基于3D虚实结合的电路实验教学体系探索与研究
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作者:彭丽 杨京渝 夏港深
摘 要：为克服电路分析系列课程传统教学方法中所存在的弊端，更好地研究虚拟实验在教学中的应用。通过利用三维建模和动画软件maya搭建虚拟场景模拟实景和实物，将抽象的知识转化为与实际相结合的知识，从而实现虚实结合的电路教学体系和教学方式。激发学生对电路知识的兴趣，提高了学生分析问题、解决问题和排除故障的能力，为培养创新型人才打下基础。
关键词：电路分析;三维建模;maya;教学体系;虚实结合
电路分析作为高等院校电子类和电气类专业开设的一门专业基础必修课程，是电类相关专业电子技术方面入门性质的技术基础课，也是培养学生动手能力和创新能力的重要课程，在电类相关专业的发展中占重要地位。[1]而电路分析实验教学是高校培养创新型人才的重要环节，对提高学生的实操技能和创新能力有重要意义，也是提高人才培养质量的重要保证。目前，大多数高校教学理论课以教师讲授为主，“大锅饭”、“一言堂”、“走形式”等教学模式使学生被动接受知识，无任何自主性，学习兴趣不浓，老师教学效果不理想。[2]
文章通过利用三维建模和动画软件maya搭建虚拟场景模拟实景和实物，将抽象的知识转化为与实际相结合的知识，从而实现虚实结合的电路教学体系和教学方式。能成功的实现一种高端的知识交换，可在任何地方、用任何设备进行学习，大大提升了学生的学习质量和学习效率。创造出一个学生主动参与全过程、学生内部自主协作、教师提供技术支持、学生与教师一起积极探索的新型教学模式。
一、虚拟实验教学改革的背景
工科电子类的电路试验是实践教学的一个重要环节，起着学生对电路的测试、分析、设计及应用开发能力的培养作用，传统的验证性实验只要求验证学过的理论，而且受实验空间、实验条件、实验器材、维护、安全等方面的限制，对学生做实验束缚比较大。随着高校教学方式的不断改革，虚拟实验也逐渐被大学课堂所应用。
虚拟实验在国外起步较早，技术相对成熟。美国最先提出虚拟实验概念，在大学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学院的Web Lab远程实验室于1998年开发并投入使用。在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视，目前国内的多数高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室，但虚拟实验还没有广泛用到我国教学中，对利用虚拟实验进行教学的教学模式和教学设计的研究还不重视。[3]
二、实验教学平台的搭建
（一）电路实验的3D建模
实验教育经过多年改革，逐步与国际接轨。实验教育以培养学生动手能力、思考能力、创新意识、创新能力为主要目标。3D虚拟实验教学资源的制作使用maya三维建模工具，它可以用虚拟电子元器件，如电阻、二极管、三极管、逻辑电路、集成电路轻而易举地拖到“实验电路板”上，调用虚拟仪表及电源，创建、测试并且排除故障修复电路，完成相关电路试验的测试、分析、设计及应用。为更加生动、形象的将实验原理、实验过程等内容进行展示，提高学生的学习积极性和效率。可进一步将3D建模制作成动画，这样不仅可以完美呈现电路的构成和各个元器件、仪器、仪表等各部件的作用，而且通过动画演示能展现各电路的工作原理、动作过程及以及各试验的拆、装流程。实时3D图形和逼真的3D元件可以吸引学生注意力，这种模拟操作环境，能使教师的教学和学生的学习效率大大提高。
（二）虚拟教学平台搭建
采用B/S 模式构建虚拟实验教学平台。虚拟实验室群通过网络标准化，设置接口，集中全校的所有虚拟实验室，远程使用者可以通过网络，注册不同类型的用户，访问虚拟实验室群，利用校园网络，通过平台管理，将分布在不同位置的不同虚拟实验室进行集中管理，有效地利用各类虚拟实验资源。[4]
三、在实验教学中的应用
（一）3D教学的应用
3D动画技术以模拟真实物体的方式，把复杂抽象的内容、科学原理等通过运用各种表现形式将其集中、简化、形象、生动的表现出来。3D动画能够制作出精良的特效动画，这些的真实性让人们极大的体验到3D动画带给人们的视觉盛宴。采用3D建模创新教学的模式，能给人一种立体感和真实感，加快學生对电路原理的了解和认识，提高教学的目的性和实效性。
（二）虚拟实验教学平台的应用
通过虚拟实验教学平台，一些教学课件和仪器设备的使用视频、实验注意事项等均可以上传到网站上提供给学生，让他们能随时观看或下载，无形中扩展了学生实验的空间和时间。[5]老师和学生可不仅可以通过虚拟实验教学平台对日常的理论知识进行验证，而且通过该平台可将抽象的内容、复杂的电路以更加直观化、生动化的方式来提升学生对内容的理解掌握。同时给与了学生更多观察电路、设计电路的机会，也为实际电路的操作提供了演练机会，无形中提高了学生的动手能力。为培养创新型人才打下基础。
四、结语
文章通过利用三维建模和动画软件maya搭建虚拟场景模拟实景和实物，将抽象的知识转化为与实际相结合的知识，从而实现虚实结合的电路教学体系和教学方式。
使用虚拟实验教学平台把教材中只能静态描述的内容重新以动态的方式显现出来，提高学生的理解力和记忆力，激发学习的学习兴趣。可弥补实验仪器、元件少的不足及避免仪器、元器件损坏。这种3D电工电路虚拟平台十分有利于培养学生创新意识和创新能力。创造出一个学生主动参与全过程、学生内部自主协作、教师提供技术支持、学生与教师一起积极探索的新型教学模式。
参考文献：
[1]杨鸿波，高晶敏，等.“电路分析”课程教学改革的探索与实践[J].课程教材，2011（189）：99-100.
[2]田孝文.“电路分析”课程实验教学模式分析[J].无线互联科技，2019（2）：88-89.
[3]邓文婷，胡维.基于3D的虚拟实验教学平台研究[J].电子设计工程，2015（23）：27-29.
[4]许卫明，吴军强，汪承焱.虚拟实验教学管理平台的研究与实现[J].福建电脑，2013（6）：69-70.
[5]张红，徐慧平，肖波，李开成.浅谈关于做好电路实验教学的几点建议[J].实验科学与技术，2018（1）：121-123.
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