简析单片机《单片机原理和运用》虚拟教学系统和运用

摘 要：结合《单片机原理与应用》的实践教学要求，利用Flex 的虚拟现实技术，对虚拟教学系统从系统功能设计、系统界面设计、导航策略设计以及交互策略设计四个方面进行设计和开发，为虚拟教学系统建设提供一个新的模式。
关键词：单片机原理与应用虚拟现实 Flex
与传统教学系统不同，建立在虚拟现实技术基础之上的教学系统通过刺激多种感官，使人沉浸于其中，同时与这个逼真的环境进行交互，从而达到快速学习、真实体验生活经验和提高能力的目的。通过网络技术、虚拟现实技术来实现教学，可以对单片机的硬件电路原理进行直观的演示和讲解。采用基于 Flex 的虚拟现实技术开发的教学系统，不但界面美观，用户交互体验感强，而且提高了学生的动手实践能力和教学质量。

一、《单片机原理与应用》虚拟教学系统设计

1、系统框架和功能模块设计

虚拟教学系统采用三层 B/S 结构，开发技术采用.NET，MXML+ Action Script，JaScript 技术等，数据库采用 SQL Server2000，其中第一层为客户端层，该层主要表现为系统界面，在 Web 浏览器上外挂 Flay Player ，该层用来实现用户与整个系统的交互，在该层中，部分页面可以采用 Flex 技术来建构RIA 应用程序，给用户以丰富的人机交互体验；第二层为业务层，该层主要负责整个系统的逻辑业务，以此来完成客户端层与信息资源层之间的数据交互；第三层为信息资源层，提供平台所需的场景信息与数据信息，这一层实现信息资源的集中统一管理，该层主要包括师生信息库、模型库、课件库、试题库等。系统功能模块主要包括管理模块、教学资源库模块、教学模块以及协作学习模块。

2、系统界面设计

界面设计主要包括界面布局、字体、页面色彩等环节。其设计原则在遵循艺术美的前提下更加注重个性化，强调教学系统所要表达的主题，淡化非主流信息对学习者的干扰。对于虚拟教学系统的界面而言，选用蓝色为主体背景色，并通过调整色彩的透明度和饱和度来产生文字和图标的色彩，对需要交互对象的按钮等工具采用三维立体的形状来凸显出虚拟系统的多感知性。采用 Flex 技术来优化网站界面有着很大的优势，它通过提供丰富的组件来增强网站界面的表现力，使得界面更为友好。可以采用图表控件，创建丰富的图表，达到数据可视化效果。同时，Flex 还提供了大量的用户交互组件，对于知识体系的呈现，利用【Combo Box】组件对所有知识点以列表的形式展现并与用户进行交互。

3、导航策略设计

虚拟教学系统的信息量巨大，内部信息之间的关系复杂，在学习过程中，学习者由于缺乏专业教师的指引，迷航现象时有发生，所以应当提供导航策略设计，引导学生进行有效学习，以提高学习效率。目前比较多的导航方式有检索导航、导航图导航、菜单导航、书签导航、提示导航、演示导航、触摸区导航等。

4、交互策略设计

交互性主要包含人机交互以及人与人的交互。所谓的人机交互，是指人与计算机之间使用某种对话手段，以一定的交互方式，为完成确定任务而进行的人机之间信息交流的过程，这种类型的交互是虚拟现实技术的一个重要特征，也是虚拟现实技术应用于虚拟教学系统中的一个主要优势，系统中的虚拟现实场景能否实现自然流畅的人机交互，将直接关系到系统设计的成败。从技术特点来看，基于 Flex 的虚拟现实技术为交互性提供了很多的交互机制，如视点、导航、事件的发送与接收等。主要体现在：视点是用户在人机交互的过程中通过改变摄像机的位置来改变观察点，从而在不同的位置场景显现出不同的形态及具有空间感的三维效果；导航是用户在虚拟场景中漫游的信息指示，通过导航，用户可以在虚拟环境中移动或检查某个对象；基于 Flex 的虚拟现实技术主要是采用 Action Script 脚本语言对虚拟环境中的对象产生作用，通过编程控制来发送及接收对象。

二、《单片机原理与应用》虚拟教学系统中应用实现

1、虚拟实验室构建

在 Flex Builder 3 开发环境中，借助 Papervision3D开源的 3D 引擎，建立一个 Sphere 形体，然后对形体进行贴图，最后固定 Camera 的坐标，通过舞台上鼠标移动的距离来控制 Camera 旋转的角度，从而实现 360°全方位的展示。

2、单片机及相关硬件的三维虚拟模型展示

Papervision3D 中也自带一些基本的形体（球体、立方体、平面、圆锥等），但无图形界面，不能像专业的建模工具那样通过点击、拖拽等操作来创建几何体，要实现一些复杂的模型，就需要借助 3DS MAX、MAYA 等工具。在 3DS MAX 中可以通过 Polygon多边形建模、特殊建模、修改建模、Patch 面片建模、NURBS 建模等方式来建构出虚拟场景及仪器模型，然后通过材质为模型表面加入色彩、光泽和纹理等来达到与真实事物相似的特性。建模的过程中，在不影响模型整体效果的情况下尽量减少多边形的个数以达到减小输出文件的体积。

3、MXML+ Action Script 编程控制

M

源于：论文封面www.udooo.com

XML 是一种描述 Flex 应用程序界面的 XML 语言，它通过一组标签集来定义用户界面，同时提供一些不可见类库的调用，在开发虚拟实验时，可以在 Flex 工程文件中利用 MXML 语言来设计界面元素，优化界面美观，增强人机交互体验。Action Script是一种面向对象的脚本语言，在 Flex 中，用户可以采用< m x:Script> 的标签来嵌入 Action Script 代码，也可以从独立的外部文件来导入相关代码。在开发虚拟实验的过程中，Papervision3D 作为外部的类库导入到 Flex Builder 开发工具中，放置在 Flex工程文件目录下 src 文件中来进行调用。
三、总结
作为虚拟现实技术之一的桌面虚拟现实技术具有开发成本低、不需要昂贵的虚拟现实设备、只需在客户端安装相应插件即可，应用价值较高，更适合应用于教学之中。同时，虚拟协同工作、仪器的远程虚拟仿真操作技术等方面有待更深入的探索与创新，这些也将是作者进一步研究的方向。
参考文献
黄怀荣．信息技术与教育[M].北京：北京师范大学出版社，2002：131,105-106
张琳琳．基于 Web3D 的虚拟物理实验研究[D] ．长春：东北师范大学，2008
[3]恽如伟.虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设计[D].南京：南京师范大学，2005 年 4 月
[5]何建．关于 Web3D 在学科教学中的应用研究[D].成都：四川师范大学，2005
[6]张倩苇．虚拟现实技术与教育 [J].电化教育研究，1998 年 2 月:29-32