基于3D虛實結合的電路實驗教學體系探索與研究

彭麗 楊京渝 夏港深

摘?要：為克服電路分析系列課程傳統教學方法中所存在的弊端，更好地研究虛擬實驗在教學中的應用。通過利用三維建模和動畫軟件maya搭建虛擬場景模擬實景和實物，將抽象的知識轉化為與實際相結合的知識，從而實現虛實結合的電路教學體系和教學方式。激發學生對電路知識的興趣，提高了學生分析問題、解決問題和排除故障的能力，為培養創新型人才打下基礎。

關鍵詞：電路分析;三維建模;maya;教學體系;虛實結合

電路分析作為高等院校電子類和電氣類專業開設的一門專業基礎必修課程，是電類相關專業電子技術方面入門性質的技術基礎課，也是培養學生動手能力和創新能力的重要課程，在電類相關專業的發展中占重要地位。[1]而電路分析實驗教學是高校培養創新型人才的重要環節，對提高學生的實操技能和創新能力有重要意義，也是提高人才培養質量的重要保證。目前，大多數高校教學理論課以教師講授為主，“大鍋飯”、“一言堂”、“走形式”等教學模式使學生被動接受知識，無任何自主性，學習興趣不濃，老師教學效果不理想。[2]

文章通過利用三維建模和動畫軟件maya搭建虛擬場景模擬實景和實物，將抽象的知識轉化為與實際相結合的知識，從而實現虛實結合的電路教學體系和教學方式。能成功的實現一種高端的知識交換，可在任何地方、用任何設備進行學習，大大提升了學生的學習質量和學習效率。創造出一個學生主動參與全過程、學生內部自主協作、教師提供技術支持、學生與教師一起積極探索的新型教學模式。

一、虛擬實驗教學改革的背景

工科電子類的電路試驗是實踐教學的一個重要環節，起著學生對電路的測試、分析、設計及應用開發能力的培養作用，傳統的驗證性實驗只要求驗證學過的理論，而且受實驗空間、實驗條件、實驗器材、維護、安全等方面的限制，對學生做實驗束縛比較大。隨著高校教學方式的不斷改革，虛擬實驗也逐漸被大學課堂所應用。

虛擬實驗在國外起步較早，技術相對成熟。美國最先提出虛擬實驗概念，在大學的普及程度也相當廣泛，其中麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室于1998年開發并投入使用。在國內，虛擬實驗室的建設也得到了應有的重視，目前國內的多數高校都根據自身教學需求建立了虛擬實驗室，但虛擬實驗還沒有廣泛用到我國教學中，對利用虛擬實驗進行教學的教學模式和教學設計的研究還不重視。[3]

二、實驗教學平臺的搭建

（一）電路實驗的3D建模

實驗教育經過多年改革，逐步與國際接軌。實驗教育以培養學生動手能力、思考能力、創新意識、創新能力為主要目標。3D虛擬實驗教學資源的制作使用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“實驗電路板”上，調用虛擬儀表及電源，創建、測試并且排除故障修復電路，完成相關電路試驗的測試、分析、設計及應用。為更加生動、形象的將實驗原理、實驗過程等內容進行展示，提高學生的學習積極性和效率。可進一步將3D建模制作成動畫，這樣不僅可以完美呈現電路的構成和各個元器件、儀器、儀表等各部件的作用，而且通過動畫演示能展現各電路的工作原理、動作過程及以及各試驗的拆、裝流程。實時3D圖形和逼真的3D元件可以吸引學生注意力，這種模擬操作環境，能使教師的教學和學生的學習效率大大提高。

（二）虛擬教學平臺搭建

采用B/S 模式構建虛擬實驗教學平臺。虛擬實驗室群通過網絡標準化，設置接口，集中全校的所有虛擬實驗室，遠程使用者可以通過網絡，注冊不同類型的用戶，訪問虛擬實驗室群，利用校園網絡，通過平臺管理，將分布在不同位置的不同虛擬實驗室進行集中管理，有效地利用各類虛擬實驗資源。[4]

三、在實驗教學中的應用

（一）3D教學的應用

3D動畫技術以模擬真實物體的方式，把復雜抽象的內容、科學原理等通過運用各種表現形式將其集中、簡化、形象、生動的表現出來。3D動畫能夠制作出精良的特效動畫，這些的真實性讓人們極大的體驗到3D動畫帶給人們的視覺盛宴。采用3D建模創新教學的模式，能給人一種立體感和真實感，加快學生對電路原理的了解和認識，提高教學的目的性和實效性。

（二）虛擬實驗教學平臺的應用

通過虛擬實驗教學平臺，一些教學課件和儀器設備的使用視頻、實驗注意事項等均可以上傳到網站上提供給學生，讓他們能隨時觀看或下載，無形中擴展了學生實驗的空間和時間。[5]老師和學生可不僅可以通過虛擬實驗教學平臺對日常的理論知識進行驗證，而且通過該平臺可將抽象的內容、復雜的電路以更加直觀化、生動化的方式來提升學生對內容的理解掌握。同時給與了學生更多觀察電路、設計電路的機會，也為實際電路的操作提供了演練機會，無形中提高了學生的動手能力。為培養創新型人才打下基礎。

四、結語

文章通過利用三維建模和動畫軟件maya搭建虛擬場景模擬實景和實物，將抽象的知識轉化為與實際相結合的知識，從而實現虛實結合的電路教學體系和教學方式。

使用虛擬實驗教學平臺把教材中只能靜態描述的內容重新以動態的方式顯現出來，提高學生的理解力和記憶力，激發學習的學習興趣。可彌補實驗儀器、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學生創新意識和創新能力。創造出一個學生主動參與全過程、學生內部自主協作、教師提供技術支持、學生與教師一起積極探索的新型教學模式。

參考文獻：

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

[2]田孝文.“電路分析”課程實驗教學模式分析[J].無線互聯科技，2019（2）：88-89.

[3]鄧文婷，胡維.基于3D的虛擬實驗教學平臺研究[J].電子設計工程，2015（23）：27-29.

[4]許衛明，吳軍強，汪承焱.虛擬實驗教學管理平臺的研究與實現[J].福建電腦，2013（6）：69-70.

[5]張紅，徐慧平，肖波，李開成.淺談關于做好電路實驗教學的幾點建議[J].實驗科學與技術，2018（1）：121-123.