3D电子信息综合交互式教学演示平台设计

曹会国

摘  要： 电子信息工程是一门理论与实践紧密联系的专业，具有理论知识范围广、枯燥、实践性强的特点，学习难度较高。以提高电子信息课程教学质量为目标，设计一种3D电子信息综合交互式教学演示平台，利用3D教学演示平台讲授电子信息专业课程，平台开发经历需求分析、新功能研发、后期合成等过程，采用3D仿真模型模拟电子信息知识;该平台包括6个模块与3个系统，模块与系统间互相合作实现平台交互式教学演示功能;在GUI交互界面中基于C语言程序、操控鼠标浏览3D教学内容。实验验证得到采用平台教学后电子信息1班与2班学生及格率均达到95%以上，由此可看出该平台可明显提高教學质量与学生成绩。

关键词： 电子信息课程; 综合交互式平台; 3D仿真模型; 教学演示; 教学质量; 教学内容浏览

中图分类号： TN911?34                    文献标识码： A                            文章编号： 1004?373X（2019）12?0062?04

Abstract： Electronic information engineering is a profession closely related to its theory and practice， has the characteristics of wide theoretical knowledge range， dullness and strong practicality， and is difficult to learn. Taking the teaching quality improvement of the electronic information course as the target， a 3D integrated interactive teaching demonstration platform for electronic information course is designed. The 3D teaching demonstration platform is used to teach electronic information courses. The platform development experienced the processes of demand analysis， research and development of new functions， and post?synthesis. The 3D simulation model is adopted to simulate the electronic information knowledge. The platform includes six modules and three systems. The interactive teaching demonstration function of the platform is realized by means of interactive cooperation between modules and systems. The 3D teaching content is browsed on the GUI interactive interface by controlling the mouse on the basis of C language program. The results of the experiment verification show that the passing rates of students in Class 1 and Class 2 of electronic information major are higher than 95% by using the platform， which indicates that the platform can significantly improve the teaching quality and students′ academic records.

Keywords： electronic information course; integrated interactive platform; 3D simulation model; teaching demonstration; teaching quality;  teaching content browse

0  引  言

电子信息工程是利用电脑等高科技手段处理或控制信息的一门学科，各大高校的电子信息工程专业课程理论知识与实际应用有着紧密联系，并且具有严谨、抽象与繁琐等特点[1]。多数高校在电子信息专业课程中采用PPT等二维方式进行授课，这种方式无法使学生理解抽象的内容与概念，影响授课质量[2]。本文设计一种3D电子信息综合交互式教学演示平台，该演示平台利用3D形式展示抽象的理论知识，使课程内容具体化与形象化，既可用于电子信息课程的教学演示与实验操作，也可用于学生课后自学[3]。将3D技术应用在电子信息教学中对改善教学质量、提升学习兴趣具有重要作用，3D技术交互性极强，利用这种新颖的方式演示教学内容，可在培养学习兴趣的同时激发学生创造与发散性思维[4]。

1  3D电子信息综合交互式教学演示平台

1.1  平台开发过程

3D电子信息综合交互式教学演示平台以电子信息为模型构建原型，利用3D动画形式设计一个综合交互式教学演示平台，利用这种教学方式取代传统抽象教学，改善传统教学方式中理论知识与实践脱节的现象，使学生更容易理解教学内容，提高教学效率[5]。3D电子信息综合交互式教学演示平台具有交互性、实时性与实用性等优点，节省大量教学资源[6]。

图1为3D电子信息综合交互式教学演示平台开发过程，可以看出开发3D电子信息综合交互式教学演示平台主要经历需求分析、新功能研发、后期合成等过程，若方案不通过需返回相应步骤进行修改，直至符合要求为止。采用3D仿真模型模拟电子信息知识，使学生直观了解知识内容，相比二维平面图片演示更清晰明了，学习内容更容易被接受。

图1  3D电子信息综合交互式教学演示平台总体开发过程

1.2  教学演示平台结构

教学演示平台结构包括6个模块与3个系统，具体构成如下。

1.2.1  模块结构

3D电子信息综合交互式教学演示平台分为6个模块，分别为：片头片尾模块、导航模块、电子信息设计模块、电子信息开发模块、电子信息应用模块、电子信息集成模块[7]。歸纳3D电子信息综合交互式教学演示平台6个模块逻辑结构图见图2。由图2可知，模块结构内容主要为：片头、导航界面、4个专题模块、退出。模块间相对独立，为节省系统资源，模块可以控制场景开启与关闭并能互相传递消息。因此，为保障教学演示平台良好运行，需合理利用系统资源分配。6个模块分别具有触发界面与模型的功能，3D电子信息综合交互式教学演示平台实质是将6个相对独立模块依据软件工程原理进行组合[8]。6个模块会有相对重合部分，也有自身独立部分。

图2  教学演示平台整体逻辑系统图

1.2.2  系统结构

教学演示平台包含显示系统、控制系统和数据系统，三者关系如图3所示。图中系统间利用接口进行交互，平台整体功能需3个系统合作实现。

图3  教学演示平台系统间关系

显示系统核心功能为渲染、绘制待演示场景与内容，并利用功能组件通过3D形式呈现出来。本平台主要利用Unity 3D软件作为显示系统的主要手段，将电子信息课程的3D模型转换成FBX格式导入Unity 3D内，利用程序调整3D电子信息综合交互式教学参数，通过Unity 3D软件呈现电子信息课程需要展示的模型、材质[9]。

控制系统核心功能是获取信息的同时实现3D电子信息综合交互式教学[10]。控制系统主要负责各种特效制作，Unity 3D软件加入大量特效功能，控制系统利用Unity 3D软件使交互教学演示效果更加生动、逼真。控制系统监控用户功能是以显示系统下达的指令为依据，从数据系统获取目标内容后，通过控制系统编写切换或移动场景等3D效果。

数据系统核心功能是展示教学数据信息、提供演示特效数据。在Unity3D软件中，教学演示平台所需全部图片、信息、视频与特效内容形成一个独立数据库存放在数据系统的预处理模块中，教学演示过程中需要切换3D特效时，在数据库中可直接获取所需内容，数据系统是3D电子信息综合交互教学演示平台3D效果展示的数据基础。

1.3  平台关键技术

1.3.1  GUI交互界面设计

交互界面是电脑与人体交换信息的途径，教师在平台GUI交互界面输入待操作信息，电脑依据接收到的信息向用户展示相应的3D交互画面，便于学生阅读、理解与分析。设计GUI交互界面实现3D电子信息综合交互式教学平台演示功能。

GUI交互主界面包括三个功能区：第一个功能区位于界面顶端，主要功能为搜索，教学演示平台系统通过接收的搜索指令信息，在自身数据库中搜索相关数据，并将搜索到的信息结果通过文本形式展示到显示模块中;其余两个功能区位于交互界面左右两侧，主要功能为展示或隐藏电子信息场景物体、介绍电子信息、介绍演示平台使用说明等。

1.3.2  实现3D浏览

电子信息的3D交互演示在GUI交互界面中进行，交互教学演示平台中电子信息3D浏览实现原理如下：3D教学演示过程利用鼠标操作控制，点击鼠标右键可任意旋转或移动电子信息演示平台，滑动鼠标滚轮任意放大或缩小演示平台;编写C语言程序实现平台操作与控制，并设定画面最大与最小距离限制。算法描述如下：

2  实验分析

为评估3D电子信息综合交互式教学演示平台的教学效果，展开实验分析。实验选取某大学电子信息工程专业4个班级共200名学生作为研究对象，采用调查问卷与统计方式研究本文平台的有效性，调查学生不记名。其中，1班与2班为测试班，采用本文平台教学;3班与4班为对照班，采用传统二维PPT方式教学。

2.1  兴趣调查

为更好了解本文平台提升学生学习能力的效果，在3D电子信息综合交互式教学演示平台实验开始前，针对4个班级200名学生对电子信息专业课程是否感兴趣进行问卷调查，调查结果见表1。

表1  电子信息课程调查表      

                 

从表1中200名学生调查结果可以看出，学生们对于电子信息专业课兴趣有明显差异，大部分人对电子信息专业课程感兴趣程度在40%～60%之间，可见仅采用传统的教学方式并不能提升学生对电子信息课程的兴趣度。

继续对200名学生进行3D电子信息综合交互方面的问卷调查，调查学生对引入3D技术到电子信息课程中是否感兴趣，结果如表2所示。

表2  3D电子信息综合交互课程调查表    

         

根据表2可以看出，大部分学生对本文平台有明显兴趣，兴趣是学生最好的老师，学生对新型事物兴趣较高。利用3D仿真展现学习内容对学生有着巨大吸引力，这符合认知发展趋势，由此可知，引入3D教学演示平台对学生提高成绩有所帮助。

2.2  教学效果分析

对电子信息专业1班与2班进行3D电子信息交互教学演示平台课程教学，教学内容为《数字电子技术》第三章课程“门电路的功能与特性”;对电子信息专业3班与4班采用传统二维PPT方式教学，教学内容同上。课程结束后，对4个班级进行有关“二极管的开关特性”与“三极管的开关特性”学习情况调查，调查结果见表3。

由表3可知，电子信息1班与电子信息2班学生回答所学内容正确率在95%以上，电子信息3班与4班学生回答问题正确率仅在60%左右;数据结果显示，利用本文平台学习电子学习知识，学生接受程度较高，印象深刻，可更好地掌握上课内容。

表3  教学演示平台课程后调查情况  

             

学生成绩是学习效果最直观的体现。通过《数字电子技术》《信息与信号处理》《光纤通信计算机网络》三门课程电子信息工程专业课程，统计使用本文平台的电子信息工程1班与2班学习成绩，并与对照班学生成绩进行对比，结果见表4。

表4  学习成绩对比        

                

分析表4可得，电子信息工程1班与2班使用本文平台学习后，学习成绩非常优秀，及格率高达95%以上;而使用传统方式教学的电子信息工程3班与4班及格率仅在65%左右。因此可以看出，使用本文平台教学后学生学习成绩明显提高。

2.3  接受程度分析

由于电子信息1班与2班学生采用本文平台接受交互教学，因此调查这些学生接受平台程度与接受知识程度，调查结果见表5。

表5  教学演示平台课后接受程度调查        

     

由表5可以看出，通过本文平台教学后，学生对演示平台与学习内容接受程度较高，50%左右的学生接受程度在81%～100%之间，说明学生对于新教学方式很感兴趣，学生在课堂上的注意力更加集中，3D立体动画形式代替了传统枯燥的平面教学图形，加深学习印象，达到事半功倍的效果。

3  結  论

3D电子信息综合交互式教学演示平台将电子信息的核心理论知识存储在平台中，利用3D形式演示课程知识，以电子信息课程的形式进行辅助教学系统。采用本文教学平台后，学生出勤率有了显著提升，期末学习成绩及格率大幅上升。测试结果表明，本文设计的3D电子信息综合交互式教学演示平台可明显提高教学效率与教学质量，为电子信息专业学生提供一种崭新的、可视化的教学手段。

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