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電子產(chǎn)品裝配實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件論文
中職學(xué)生職業(yè)崗位能力的培養(yǎng)和職業(yè)技能的訓(xùn)練是中職學(xué)校教學(xué)的重中之重。當(dāng)前，在中職學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)出現(xiàn)了一些新的問題，如出于對(duì)學(xué)生安全性的考慮，在電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)中需要加電調(diào)試等操作往往不能得到有效實(shí)施。因此，必須對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行變革，找出一條既能夠有效完成教學(xué)任務(wù)，又能大大降低實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)損耗的方法，虛擬實(shí)訓(xùn)是其中比較好的解決方案。
1 虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)
教學(xué)需求分析 好的教學(xué)軟件需要好的教學(xué)設(shè)計(jì)，好的教學(xué)設(shè)計(jì)需要先進(jìn)的教學(xué)理念指導(dǎo)。目前教育界普遍認(rèn)為要取得好的教學(xué)效果，既要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，又要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。教學(xué)軟件開發(fā)的設(shè)計(jì)中也要貫徹這種教育理念，既要提供充足的圖文、動(dòng)畫、視頻等演示資源來(lái)支持教的功能，又要有良好的界面導(dǎo)航及虛擬實(shí)訓(xùn)交互設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。
中職《電子產(chǎn)品裝配實(shí)訓(xùn)》課程主要以項(xiàng)目教學(xué)為主，通過10個(gè)典型的電子產(chǎn)品裝配讓學(xué)生獲得電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握電子產(chǎn)品裝配的基本技能。因此，在虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件中應(yīng)具有4種功能：漫游功能，能夠多角度觀察虛擬實(shí)訓(xùn)器件及儀器設(shè)備，操作場(chǎng)景;演示功能，能夠演示電子產(chǎn)品裝配實(shí)訓(xùn)中的操作程序、操作方法及錯(cuò)誤操作結(jié)果;交互功能，能夠利用鍵盤、鼠標(biāo)對(duì)屏幕中的虛擬器件、儀器工具等進(jìn)行理想的自主操作，該功能是虛擬實(shí)訓(xùn)軟件的核心功能;考核功能，能夠進(jìn)行理論與虛擬實(shí)訓(xùn)操作的考核，驗(yàn)證學(xué)生學(xué)習(xí)水平，并給予反饋。
軟件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì) 通過上面的需求分析，結(jié)合中職學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，本文以直流穩(wěn)壓電源的虛擬組裝項(xiàng)目為例，對(duì)軟件功能模塊加以說(shuō)明。
實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)模塊，重點(diǎn)以文字說(shuō)明形式幫助學(xué)生熟悉實(shí)訓(xùn)目的，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)，使學(xué)生能夠了解實(shí)訓(xùn)過程及注意事項(xiàng);知識(shí)鏈接模塊，重點(diǎn)以圖文、視頻動(dòng)畫的形式，對(duì)理論性較強(qiáng)的知識(shí)如元件器、電路圖的識(shí)讀等加以詳細(xì)說(shuō)明;裝配演示模塊，以二維、三維動(dòng)畫交互的形式，向?qū)W生演示相關(guān)操作，如元器件的檢測(cè)、安裝等，使學(xué)生熟悉操作程序，牢記錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的嚴(yán)重后果;虛擬裝配模塊，通過鼠標(biāo)、鍵盤的組合，學(xué)生可以進(jìn)行多角度觀察，自主拾取器件、工具進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)，并給出相應(yīng)提示;實(shí)訓(xùn)考核模塊，分為理論考核與虛擬操作考核兩部分，理論考試采取隨機(jī)抽題方式，由后臺(tái)題庫(kù)支持，可自主更新，實(shí)操考核借鑒游戲過關(guān)記分的方法，根據(jù)操作的正確與否，扣除相應(yīng)的分值。
2 虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)本虛擬實(shí)訓(xùn)軟件模塊的劃分，主要進(jìn)行兩方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一是登錄和用戶管理系統(tǒng)，二是虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。
登錄及用戶管理 登錄及用戶管理的實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立一張具有用戶名、用戶密碼等字段的表，用于記錄相關(guān)信息。當(dāng)用戶從前臺(tái)網(wǎng)頁(yè)登錄時(shí)，將用戶名、密碼借助PHP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)提交至后臺(tái)，驗(yàn)證用戶信息正確后再將學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)成績(jī)等信息返回前臺(tái)顯示。
虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
1)基于Unity3D的虛擬教學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)流程。Unity3D是能夠比較方便的創(chuàng)建諸如3D游戲、建筑可視化等內(nèi)容綜合開發(fā)工具，包含了圖形、音頻等方面的引擎支持，并以C#或者一種類似JavaScript的語(yǔ)言為腳本語(yǔ)言，來(lái)實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)。Unity3D開發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)主要分為4個(gè)步驟：首先，創(chuàng)建仿真模型;其次，利用3DS max優(yōu)化模型;再次，利用Unity3D對(duì)模型進(jìn)行交互設(shè)計(jì);最后調(diào)試，完善并發(fā)布。
2)虛擬元器件模型的建立。在電子產(chǎn)品裝配虛擬實(shí)訓(xùn)中，主要涉及到電子元器件及印制電路板的模型創(chuàng)建。例如在直流穩(wěn)壓電源裝配實(shí)訓(xùn)中需要準(zhǔn)備的虛擬元器件有電阻、電容、二極管、三極管等，還要有一塊虛擬印制電路板。如果這些虛擬物件直接在3Ds MAX中創(chuàng)建相當(dāng)麻煩，Proteus軟件中預(yù)置了上千種元件的3d模型，我們可以利用其印制電路板設(shè)計(jì)模塊，方便的生成印制板電路和元器件的3D模型。然后再導(dǎo)入3Ds Max中進(jìn)行組合優(yōu)化，最終得到虛擬實(shí)訓(xùn)所需虛擬元器件模型，再以FBX文件的形式導(dǎo)出備用。
3)漫游功能的實(shí)現(xiàn)。在Unity3D中我們可以利用鼠標(biāo)、鍵盤事件對(duì)攝像機(jī)的視角進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)元件和場(chǎng)景的漫游功能。例如，利用按住鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)視角的旋轉(zhuǎn)，具體方法如下。
首先，將Unity3D中預(yù)置的Camera Scripts
下的MouseOrbit.js導(dǎo)入到工程中;其次，將MouseOrbit.js附加到Main Camera上，然后在其Inspector面板中對(duì)MouseOrbit.js組件的Target參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中選擇印制電路板作為該參照物;最后，將鼠標(biāo)右鍵觸發(fā)事件添加到MouseOrbit.js代碼中去，實(shí)現(xiàn)按下鼠標(biāo)右鍵才觸發(fā)視角旋轉(zhuǎn)的功能。
4)裝配演示功能的實(shí)現(xiàn)。在本項(xiàng)目的裝配演示模塊中，我們主要實(shí)現(xiàn)元器件在印制電路板上的安裝與分解。單擊裝配演示界面上的分解按鈕時(shí)，各元器件從電路板上分解出來(lái);單擊組裝演示按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)將各元器件按照一定的順序安裝在電路板相應(yīng)的位置，如圖1所示。該功能的實(shí)現(xiàn)利用附加在Main Camera上的裝配演示腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體方法如下：
�、僭谀_本中Awake()函數(shù)里獲取所有元件的名稱及正確坐標(biāo)，并記錄在數(shù)組中。
�、谠谀_本中OnGUI()函數(shù)里利用Button控件創(chuàng)建分解與組裝演示按鈕。當(dāng)檢測(cè)到分解按鈕被按下時(shí)，將所有元器件的位置進(jìn)行偏移，完成元器件位置分解操作;當(dāng)檢測(cè)到裝配演示按鈕被按下時(shí)，首先根據(jù)數(shù)組中存的元器件名獲取元器件的當(dāng)前坐標(biāo)，若其與數(shù)組中所存的元件在電路板上的安裝位置不同，則利用Vector3.MoveTowards方法將當(dāng)前元器件移動(dòng)到數(shù)組中所存的該元件的安裝位置。移動(dòng)完成后，進(jìn)行下一個(gè)元件的安裝演示，如圖1所示。
5)虛擬裝配功能的實(shí)現(xiàn)。本軟件中單擊手動(dòng)組裝操作按鈕進(jìn)入虛擬裝配實(shí)訓(xùn)，這時(shí)可以通過鍵盤、鼠標(biāo)對(duì)屏幕中的虛擬元器件、儀器工具等進(jìn)行自主操作，組裝到正確位置時(shí)，元器件會(huì)吸附到電路板上。當(dāng)鼠標(biāo)指向待安裝的元器件時(shí)，會(huì)在電路板上正確的安裝位置顯示元器件虛影進(jìn)行提示。該功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是鼠標(biāo)拖放和碰撞檢測(cè)。具體方法如下。
�、贉�(zhǔn)備兩套虛擬元器件，一套是輔助安裝的元器件虛影。當(dāng)按下手動(dòng)組裝按鈕時(shí)，將電路板上的輔助安裝元器件的renderer.enabled屬性設(shè)置為false，并全部添加Box collider組件。然后分組顯示將要安裝的元器件。
�、谠贛ain Camera上附加Unity3D中預(yù)置的DragRigidbody.js腳本，為需要安裝的元件添加Rigidbody和Mesh collider組件。
�、墼趯⒁惭b的元器件上附加手動(dòng)組裝腳本。編程思路是在Update()中獲取當(dāng)前鼠標(biāo)拖動(dòng)的元器件，然后利用OnTrggerEnter進(jìn)行碰撞觸發(fā)檢測(cè)，若碰撞的是與之對(duì)應(yīng)輔助元器件則將其在安裝位置顯示出來(lái)。
3 作品發(fā)布
在Unity3D中經(jīng)過功能測(cè)試無(wú)誤后，開發(fā)的作品最后能發(fā)布成web網(wǎng)頁(yè)、可執(zhí)行EXE文件等多種形式。在本實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件中，為便于與其他教學(xué)資源整合，采用網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文以直流穩(wěn)壓電源虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為例，展示綜合運(yùn)用Proteus、3DS MAX、Unity3D開發(fā)電子產(chǎn)品虛擬實(shí)訓(xùn)軟件全過程。該虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件已經(jīng)在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，取得了初步的成效，經(jīng)過不同班級(jí)對(duì)比，使用該軟件可以明顯增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，但虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)并不能完全替代實(shí)踐實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。
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