情境学习理论下虚拟数字电路实验平台的设计

张新宇 石连栓

摘要：情境学习理论认为知识具有情境性，人们应该基于情境来习得知识。文章分析了基于情境学习理论的教学设计和虚拟数字电路实验平台的设计。该实验平台以情境学习理论为指导，应用虚拟现实技术开发而成。该平台可为学习者创设一个虚拟的学习情境，学习者可在该情境中完成相应的数字电路实验。与传统的实体数字电路实验平台相比，本虚拟实验平台具有成本低、使用方便和操作过程安全的特点。

关键词：情境学习；虚拟现实；虚拟实验；电路仿真；3D

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）09-0266-03

1引言

随着虚拟现实技术的发展虚拟仿真实验应运而生，与传统的器材实验相比虚拟实验具有成本低、操作过程安全、使用方便的特点，成了实验课教学的一种新方式。电路仿真在电路相关的课程教学中占有相当重要的地位，在电路学习和设计开发过程中，电路仿真可大大缩短电路设计时间提高学习效率。目前在教学中常用的电路仿真软件如Protel、Multisim、TINA等。

Proteus是一款来自英国的EDA仿真软件，该软件集成了原理图布图、PCB设计、单片机及外围电路仿真等功能。其中单片机仿真功能支持多种处理器和编译方式，备受用户青睐。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的电路仿真工具，适用于模拟电路和数字电路的设计。它包含了电路硬件描述语言（HDL）输入方式及电路原理图的图形输入，具有良好的仿真分析能力。目前，Multisim在各大高校的使用十分普遍。TINA是欧洲Design Soft Kft公司研发的EDA软件，用于模拟和数字电路的仿真分析。该软件可以与其硬件设备Tina-Lab，即实时信号发生器、数据采集器相连接，故能将实时测量与虚拟仿真结果相比对。这是目前所知能实现该项功能的少数实用技术产品之一，并且它是所知为数不多的具有简体中文界面的成熟软件。

这些软件有着庞大的元件库和强大的仿真能力，但是这些软件都是基于二维平面的仿真注重电路原理的模拟，并不能为学习者提供一个学习情境，使学习者沉浸其中开展学习活动。因此结合情境学习理论开发一款逼真的3D虚拟数字电路仿真教学软件十分具有必要性。

2基于情境学习理论的教学设计

2.1情境学习理论的内涵

情境学习理论兴起于20世纪80年代形成于20世纪90年代，代表人物有莱芙和温格等。情境学习理论是继行为主义“刺激—反应”学习理论与认知心理学的“信息加工”学习理论后，出现的又一个重要的研究取向，它将学习过程中的文化和物理背景纳入了研究范围之中。

情境学习理论认为，知识不能脱离情境而存在，知识的学习应在相应的情境中进行。在传统的讲授学习方式中，知识被固化成特定的符号。与传统的讲授学习方式不同，情境学习方式使学习在真实而又自然的环境中进行，学习者的行为是学习者与情境互动的结果。在学习者与情境互动的过程中，不仅可以习得显性知识，而且在潜移默化中习得大量内隐知识。就这样，学习者在情境中不断地实践与反思，不断地把在情境中学到的知识应用到情境中去，学习者的知识也不断地得到增长。

2.2情境学习理论下的教学设计

在情境学习理论下的教学设计应包含教学目标、教学内容、教学方式、教学关系四个方面，其结构如图1所示。

2.2.1教学目标的设计

莱夫等人曾提出“学习的实质是个体参与实践，与他人、环境等相互作用的过程，是形成参与实践活动的能力、提高社会化水平的过程”。与传统学校教学把认知能力的培养作为教学目标不同，情境学习理论更注重个体实践能力的培养。实质上，如果认知能力脱离了现实环境就会因无法应用而失去意义。技能的培养需要个体在与环境的互动过程和知识与技能的实际运用中逐步形成。因此，学生的实践平台的设计思路为：明确要学习的知识及运用该知识的现实情境是什么，然后设计一个情境，使学习者能在该情境中习得并使用相关的知识和技能。

2.2.2教学内容的设计

在以培养实践能力为目标的教学中，应当为学习者创设真实的问题情境，以体现要学习的知识在现实生活中的存在方式。学习者应当参与真实或逼真的活动，为知识的理解和经验的交流创造条件。情境学习理论主张设计结构不良的真实问题作为学习任务，学生在实践的过程中解决问题，在应用中理解知识，从而实现意义的建构。

2.2.3教学方式的设计

情境学习理论下的教学方式注重参与实践。在基于实践的教学活动中，学生是在问题的解决过程中通过与他人和环境互动来学习知识和技能的。因此，學生的“参与”和“实践”是教学方式设计的重点。为了保证学生可以充分地参与实践，一方面要为学生提供真实的问题情境，另一方面要给学生足够的自由度，让学生可以自由发挥。在学习者参与实践的过程中，可以让学习者扮演多种角色，当学习者融入学习情境中时，可以通过观察和模仿学到情境中隐含的知识与技能。

2.2.4教学关系的设计

由于情境学习理论中的教学活动强调在真实的问题情境下培养学生的实践能力，教师的任务也随之产生了相应的变化。在真实的问题情境中，情况往往复杂多变并且很多问题没有明确的界定。这就需要教师与学生之间有效的互动，为学生解决实践中遇到的问题提供“脚手架”，以解决学生在单独实践中存在的效率低下、自信心受到打击等问题。教师的角色属于“实践活动的设计者”和“为学习者提供帮助者”，而学习活动的主角是学生。与传统教学中的师生互动不同，教师不是帮助学生获取问题的答案，而是帮助学生理清思路、寻找方法从而保证学生的参与性。

2.3虚拟数字电路实验平台的学习模式

在虚拟数字电路实验平台上进行实验应当以小组学习的方式进行。学习小组的各个成员组成实践共同体，通过合作、讨论、角色扮演等方式参与学习活动。虚拟数字电路实验平台中的学习体验不仅包括学习者获得的直接感受，还包括联想、顿悟以及想象等一系列间接感受。

虚拟数字电路实验平台的学习模式如图2所示。学习者与指导者和协作者构成实践共同体，以协作的方式参与学习活动。学习活动分为虚拟电路连接和虚拟实验现象两个部分。在参与活动的过程中，学习者通过与虚拟情境的接触能产生真实感、沉浸感和想象等一系列感受，这些感受将促进学习者习得知识与技能。

3虚拟数字电路实验平台的功能模块设计

虚拟数字电路实验平台由平台介绍、相关资料、虚拟实验、实验报告四个部分组成，其中虚拟实验又分为元器件选择、电路连接和实验现象三个部分，其结构如图3所示。

3.1平台介绍

当学习者使用虚拟数字电路实验平台进行学习时，首先应当学习平台介绍模块中的内容。该模块向学生介绍了平台中各个实验中的元器件的使用方法以及注意事项。通过对该模块内容的了解，学习者可以快速掌握平台的使用方法、减少操作失误、提高实验效率。

3.2相关资料

该模块的内容包括在虚拟数字电路实验平台中可进行的各个实验的实验目的、实验原理以及实验中用到的各集成电路和仪器仪表的数据手册。通过学习该模块的内容学习者可以提前了解将要进行的实验的基本内容，在进行实验的过程中也可以打开该模块内容查看所用到器件的参数。

3.3虚拟实验

虚拟实验模块包括元器件选择、电路连接和实验现象三部分。元器件选择部分需要学生在进行实验时根据实验要求选择正确的元器件，然后将其安插在实验平台的恰当位置。在电路连接部分中学生可以使用虚拟导线将固定于平台之上的IC、按钮、开关、LED数码管等各个元器件按照电路原理图连接起来形成实验所需的电路。在学生将电路连接完成之后，点击“开始仿真”按钮平台进可显示出相应的实验现象。在仿真过程中，如果电路路中的元器件安插位置不正确或者导线连接存在错误，平台还可以模拟元器件烧毁等异常现象。

3.4实验报告

实验报告是实验教学中的重要环节，通过填写实验报告学生能够更加深入理解实验中的重难点知识，并促使学生反思与总结。学生进入实验报告模块可以填写实验报告，实验报告填写完成之后，可以将文件导出或发送给教师。

4虚拟数字电路实验平台的开发

4.1平台开发流程

本设计认为一个设计良好的虚拟实验平台应当具有以下特点：软件界面形象、结构布局合理、电路原理正确、实验现象逼真。为达到以上要求，需要做大量的准备工作， 由于Unity3D模型制作功能较3Dmax而言較弱且操作复杂，所以采取在3Dmax中制作模型然后导入Unity3D的方式建模。

首先要明确虚拟实验平台中所用到的电子元器件的外形尺寸、工作原理及性能参数，这些数据可从元件的数据手册中获得。其次，要按照各个元器件的外形尺寸等比例的建立各个元器件的模型，并制作对应的外观材质为模型贴图。最后要根据实验电路的原理为每种元器件模型编写面向对象的脚本程序。Unity3D中采用的是脚本编程模式，使用C#或JavaScript编程语言编写脚本程序用来控制元器件各种状态的维持与改变，以实现电路仿真的时序性、逻辑性、合理性。

4.2模型构建

模型的构建决定着平台的外观是否形象。本设计需要构建一个虚拟数字电路试验箱，主要模块包括：箱体、印制电路板、电子元器件及导线四个部分。各模块的建模以基本几何体和扩展几何体为基础，采用车削、放样、布尔运算等方法完成，模型的外形尺寸比例均与实物一致。模型设计完成之后需要在其表面贴图，以达到逼真的模拟效果，该步骤采用3Dmax中的UVW贴图功能来实现。

UVW贴图的参数设置界面如图4所示。在为模型贴图时，首先要将图片赋到材质球上，单击漫反射按钮选择然后选择事先准备好的图片材质球便变成了对应的图案。然后把将要进行贴图的模型选中，把材质球赋予它。点击修改器列表为模型添加一个UVW贴图，参数选择为平面，通过调节长度和宽度参数可以改变平面的大小，移动Gizmo坐标则能改变平面的位置，调节U向平铺和V向平铺则能改变贴图的平铺数量和图形大小。将各个参数调整的合适大小之后便能得到贴图之后的模型，效果如图5和图6所示。

4.3电路仿真功能的实现

电路仿真重点需要实现以下三种功能：

4.3.1用户输入

当学习者进行电路实验时导线的连接方式，开关的通断状态，旋钮的位置等这些都属于用户输入。为了使用户输入时平台能有相应的反馈，如：当学习者连接导线时，程序会在被点击的两个接线端之间生成一条导线；学习者点击开关和按钮时，开关和按钮的状态都要随之发生相应的变化。这些操作的实现都需要编写脚本程序实时监测用户的输入行为，并及时显示出对应的操作结果。

4.3.2 IC逻辑

在数字电路仿真实验中，IC的逻辑仿真是最为关键的部分。附加在IC模型上的脚本程序先检测IC的控制端口的电平状态从而选择IC的工作模式，然后检测IC输入端子的电平状态根据IC的功能进行计算，最后将计算结果表示到输出端口上。

4.3.3 输出指示

输出指示也可称为实验现象表示。学习者在将实验电路的导线连接完毕之后，点击电源开关然后平台进入电模拟运行状态。此时平台上具有输出功能的元器件如：发光二极管、数码管、蜂鸣器、继电器等需要根据电路连接情况做出相应的反应。如：当一个发光二极管两端的电压足以使其处于正向导通状态时应当发出光亮；当如果实验中的电路连接有能引起元器件损坏的错误，如：输入电压过高、短路等，平台能模拟出IC被烧毁，电压变为0V等相应的现象。

5 总结

本虚拟数字电路实验平台以情境学习理论为指导进行设计，由平台介绍、相关资料、虚拟实验、实验报告四个部分组成。学生可在虚拟实验平台中学会平台的操作方法，阅读实验相关的材料，进行虚拟实验以及填写实验报告。虚拟数字电路实验平台采用在3Dmax中建模和制作动画，在Unity3D中整合及完成人机交互等功能。该虚拟数字电路实验平台具有成本低、使用方便、使用过程安全的特点，弥补了实体实验的不足，但是虚拟实验平台并不能完全代替实体实验。在实际教学过程中，只有将二者相结合发挥各自的优势才能在教学中取得理想的效果。

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【通联编辑：王力】