手段上的改革，提高了课堂教学效率、学生的操作水平和教学质量，降低了教学成本的效果。
　　课题：本文为广西职业教育教学改革重点项目《（数字电路分析与制作）数字化教学资源共享平台的建设与实践》（项目编号：GXZZJG2015A008）研究成果。