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浅谈虚拟教学系统在《单片机原理与应用》教学中的运用

摘要：由于《单片机原理与应用》具有较强的抽象性，是一门综合性和应用性很强的课程，学生学习起来往往难以理解，教学难度相对较大。另外，传统的教学模式过于陈旧，教学手段过于单一，如果不对现有的教学模式进行升级，采用传统的教学方法将很难达到教学目的。为了使学生能够更加直观、深入的理解所学知识，根据实践教学要求，通过对虚拟教学系统进行全新的开发和设计，建立起新的虚拟教学系统模式，从而达到培养学生逻辑思维能力和动手能力的目的。
　　和以往教学模式的差别在于，虚拟教学系统是建立在虚拟现实技术基础上的新型教学模式。通过采用这种教学技术手段能够营造出一个仿真的学习环境，通过对人体各种感官的刺激，使人体验到身临其境的感觉，刺激学生的学习欲望，提高学习热情，从而实现快速提高学习能力的目的。通过网络技术、虚拟现实技术来实现教学，可以对单片机的硬件电路原理进行直观的演示和讲解。采用基于 Flex 的虚拟现实技术开发的教学系统，不但界面美观，用户交互体验感强，而且提高了学生的动手实践能力和教学质量。
　　1.《单片机原理与应用》虚拟教学系统设计
　　1.1系统框架和功能模块设计：
　　虚拟教学系统采用三层B/S结构，开发技术采用.NET，MXML+ Action Script，JavaScript技术等，数据库采用SQL Server2000，其中第一层为客户端层，该层主要表现为系统界面，在Web浏览器上外挂Flay Player播放器，该层用来实现用户与整个系统的交互，在该层中，部分页面可以采用Flex技术来建构RIA应用程序，给用户以丰富的人机交互体验；第二层为业务层，该层主要负责整个系统的逻辑业务，以此来完成客户端层与信息资源层之间的数据交互；第三层为信息资源层，提供平台所需的场景信息与数据信息，这一层实现信息资源的集中统一管理，该层主要包括师生信息库、模型库、课件库、试题库等。系统功能模块主要包括管理模块、教学资源库模块、教学模块以及协作学习模块。
　　1.2系统界面设计：
　　界面设计主要包括界面布局、字体、页面色彩等环节。其设计原则在遵循艺术美的前提下更加注重个性化，强调教学系统所要表达的主题，淡化非主流信息对学习者的干扰。对于虚拟教学系统的界面而言，选用蓝色为主体背景色，并通过调整色彩的透明度和饱和度来产生文字和图标的色彩，对需要交互对象的按钮等工具采用三维立体的形状来凸显出虚拟系统的多感知性。采用Flex技术来优化网站界面有着很大的优势，它通过提供丰富的组件来增强网站界面的表现力，使得界面更为友好。可以采用图表控件，创建丰富的图表，达到数据可视化效果。同时，Flex还提供了大量的用户交互组件，对于知识体系的呈现，利用【Combo Box】组件对所有知识点以列表的形式展现并与用户进行交互。
　　1.3导航策略设计：
虚拟教学系统的信息量巨大，内部信息之间的关系复杂，在学习过程中，学习者由于缺乏单片机专业教师的指引，迷航现象时有发生，所以应当提供导航策略设计，引导学生进行有效学习，以提高学习效率。目前比较多的导航方式有检索导航、导航图导航、菜单导航、书签导航、提示导航、演示导航、触摸区导航等。
1.4交互策略设计：
　　交互性主要包含人机交互以及人与人的交互。所谓的人机交互，是指人与计算机之间使用某种对话手段，以一定的交互方式，为完成确定任务而进行的人机之间信息交流的过程，这种类型的交互是虚拟现实技术的一个重要特征，也是虚拟现实技术应用于虚拟教学系统中的一个主要优势，系统中的虚拟现实场景能否实现自然流畅的人机交互，将直接关系到系统设计的成败。从技术特点来看，基于Flex的虚拟现实技术为交互性提供了很多的交互机制，如视点、导航、事件的发送与接收等。主要体现在：视点是用户在人机交互的过程中通过改变摄像机的位置来改变观察点，从而在不同的位置场景显现出不同的形态及具有空间感的三维效果；导航是用户在虚拟场景中漫游的信息指示，通过导航，用户可以在虚拟环境中移动或检查某个对象；基于Flex的虚拟现实技术主要是采用Action Script脚本语言对虚拟环境中的对象产生作用，通过编程控制来发送及接收对象。
2.《单片机原理与应用》虚拟教学系统中应用实现：
　　2.1虚拟实验室构建：
　　在Flex Builder 3开发环境中，借助Papervision3D开源的3D引擎，建立一个Sphere形体，然后对形体进行贴图，最后固定Camera的坐标，通过舞台上鼠标移动的距离来控制Camera旋转的角度，从而实现360°全方位的展示。
　　2.2单片机及相关硬件的三维虚拟模型展示：
　　Papervision3D中也自带一些基本的形体（球体、立方体、平面、圆锥等），但无图形界面，不能像专业的建模工具那样通过点击、拖拽等操作来创建几何体，要实现一些复杂的模型，就需要借助3DS MAX、MAYA等工具。在3DS MAX中可以通过Polygon多边形建模、特殊建模、修改建模、Patch面片建模、NURBS建模等方式来建构出虚拟场景及仪器模型，然后通过材质为模型表面加入色彩、光泽和纹理等来达到与真实事物相似的特性。建模的过程中，在不影响模型整体效果的情况下尽量减少多边形的个数以达到减小输出文件的体积。
　　2.3 MXML+Action Script编程控制
　　MXML是一种描述Flex应用程序界面的XML语言，它通过一组标签集来定义用户界面，同时提供一些不可见类库的调用，在开发虚拟实验时，可以在Flex工程文件中利用MXML语言来设计界面元素，优化界面美观，增强人机交互体验。Action Script是一种面向对象的脚本语言，在Flex中，用户可以采用的标签来嵌入Action Script代码，也可以从独立的外部文件来导入相关代码。在开发虚拟实验的过程中，Papervision3D作为外部的类库导入到 Flex Builder开发工具中，放置在Flex工程文件目录下src文件中来进行调用。
作为虚拟现实技术之一的桌面虚拟现实技术具有开发成本低、不需要昂贵的虚拟现实设备、只需在客户端安装相应插件即可，应用价值较高，推广性强，更适合应用于单片机教学之中。同时，虚拟协同工作、仪器的远程虚拟仿真操作技术等方面有待更深入的探索与创新，这些也将是作者进一步研究的方向。

浅谈虚拟教学系统在《单片机原理与应用》教学中的运用

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