多媒體教學系統虛擬仿真實驗平臺設計與實現

王貴才， 楊九民， 蔣 玲， 寧國勤

（華中師范大學人工智能教育學部，武漢 430079）

0 引 言

為了培養師范生運用現代教育技術的意識和能力，我校面向全校師范生開設了“現代教育技術應用”公共課。該課程于2020 年11 月入選國家首批線上線下混合式一流本科課程建設［1］項目，多媒體教學系統實驗是該課程的實驗教學項目之一。其項目教學目標是掌握多媒體教學系統的基本組成、信號流程、基本功能和教學應用［2-4］，學會多媒體教學系統的基本安裝和基本使用方法，學會多媒體教學系統常見簡單故障的分析與處理方法，為職后遇到各種類型的多媒體教學系統的運用打下堅實的基礎。為了開展線上線下混合式一流本科課程建設，充實在線實驗教學資源，優化實驗教學模式，提高實驗教學質量，課程組利用免費開源游戲開發軟件Godot引擎，設計、開發了多媒體教學系統虛擬仿真實驗平臺。

1 虛擬仿真實驗平臺設計

1.1 設計思路

通過查閱文獻、校外考察、分析總結多年來的實驗教學經驗，確定了多媒體教學系統虛擬仿真實驗平臺整體設計思路。

（1）秉持以學生為中心的實驗教學理念［5］。由于教學對象是全校師范生，他們的專業背景不同，現代教育技術基礎知識各異，實驗動手能力差異很大，特別是文科類學生動手實驗的機會不多，因此，實驗教學需要“關注學生不同特點和個性差異，發展每一個學生的優勢潛能［6］”。為了讓每一個學生都得到發展、提高，虛擬仿真實驗平臺設計充分考慮有利于實施分層教學［7-8］、翻轉課堂［9-10］、分享式教學［11-12］等多元化的實驗教學模式。

（2）堅持虛實結合、相互補充、能實不虛的原則［13］，以國家一流本科課程的“高階性、創新性、挑戰度”［14-15］為建設標準。虛擬仿真實驗平臺設計有效彌補真實實驗室因場地、時間限制了學生參與度的缺陷，延伸實驗教學時間、空間，拓展實驗教學內容，補齊真實實驗教學的短板，高度契合實驗項目教學目標，注重學生實踐技能培養，增強學生創新能力，激發學生挑戰精神。

（3）追求“真實、交互、顯隱、廣用”［16］的齊全功能。虛擬仿真實驗平臺不僅實現真實實驗室所有功能，而且利用虛擬仿真把真實實驗中抽象和隱性的內容形象、顯性地呈現出來，提高教學效率；利用多媒體技術，激發學生學習興趣。平臺設計力求簡潔友好，易學易用，以增強學生的體驗感。

1.2 整體設計

多媒體教學系統虛擬仿真實驗平臺由基礎知識、系統安裝和系統使用3 個模塊構成（見圖1），幫助師生開展多媒體教學系統認知實驗教學和操作實驗教學。

圖1 虛擬仿真實驗平臺框架

基礎知識模塊利用圖、文、聲呈現多媒體教學系統基礎知識，供學生開展自主學習、個性化學習，對多媒體教學系統的組成及其信號流程進行認知實驗，自主構建多媒體教學系統知識體系。系統安裝模塊供學生模擬練習設備電纜線連接安裝操作實驗。系統使用模塊供學生模擬練習系統使用操作實驗。在虛擬仿真實驗平臺，學生實驗不受時間、場地的限制，沒有真實實驗因為反復接插電纜線，縮短電纜線插頭和電纜線插座使用壽命，造成接觸不良；也不會因為實驗操作方法不正確，造成儀器設備損壞、引起設備安全故障、發生人身安全事故等不良現象。

1.3 功能設計

虛擬仿真實驗平臺模擬真實實驗室所有實驗教學功能。實驗平臺給予學生的感覺就像在真實實驗室一樣。當進行實驗操作時，在實驗平臺上呈現的結果、現象與在真實實驗室所看到的結果、現象完全一致。

虛擬仿真實驗平臺彌補真實實驗室的不足。在真實實驗室中，由于設備之間電纜線連接縱橫交錯、信號如何傳輸隱性不可見、設備是靜止無聲的等原因，學生難以掌握系統的組成及其信號流程，實驗原理教學效果不理想，認知實驗教學不佳。在真實實驗室，操作實驗教學也存在諸多不足。如教學時空有限，不能保障每個學生都有足夠的動手操作機會；為了學生人身安全，部分設備220 V市電連接等實驗內容沒有設置；在安裝實驗中，學生強行插接電纜線導致線纜插頭、插座損壞較多；在使用實驗中，學生不按正確的操作步驟關閉系統的現象比較多等。針對這些不足，虛擬仿真實驗平臺設計時進行彌補，如用原理方框圖呈現設備的連接、顯示信號傳輸流程；將靜止轉化為運動，將無聲化有聲，利用圖像、文字、聲音介紹設備；實驗可隨時、隨地、自主進行；增設設備220 V市電連接等真實實驗室不能進行的教學內容；對學生不正確的操作及時提醒等。

2 虛擬仿真實驗平臺實現

2.1 前期準備

（1）開發軟件的選用。虛擬仿真軟件很多，各有特色，考慮到實驗平臺使用對象，課程組選用Godot引擎軟件。Godot 是一款免費開源游戲引擎，通過基于節點的架構來設計游戲，編輯器可在Windows、Mac OSX 和Linux 系統中運行，支持導出到HTML5、Windows、Android、iOS 等環境。實驗平臺采用2D 中嵌入3D方式呈現，其主要優點是對硬件配置要求不高，易于在不同環境推廣，提供不同層次的教學資源，界面簡潔友好，操作簡單易學。

（2）準備素材。實驗平臺使用素材有儀器設備實物圖、按鈕符號、指示燈符號、音頻、視頻等。素材準備采用4 種方式：①利用數碼相機拍攝中央控制主機、投影機等多媒體教學系統基本組成的儀器設備圖片，并利用Photoshop進行編輯處理；②錄制配音解說等音頻素材，并進行編輯處理；③利用Photoshop 等繪制和編輯按鈕、指示燈等符號圖片；④收集視頻、圖片素材，選取適合實驗平臺使用的視頻、圖片案例。

2.2 模塊實現

①運行Godot引擎，新建項目“多媒體教學系統”，創建并編輯，打開Godot編輯器；②在編輯器文件系統管理面板中新建1 個主場景、3 個分場景、1 個素材文件夾；③選擇素材文件夾，在文件管理器中打開，并將前期準備好的圖片、音頻、視頻等素材復制到素材文件夾中；④開始編輯場景。

主場景實現多媒體教學系統實驗平臺進入界面，如圖2 所示。3 個分場景分別實現基礎知識、系統安裝、系統使用3 個模塊的功能，如圖3 ～5 所示。在主場景中設置3 個工具按鈕節點即“認識多媒體教學系統”“多媒體教學系統的安裝”“多媒體教學系統的使用”，當點擊按鈕時其節點連接信號調用相應的分場景進入程序，運行程序進入分場景。各分場景設置1個工具按鈕節點“退出”，點擊此按鈕時其節點連接信號調用主場景返回程序，運行程序退出分場景返回到主場景。各節點連接信號可用編輯器或代碼進行信號連接。

圖2 實驗平臺主場景

圖3 基礎知識場景

圖4 系統安裝場景

2.3 功能實現

圖5 系統使用場景

（1）基礎知識場景。主要使用標簽、按鈕、直線2D、矩形等節點，標簽節點顯示文字，按鈕節點顯示設備、實現交互，直線2D 節點按原理方框圖連接設備，矩形節點含標簽、按鈕、音頻流播放器等子節點，子節點利用實物圖、文字、聲音對設備做簡要介紹。基礎知識場景利用原理圖呈現多媒體教學系統的基本組成、信號流程，學生易看懂、易理解、易掌握。若在原理圖上點擊設備名稱，由按鈕節點點擊發出的連接信號調用與該設備對應的矩形節點呈現程序，通過矩形節點對設備的介紹，學生進一步認識設備、了解設備功能，如圖3 中彈出的小窗口為中央控制主機簡介。

（2）系統安裝場景。主要使用標簽、按鈕、精靈等節點和實例化場景。實例化場景設置電纜線插頭和插座，實例化場景節點使用含有區域2D、碰撞形狀2D子節點的精靈節點，如圖6 所示。使用draw _line（Vector2 from，Vector2 to，Color color，float width =1.0，bool antialiased =false）方法畫線連接電纜線兩端，用連線表示電纜線，電纜線及插頭顏色模擬真實電纜線及插頭顏色。電纜線插頭移動和插入匹配插座用代碼實現，其GDScript腳本代碼編寫如表1 所示。

圖6 實例化場景節點

在系統安裝場景左側列出了系統所用的電源、信號、控制等電纜線，參見圖4 中左側部分。用鼠標選擇設備連接電纜線，當鼠標指針光標移動到電纜線插頭上時，按下鼠標左鍵并拖曳到藍色圓圈表示的電纜線插座內，若插頭與設備背板上插座匹配，插頭固定且不能再被拖曳；同樣的方法將電纜線另一插頭拖曳到插座匹配位置。當電纜線兩端插頭都被拖曳到匹配位置時，模擬真實電纜線連接設備正確，反之電纜線連接設備不正確。如投影機電源線連接，先將投影機電源線左端（接入頭）拖曳到中央控制主機背板上“投影機電源”接出口藍色圓圈內，然后將投影機電源線右端（接出頭）拖曳到投影機背板“電源”接入口藍色圓圈內。當拖曳電纜線插頭經過其他電纜線插頭時，其他電纜線插頭也會被拖曳，這與真實實驗同時取多根電纜線類似，這時只有與插座匹配的電纜線插頭會固定，另外電纜線插頭可繼續拖曳。

表1 實例化場景腳本代碼編寫

（3）系統使用場景。主要使用標簽、按鈕、直線2D、精靈、矩形、視窗、計時器等節點和實例化場景，在2D中嵌入3D。實例化場景采用3D 模擬真實實驗室中的媒體播放場景，參見圖5 中右上部分。實例化場景子節點使用立體模型、相機、燈光、網格實例、構建幾何實體、動畫、視頻播放器等節點。媒體播放采用3D

場景模擬真實實驗室，增強學生的沉浸感。系統使用場景界面布局近似原理圖，強化多媒體教學系統基本組成原理、信號傳輸流程。點擊系統使用場景界面上的各按鈕模擬真實操作實驗，通過各按鈕節點連接信號調用相應的程序，模擬真實實驗室呈現與操作實驗對應的實驗現象、結果。

2.4 系統開機運行操作實驗

當點擊220 V 市電“開關”，中央控制主機通電，中央控制主機面板上“系統關”指示燈亮。按下“系統開”按鈕，“系統開”指示燈亮，系統各設備電源接通，這時可開啟待用設備進行相關操作，播放器播放媒體信號。在中央控制主機面板上，按下電動幕“↓”，電動幕降下；按下投影機“開機”，投影機開啟，屏幕上顯示投影信號，投影機面板上有“聚焦+”“聚焦-”模擬真實實驗投影調焦、“影像+”“影像-”模擬真實實驗投影大小調節；按下“電腦”，可選擇“臺式電腦”或“手提電腦”信號播放；按下“視頻”，可選擇“影碟機”或“展示臺”信號播放。若使用操作方法正確，實驗平臺會模擬真實實驗正常播放電腦、視頻等信號。

2.5 系統關機操作實驗

由于投影機的投影燈熄滅后需散熱約90 s，因此，中央控制主機都具有自動延時關機功能，一般延時約3 min，保證投影燈熄滅后充分散熱。為了強化這一知識點，實驗平臺設置了先關投影機的投影燈，再關中央控制主機。當中央控制主機面板上按下投影機“開機”按鈕后，“系統關”按鈕執行腳本代碼disabled =true，“系統關”按鈕點擊無效，待按下投影機“關機”按鈕后，“系統關”按鈕執行腳本代碼disabled = false，“系統關”按鈕點擊有效。若需系統關機，則先按下投影機“關機”按鈕，再按下“系統關”按鈕，這時計時器啟動，實驗平臺模擬真實實驗的中央控制主機延時一段時間后系統關機。視頻展示臺、影碟機、計算機、功率放大器等其他設備可在系統關機前關機，即在“系統關”按鈕按下前或后關機。

3 結 語

多媒體教學系統虛擬仿真實驗平臺是真實實驗室的有益補充，為在線實驗教學提供了保障。在教學使用過程中，學生反映良好，大多數學生認為虛擬仿真實驗平臺有助于明確學習目標、掌握基礎理論知識、提升實驗操作技能、提高學習效率。然而，多媒體教學系統虛擬仿真實驗平臺還存在諸多不足，還有待于進一步修改、完善。