项目教学仿真系统开发实践

李一欣

项目教学仿真系统开发实践

李一欣

根据职教项目教学法行动导向原则，结合电子产品组装与调试实训教学特点，成功将仿真技术引入项目教学法，并以数字显示抢答器为例，对仿真项目教学软件系统开发予以总结，详细阐述了系统开发的目标与构架、软件设计、技术路线，为其他专业开发仿真项目教学系统提供借鉴。

仿真技术；项目教学法；教学系统开发

项目教学法[1]作为行动导向教学的组织形式和教学方法是以项目为中心，让学生围绕项目组织已学知识和学习资源，解决问题，在完成项目任务的过程中，使学生掌握课程要求的知识与技能，培养分析问题、解决问题的能力，锻炼职业劳动技能。笔者根据项目教学法行动导向原则，结合电子产品组装与调试实训教学特点，将仿真技术引入项目教学法，开发电子产品组装与调试仿真项目教学软件系统，为学生课前自主明确行动导向，提前了解电子产品组装与调试技能、技巧要求提供方便。该套教学软件系统共设计开发了稳压电源、音频功率放大器、无线电遥控开关、温度指示器4个模拟电路；声光控制灯、产品质量测试、数字显示抢答器、电动机运行故障检测、电子生日焟烛、数字电子钟、叮咚门铃、数字万用表8个数字电路共12个电子产品组装与调试仿真项目教学内容，涵盖了电子技术基础部分，成功应用于课前教学准备、课中行动导向、课后综合评价的整个项目教学过程，有效提高教学效率。该教学系统已经获得国家计算机软件著作权登记证书(电子项目仿真实训教学软件，证书号：2016SR067964)，下面以数字显示抢答器为例，对该仿真项目教学系统开发实践予以总结。

一、仿真项目教学软件开发目标与构架

本套仿真软件围绕项目教学法，以做好课前预习、引导学生自主明确行动导向为开发思路与目标，方便学生课前建立已学知识与教学项目的联系、达到预先学习之目的。例如：预先了解组成数字显示抢答器的时基电路和译码驱动工作原理与结构，包括编码、优先、锁存、数显及复位电路；判断元器件质量的仪器仪表使用方法；组装制作与调试方法；故障维修技能、技巧等项目教学内容，教学项目内容见表1，顶层是仿真教学设计，接下来是技术手段(信息化教学手段)，然后是教法、学法设计；最下面是具体仿真交互技术发挥层。

表1

1.教学设计

教学设计目的是应用仿真技术改造传统课前预习方式，用信息技术引领课中学生自主导向发展，评价系统完整反映操作过程综合能力，使项目教学体系向信息化教学技术体系转化，实现仿真技术介入项目教学，优化项目教学。设计中必须明确教学起点与终点，明确教学重点与难点，解决“教什么、怎样教”“学什么、怎样学”，将项目教学诸要素有序优化，使之形成仿真教学方案。设计“实操”技能的仿真交互方式，使参与项目教学的学生能够在课前、课中、课后各阶段仿真交互的自主操作中掌握任务与技能、获得总结与评价，使教师在各阶段的指导具有针对性和普遍性。

2.技术目标

按照项目教学目标，教学系统能够实现3D仿真操作训练，能够通过网络进行信息及数据的传输。项目建设具有高交互、沉浸式，满足不同层次不同群体学习者自主训练的开放式软件系统。采用B/S结构，支持网络模式，可在Windows10，Windows8，Windows7，XP及以上等Windows操作系统上运行。组建“仿真软件+网络校园”理实一体信息化教学资源系统，在局域网或广域网范围内整合使用，适应远程教学应用。严格遵循Windows DNA框架结构，系统基本架构如图1所示，基于多层结构技术，同时具有图形窗体界面(GUI)和浏览器界面(BROWSER)。

图1

3.简便、友好的系统界面

系统通过对界面菜单自定义提供应用平台，满足教学和自主学习需求。

4.网答作业和实训报告

网答作业和实训报告完成过程和成绩分析由系统实时反映，评价自动记录，为自主学习者提高阶段学习总结。

二、仿真项目教学软件的设计

数字显示抢答器项目教学法是将电路原理识图、元器件识别与检测、全贴片电路焊接、调试与故障排除相关知识和技能组合成一个教学整体，通过确定项目任务、制订项目计划、项目实施和检查评估4个环节的实施达到教学目的，将相关知识和技能组合为仿真项目教学系统，结合媒体设计、视频摄制、虚拟场景、PPT教案、微课制作“仿真项目软件+教学资源平台”，实现网络化教学。因此，仿真软件基于上述项目教学法逐一设计电路原理图示、元器件识别与检测、全贴片电路焊接、调试与故障排除等各内容(如图2所示)，左半部分为仿真实训操作板，右半部分为真实实训操作板，两者完全对应。

图2

1.确定仿真项目任务

明确仿真项目任务是开发数字显示抢答器仿真组装与调试软件的第一个环节。需要将元器件、电路原理图、万用表、印刷电路板等实物外形、检测方法、参数对比予以仿真转化，并完成动画，使之成为仿真交互操作的对象。仿真项目任务包括以下几方面。

(1)电路工作原理及万用表使用方法。(2)识别与检测电阻。(3)识别与检测电容。(4)识别与检测二极管。(5)识别与检测三极管。(6)识别与检测集成电路CD4511，NE555。①判断CD4511、NE555的引脚；②测量CD4511、NE555的正反向电阻，并与正常值比较，如图3所示，通过仿真万用表档位选择、指针微调、表笔管脚测量、指针摆动等一系列动作(如图3上半部分)，测量CD4511，NE555的正反向电阻值，填入调出的表格内并提交，评价系统实时做出测量结果(如图3下半部分)。(7)识别与检测蜂鸣器质量。(8)识别与检测按键质量。(9)选择元件。(10)电路板安装及在路检测。(11)电路板功能验证调试。(12)通电测量；(13)根据电路原理分析故障、检测故障元件、排除故障。

图3

2.明确仿真项目推进步骤

“组装与调试”是项目教学重、难点，仿真教学更应突出解决教学重、难点问题，采用交互操作强化体验式学习的特点，在交互操作中完成课前、课中、课后各阶段仿真交互的自主操作。该抢答器仿真项目教学计划可分为以下步骤推进：(1)掌握电路原理；(2)掌握用万用表识别与检测贴片元件；(3)掌握用万用表识别与检测贴片集成元件；(4)掌握电路板安装；(5)掌握在路检测与通电展示；(6)掌握分析故障、排除故障。

3.实施仿真项目教学过程

项目仿真组装与调试教学过程是使每个学生都能在虚拟环境中参与交互操作活动，它注重的不是最终的结果，而是完成项目仿真的体验过程，是学生为即将动手操作的预先准备。具体实施方案可分为以下步骤。

(1)掌握仿真电路工作原理。(2)仿真完成万用表识别与检测贴片电阻。(3)仿真完成万用表识别与检测贴片电容。(4)仿真完成万用表识别与检测贴片二极管。(5)仿真完成万用表识别与检测贴片三极管。(6)仿真完成万用表识别与检测贴片集成电路CD4511，NE555：①判断CD4511，NE555的引脚，②测量CD4511，NE555的正反向电阻，并与正常值比较。(7)仿真完成万用表检测贴片蜂鸣器质量。(8)仿真完成万用表检测贴片按键质量。(9)仿真完成虚拟贴片元件选择。(10)仿真完成贴片电路板安装，学生根据左侧印刷电路板上元件型号与位置，从右侧元件表内挑选元件，按照正确的管脚放置于电路板对应的位置上完成焊接。全部安装完成后再通过仿真万用表档位选择、指针微调、表笔测量、读表等一系列动作，完成万用表在路检测。(11)仿真完成电路板功能验证调试。(12)仿真完成万用表对电路板通电测量。(13)仿真完成故障分析、故障检测、故障排除。(14)仿真画出数字抢答器电路图。

4.实时评价系统

与项目教学注重学生在项目活动中能力发展评价一样，项目仿真系统对学生完成项目的情况做出实时评价，以便于帮助学生了解学习效果，拓展创造性思维空间。既有对数字显示抢答器理论知识理解、实际电路安装效果的评价，又有对他操作过程、分析过程、测试过程、维修能力的评价，更加全面评价学生的学习效果。系统实时评价从四方面进行综合考察。

(1)考察一：能否掌握电路工作原理

①能否正确绘制逻辑电路图；②能否正确绘制实际电路图。

(2)考察二：能否正确识别贴片元器件并完成万用表检测

①能否正确使用万用表；②能否正确识别贴片元器件并完成万用表检测、判断引脚；③能否正确使用万用表检测贴片集成块逻辑功能。

(3)考察三：能否正确组装抢答器

①能否正确安装电路；②能否正确检测调试抢答器电路的功能；③功能显示结果是否正确；④能否判断、排除电路故障。

(4)考察四：与人合作、交流、沟通情况

通过考查学生与人合作、交流、沟通情况培养团队精神，进而提升班级学生整体分析问题、解决问题的能力，不但提高学习积极性与主动性，还提高他们的协作能力，为培养职业精神奠定基础。

系统评价、考察形式主要有：①画出逻辑电路图；②在规定时间内完成“计时安装”；③能够使用万用表识别管脚，并将检测结果填入“元器件检测表”；④对安装完成的电路板“通电检测”；⑤根据故障现象开展“故障检测”；⑥系统提交班组成员个人评价结果与全班组考察结果。

三、开发技术路线

(1)利用CAD和3DMax软件为数字显示抢答器仿真组装与调试软件提供的元器件、电路板、仪器仪表等实物建立仿真三维模型，用3Dmax打开模型文件选中所有物体 转化为可编辑的网格导出FBX格式(如图4所示)。

(2)利用unity3d软件导入仿真三维(如图5所示)。

(3)在unity3d里利用Javascript，C#等编程语言对三维模型交互仿真编码实现人机交互(如图6所示)。

(4)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项目教学，大大地提高了教学效率与学生的学习兴趣。

图4

图5

图6

[1]李兆平.项目教学法运用于职业教育的思考[J].中国教育创新,2006(6).

李一欣，本科，高级讲师。湛江财贸中等专业学校，524094