曹會(huì)國(guó)

摘 ?要： 電子信息工程是一門理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系的專業(yè)，具有理論知識(shí)范圍廣、枯燥、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)難度較高。以提高電子信息課程教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)，利用3D教學(xué)演示平臺(tái)講授電子信息專業(yè)課程，平臺(tái)開發(fā)經(jīng)歷需求分析、新功能研發(fā)、后期合成等過(guò)程，采用3D仿真模型模擬電子信息知識(shí);該平臺(tái)包括6個(gè)模塊與3個(gè)系統(tǒng)，模塊與系統(tǒng)間互相合作實(shí)現(xiàn)平臺(tái)交互式教學(xué)演示功能;在GUI交互界面中基于C語(yǔ)言程序、操控鼠標(biāo)瀏覽3D教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到采用平臺(tái)教學(xué)后電子信息1班與2班學(xué)生及格率均達(dá)到95%以上，由此可看出該平臺(tái)可明顯提高教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生成績(jī)。

關(guān)鍵詞： 電子信息課程; 綜合交互式平臺(tái); 3D仿真模型; 教學(xué)演示; 教學(xué)質(zhì)量; 教學(xué)內(nèi)容瀏覽

中圖分類號(hào)： TN911?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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

電子信息工程是利用電腦等高科技手段處理或控制信息的一門學(xué)科，各大高校的電子信息工程專業(yè)課程理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用有著緊密聯(lián)系，并且具有嚴(yán)謹(jǐn)、抽象與繁瑣等特點(diǎn)[1]。多數(shù)高校在電子信息專業(yè)課程中采用PPT等二維方式進(jìn)行授課，這種方式無(wú)法使學(xué)生理解抽象的內(nèi)容與概念，影響授課質(zhì)量[2]。本文設(shè)計(jì)一種3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)，該演示平臺(tái)利用3D形式展示抽象的理論知識(shí)，使課程內(nèi)容具體化與形象化，既可用于電子信息課程的教學(xué)演示與實(shí)驗(yàn)操作，也可用于學(xué)生課后自學(xué)[3]。將3D技術(shù)應(yīng)用在電子信息教學(xué)中對(duì)改善教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)習(xí)興趣具有重要作用，3D技術(shù)交互性極強(qiáng)，利用這種新穎的方式演示教學(xué)內(nèi)容，可在培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造與發(fā)散性思維[4]。

1 ?3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)

1.1 ?平臺(tái)開發(fā)過(guò)程

3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)以電子信息為模型構(gòu)建原型，利用3D動(dòng)畫形式設(shè)計(jì)一個(gè)綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)，利用這種教學(xué)方式取代傳統(tǒng)抽象教學(xué)，改善傳統(tǒng)教學(xué)方式中理論知識(shí)與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象，使學(xué)生更容易理解教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效率[5]。3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)具有交互性、實(shí)時(shí)性與實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省大量教學(xué)資源[6]。

圖1為3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)開發(fā)過(guò)程，可以看出開發(fā)3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)主要經(jīng)歷需求分析、新功能研發(fā)、后期合成等過(guò)程，若方案不通過(guò)需返回相應(yīng)步驟進(jìn)行修改，直至符合要求為止。采用3D仿真模型模擬電子信息知識(shí)，使學(xué)生直觀了解知識(shí)內(nèi)容，相比二維平面圖片演示更清晰明了，學(xué)習(xí)內(nèi)容更容易被接受。

圖1 ?3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)總體開發(fā)過(guò)程

1.2 ?教學(xué)演示平臺(tái)結(jié)構(gòu)

教學(xué)演示平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括6個(gè)模塊與3個(gè)系統(tǒng)，具體構(gòu)成如下。

1.2.1 ?模塊結(jié)構(gòu)

3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)分為6個(gè)模塊，分別為：片頭片尾模塊、導(dǎo)航模塊、電子信息設(shè)計(jì)模塊、電子信息開發(fā)模塊、電子信息應(yīng)用模塊、電子信息集成模塊[7]。歸納3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)6個(gè)模塊邏輯結(jié)構(gòu)圖見圖2。由圖2可知，模塊結(jié)構(gòu)內(nèi)容主要為：片頭、導(dǎo)航界面、4個(gè)專題模塊、退出。模塊間相對(duì)獨(dú)立，為節(jié)省系統(tǒng)資源，模塊可以控制場(chǎng)景開啟與關(guān)閉并能互相傳遞消息。因此，為保障教學(xué)演示平臺(tái)良好運(yùn)行，需合理利用系統(tǒng)資源分配。6個(gè)模塊分別具有觸發(fā)界面與模型的功能，3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)實(shí)質(zhì)是將6個(gè)相對(duì)獨(dú)立模塊依據(jù)軟件工程原理進(jìn)行組合[8]。6個(gè)模塊會(huì)有相對(duì)重合部分，也有自身獨(dú)立部分。

圖2 ?教學(xué)演示平臺(tái)整體邏輯系統(tǒng)圖

1.2.2 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

教學(xué)演示平臺(tái)包含顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，三者關(guān)系如圖3所示。圖中系統(tǒng)間利用接口進(jìn)行交互，平臺(tái)整體功能需3個(gè)系統(tǒng)合作實(shí)現(xiàn)。

圖3 ?教學(xué)演示平臺(tái)系統(tǒng)間關(guān)系

顯示系統(tǒng)核心功能為渲染、繪制待演示場(chǎng)景與內(nèi)容，并利用功能組件通過(guò)3D形式呈現(xiàn)出來(lái)。本平臺(tái)主要利用Unity 3D軟件作為顯示系統(tǒng)的主要手段，將電子信息課程的3D模型轉(zhuǎn)換成FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D內(nèi)，利用程序調(diào)整3D電子信息綜合交互式教學(xué)參數(shù)，通過(guò)Unity 3D軟件呈現(xiàn)電子信息課程需要展示的模型、材質(zhì)[9]。

控制系統(tǒng)核心功能是獲取信息的同時(shí)實(shí)現(xiàn)3D電子信息綜合交互式教學(xué)[10]?？刂葡到y(tǒng)主要負(fù)責(zé)各種特效制作，Unity 3D軟件加入大量特效功能，控制系統(tǒng)利用Unity 3D軟件使交互教學(xué)演示效果更加生動(dòng)、逼真?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)控用戶功能是以顯示系統(tǒng)下達(dá)的指令為依據(jù)，從數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲取目標(biāo)內(nèi)容后，通過(guò)控制系統(tǒng)編寫切換或移動(dòng)場(chǎng)景等3D效果。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)核心功能是展示教學(xué)數(shù)據(jù)信息、提供演示特效數(shù)據(jù)。在Unity3D軟件中，教學(xué)演示平臺(tái)所需全部圖片、信息、視頻與特效內(nèi)容形成一個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)存放在數(shù)據(jù)系統(tǒng)的預(yù)處理模塊中，教學(xué)演示過(guò)程中需要切換3D特效時(shí)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中可直接獲取所需內(nèi)容，數(shù)據(jù)系統(tǒng)是3D電子信息綜合交互教學(xué)演示平臺(tái)3D效果展示的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 ?平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 ?GUI交互界面設(shè)計(jì)

交互界面是電腦與人體交換信息的途徑，教師在平臺(tái)GUI交互界面輸入待操作信息，電腦依據(jù)接收到的信息向用戶展示相應(yīng)的3D交互畫面，便于學(xué)生閱讀、理解與分析。設(shè)計(jì)GUI交互界面實(shí)現(xiàn)3D電子信息綜合交互式教學(xué)平臺(tái)演示功能。

GUI交互主界面包括三個(gè)功能區(qū)：第一個(gè)功能區(qū)位于界面頂端，主要功能為搜索，教學(xué)演示平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)接收的搜索指令信息，在自身數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索相關(guān)數(shù)據(jù)，并將搜索到的信息結(jié)果通過(guò)文本形式展示到顯示模塊中;其余兩個(gè)功能區(qū)位于交互界面左右兩側(cè)，主要功能為展示或隱藏電子信息場(chǎng)景物體、介紹電子信息、介紹演示平臺(tái)使用說(shuō)明等。

1.3.2 ?實(shí)現(xiàn)3D瀏覽

電子信息的3D交互演示在GUI交互界面中進(jìn)行，交互教學(xué)演示平臺(tái)中電子信息3D瀏覽實(shí)現(xiàn)原理如下：3D教學(xué)演示過(guò)程利用鼠標(biāo)操作控制，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵可任意旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)電子信息演示平臺(tái)，滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪任意放大或縮小演示平臺(tái);編寫C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)操作與控制，并設(shè)定畫面最大與最小距離限制。算法描述如下：

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

為評(píng)估3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)的教學(xué)效果，展開實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)選取某大學(xué)電子信息工程專業(yè)4個(gè)班級(jí)共200名學(xué)生作為研究對(duì)象，采用調(diào)查問(wèn)卷與統(tǒng)計(jì)方式研究本文平臺(tái)的有效性，調(diào)查學(xué)生不記名。其中，1班與2班為測(cè)試班，采用本文平臺(tái)教學(xué);3班與4班為對(duì)照班，采用傳統(tǒng)二維PPT方式教學(xué)。

2.1 ?興趣調(diào)查

為更好了解本文平臺(tái)提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力的效果，在3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)實(shí)驗(yàn)開始前，針對(duì)4個(gè)班級(jí)200名學(xué)生對(duì)電子信息專業(yè)課程是否感興趣進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 ?電子信息課程調(diào)查表 ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ?

從表1中200名學(xué)生調(diào)查結(jié)果可以看出，學(xué)生們對(duì)于電子信息專業(yè)課興趣有明顯差異，大部分人對(duì)電子信息專業(yè)課程感興趣程度在40%～60%之間，可見僅采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式并不能提升學(xué)生對(duì)電子信息課程的興趣度。

繼續(xù)對(duì)200名學(xué)生進(jìn)行3D電子信息綜合交互方面的問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查學(xué)生對(duì)引入3D技術(shù)到電子信息課程中是否感興趣，結(jié)果如表2所示。

表2 ?3D電子信息綜合交互課程調(diào)查表 ? ?

? ? ? ? ?

根據(jù)表2可以看出，大部分學(xué)生對(duì)本文平臺(tái)有明顯興趣，興趣是學(xué)生最好的老師，學(xué)生對(duì)新型事物興趣較高。利用3D仿真展現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)學(xué)生有著巨大吸引力，這符合認(rèn)知發(fā)展趨勢(shì)，由此可知，引入3D教學(xué)演示平臺(tái)對(duì)學(xué)生提高成績(jī)有所幫助。

2.2 ?教學(xué)效果分析

對(duì)電子信息專業(yè)1班與2班進(jìn)行3D電子信息交互教學(xué)演示平臺(tái)課程教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容為《數(shù)字電子技術(shù)》第三章課程“門電路的功能與特性”;對(duì)電子信息專業(yè)3班與4班采用傳統(tǒng)二維PPT方式教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容同上。課程結(jié)束后，對(duì)4個(gè)班級(jí)進(jìn)行有關(guān)“二極管的開關(guān)特性”與“三極管的開關(guān)特性”學(xué)習(xí)情況調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表3。

由表3可知，電子信息1班與電子信息2班學(xué)生回答所學(xué)內(nèi)容正確率在95%以上，電子信息3班與4班學(xué)生回答問(wèn)題正確率僅在60%左右;數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，利用本文平臺(tái)學(xué)習(xí)電子學(xué)習(xí)知識(shí)，學(xué)生接受程度較高，印象深刻，可更好地掌握上課內(nèi)容。

表3 ?教學(xué)演示平臺(tái)課程后調(diào)查情況 ?

? ? ? ? ? ? ?

學(xué)生成績(jī)是學(xué)習(xí)效果最直觀的體現(xiàn)。通過(guò)《數(shù)字電子技術(shù)》《信息與信號(hào)處理》《光纖通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》三門課程電子信息工程專業(yè)課程，統(tǒng)計(jì)使用本文平臺(tái)的電子信息工程1班與2班學(xué)習(xí)成績(jī)，并與對(duì)照班學(xué)生成績(jī)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 ?學(xué)習(xí)成績(jī)對(duì)比 ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ??

分析表4可得，電子信息工程1班與2班使用本文平臺(tái)學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)成績(jī)非常優(yōu)秀，及格率高達(dá)95%以上;而使用傳統(tǒng)方式教學(xué)的電子信息工程3班與4班及格率僅在65%左右。因此可以看出，使用本文平臺(tái)教學(xué)后學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)明顯提高。

2.3 ?接受程度分析

由于電子信息1班與2班學(xué)生采用本文平臺(tái)接受交互教學(xué)，因此調(diào)查這些學(xué)生接受平臺(tái)程度與接受知識(shí)程度，調(diào)查結(jié)果見表5。

表5 ?教學(xué)演示平臺(tái)課后接受程度調(diào)查 ? ? ? ?

? ? ?

由表5可以看出，通過(guò)本文平臺(tái)教學(xué)后，學(xué)生對(duì)演示平臺(tái)與學(xué)習(xí)內(nèi)容接受程度較高，50%左右的學(xué)生接受程度在81%～100%之間，說(shuō)明學(xué)生對(duì)于新教學(xué)方式很感興趣，學(xué)生在課堂上的注意力更加集中，3D立體動(dòng)畫形式代替了傳統(tǒng)枯燥的平面教學(xué)圖形，加深學(xué)習(xí)印象，達(dá)到事半功倍的效果。

3 ?結(jié) ?論

3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)將電子信息的核心理論知識(shí)存儲(chǔ)在平臺(tái)中，利用3D形式演示課程知識(shí)，以電子信息課程的形式進(jìn)行輔助教學(xué)系統(tǒng)。采用本文教學(xué)平臺(tái)后，學(xué)生出勤率有了顯著提升，期末學(xué)習(xí)成績(jī)及格率大幅上升。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的3D電子信息綜合交互式教學(xué)演示平臺(tái)可明顯提高教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量，為電子信息專業(yè)學(xué)生提供一種嶄新的、可視化的教學(xué)手段。

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