多媒体教学系统虚拟仿真实验平台设计与实现

2022-08-06王贵才杨九民宁国勤

实验室研究与探索 2022年4期

王贵才，杨九民，蒋玲，宁国勤

（华中师范大学人工智能教育学部，武汉 430079）

0 引言

为了培养师范生运用现代教育技术的意识和能力，我校面向全校师范生开设了“现代教育技术应用”公共课。该课程于2020 年11 月入选国家首批线上线下混合式一流本科课程建设［1］项目，多媒体教学系统实验是该课程的实验教学项目之一。其项目教学目标是掌握多媒体教学系统的基本组成、信号流程、基本功能和教学应用［2-4］，学会多媒体教学系统的基本安装和基本使用方法，学会多媒体教学系统常见简单故障的分析与处理方法，为职后遇到各种类型的多媒体教学系统的运用打下坚实的基础。为了开展线上线下混合式一流本科课程建设，充实在线实验教学资源，优化实验教学模式，提高实验教学质量，课程组利用免费开源游戏开发软件Godot引擎，设计、开发了多媒体教学系统虚拟仿真实验平台。

1 虚拟仿真实验平台设计

1.1 设计思路

通过查阅文献、校外考察、分析总结多年来的实验教学经验，确定了多媒体教学系统虚拟仿真实验平台整体设计思路。

（1）秉持以学生为中心的实验教学理念［5］。由于教学对象是全校师范生，他们的专业背景不同，现代教育技术基础知识各异，实验动手能力差异很大，特别是文科类学生动手实验的机会不多，因此，实验教学需要“关注学生不同特点和个性差异，发展每一个学生的优势潜能［6］”。为了让每一个学生都得到发展、提高，虚拟仿真实验平台设计充分考虑有利于实施分层教学［7-8］、翻转课堂［9-10］、分享式教学［11-12］等多元化的实验教学模式。

（2）坚持虚实结合、相互补充、能实不虚的原则［13］，以国家一流本科课程的“高阶性、创新性、挑战度”［14-15］为建设标准。虚拟仿真实验平台设计有效弥补真实实验室因场地、时间限制了学生参与度的缺陷，延伸实验教学时间、空间，拓展实验教学内容，补齐真实实验教学的短板，高度契合实验项目教学目标，注重学生实践技能培养，增强学生创新能力，激发学生挑战精神。

（3）追求“真实、交互、显隐、广用”［16］的齐全功能。虚拟仿真实验平台不仅实现真实实验室所有功能，而且利用虚拟仿真把真实实验中抽象和隐性的内容形象、显性地呈现出来，提高教学效率；利用多媒体技术，激发学生学习兴趣。平台设计力求简洁友好，易学易用，以增强学生的体验感。

1.2 整体设计

多媒体教学系统虚拟仿真实验平台由基础知识、系统安装和系统使用3 个模块构成（见图1），帮助师生开展多媒体教学系统认知实验教学和操作实验教学。

图1 虚拟仿真实验平台框架

基础知识模块利用图、文、声呈现多媒体教学系统基础知识，供学生开展自主学习、个性化学习，对多媒体教学系统的组成及其信号流程进行认知实验，自主构建多媒体教学系统知识体系。系统安装模块供学生模拟练习设备电缆线连接安装操作实验。系统使用模块供学生模拟练习系统使用操作实验。在虚拟仿真实验平台，学生实验不受时间、场地的限制，没有真实实验因为反复接插电缆线，缩短电缆线插头和电缆线插座使用寿命，造成接触不良；也不会因为实验操作方法不正确，造成仪器设备损坏、引起设备安全故障、发生人身安全事故等不良现象。

1.3 功能设计

虚拟仿真实验平台模拟真实实验室所有实验教学功能。实验平台给予学生的感觉就像在真实实验室一样。当进行实验操作时，在实验平台上呈现的结果、现象与在真实实验室所看到的结果、现象完全一致。

虚拟仿真实验平台弥补真实实验室的不足。在真实实验室中，由于设备之间电缆线连接纵横交错、信号如何传输隐性不可见、设备是静止无声的等原因，学生难以掌握系统的组成及其信号流程，实验原理教学效果不理想，认知实验教学不佳。在真实实验室，操作实验教学也存在诸多不足。如教学时空有限，不能保障每个学生都有足够的动手操作机会；为了学生人身安全，部分设备220 V市电连接等实验内容没有设置；在安装实验中，学生强行插接电缆线导致线缆插头、插座损坏较多；在使用实验中，学生不按正确的操作步骤关闭系统的现象比较多等。针对这些不足，虚拟仿真实验平台设计时进行弥补，如用原理方框图呈现设备的连接、显示信号传输流程；将静止转化为运动，将无声化有声，利用图像、文字、声音介绍设备；实验可随时、随地、自主进行；增设设备220 V市电连接等真实实验室不能进行的教学内容；对学生不正确的操作及时提醒等。

2 虚拟仿真实验平台实现

2.1 前期准备

（1）开发软件的选用。虚拟仿真软件很多，各有特色，考虑到实验平台使用对象，课程组选用Godot引擎软件。Godot 是一款免费开源游戏引擎，通过基于节点的架构来设计游戏，编辑器可在Windows、Mac OSX 和Linux 系统中运行，支持导出到HTML5、Windows、Android、iOS 等环境。实验平台采用2D 中嵌入3D方式呈现，其主要优点是对硬件配置要求不高，易于在不同环境推广，提供不同层次的教学资源，界面简洁友好，操作简单易学。

（2）准备素材。实验平台使用素材有仪器设备实物图、按钮符号、指示灯符号、音频、视频等。素材准备采用4 种方式：①利用数码相机拍摄中央控制主机、投影机等多媒体教学系统基本组成的仪器设备图片，并利用Photoshop进行编辑处理；②录制配音解说等音频素材，并进行编辑处理；③利用Photoshop 等绘制和编辑按钮、指示灯等符号图片；④收集视频、图片素材，选取适合实验平台使用的视频、图片案例。

2.2 模块实现

①运行Godot引擎，新建项目“多媒体教学系统”，创建并编辑，打开Godot编辑器；②在编辑器文件系统管理面板中新建1 个主场景、3 个分场景、1 个素材文件夹；③选择素材文件夹，在文件管理器中打开，并将前期准备好的图片、音频、视频等素材复制到素材文件夹中；④开始编辑场景。

主场景实现多媒体教学系统实验平台进入界面，如图2 所示。3 个分场景分别实现基础知识、系统安装、系统使用3 个模块的功能，如图3 ～5 所示。在主场景中设置3 个工具按钮节点即“认识多媒体教学系统”“多媒体教学系统的安装”“多媒体教学系统的使用”，当点击按钮时其节点连接信号调用相应的分场景进入程序，运行程序进入分场景。各分场景设置1个工具按钮节点“退出”，点击此按钮时其节点连接信号调用主场景返回程序，运行程序退出分场景返回到主场景。各节点连接信号可用编辑器或代码进行信号连接。

图2 实验平台主场景

图3 基础知识场景

图4 系统安装场景

2.3 功能实现

图5 系统使用场景

（1）基础知识场景。主要使用标签、按钮、直线2D、矩形等节点，标签节点显示文字，按钮节点显示设备、实现交互，直线2D 节点按原理方框图连接设备，矩形节点含标签、按钮、音频流播放器等子节点，子节点利用实物图、文字、声音对设备做简要介绍。基础知识场景利用原理图呈现多媒体教学系统的基本组成、信号流程，学生易看懂、易理解、易掌握。若在原理图上点击设备名称，由按钮节点点击发出的连接信号调用与该设备对应的矩形节点呈现程序，通过矩形节点对设备的介绍，学生进一步认识设备、了解设备功能，如图3 中弹出的小窗口为中央控制主机简介。

（2）系统安装场景。主要使用标签、按钮、精灵等节点和实例化场景。实例化场景设置电缆线插头和插座，实例化场景节点使用含有区域2D、碰撞形状2D子节点的精灵节点，如图6 所示。使用draw _line（Vector2 from，Vector2 to，Color color，float width =1.0，bool antialiased =false）方法画线连接电缆线两端，用连线表示电缆线，电缆线及插头颜色模拟真实电缆线及插头颜色。电缆线插头移动和插入匹配插座用代码实现，其GDScript脚本代码编写如表1 所示。

图6 实例化场景节点

在系统安装场景左侧列出了系统所用的电源、信号、控制等电缆线，参见图4 中左侧部分。用鼠标选择设备连接电缆线，当鼠标指针光标移动到电缆线插头上时，按下鼠标左键并拖曳到蓝色圆圈表示的电缆线插座内，若插头与设备背板上插座匹配，插头固定且不能再被拖曳；同样的方法将电缆线另一插头拖曳到插座匹配位置。当电缆线两端插头都被拖曳到匹配位置时，模拟真实电缆线连接设备正确，反之电缆线连接设备不正确。如投影机电源线连接，先将投影机电源线左端（接入头）拖曳到中央控制主机背板上“投影机电源”接出口蓝色圆圈内，然后将投影机电源线右端（接出头）拖曳到投影机背板“电源”接入口蓝色圆圈内。当拖曳电缆线插头经过其他电缆线插头时，其他电缆线插头也会被拖曳，这与真实实验同时取多根电缆线类似，这时只有与插座匹配的电缆线插头会固定，另外电缆线插头可继续拖曳。

表1 实例化场景脚本代码编写

（3）系统使用场景。主要使用标签、按钮、直线2D、精灵、矩形、视窗、计时器等节点和实例化场景，在2D中嵌入3D。实例化场景采用3D 模拟真实实验室中的媒体播放场景，参见图5 中右上部分。实例化场景子节点使用立体模型、相机、灯光、网格实例、构建几何实体、动画、视频播放器等节点。媒体播放采用3D

场景模拟真实实验室，增强学生的沉浸感。系统使用场景界面布局近似原理图，强化多媒体教学系统基本组成原理、信号传输流程。点击系统使用场景界面上的各按钮模拟真实操作实验，通过各按钮节点连接信号调用相应的程序，模拟真实实验室呈现与操作实验对应的实验现象、结果。

2.4 系统开机运行操作实验

当点击220 V 市电“开关”，中央控制主机通电，中央控制主机面板上“系统关”指示灯亮。按下“系统开”按钮，“系统开”指示灯亮，系统各设备电源接通，这时可开启待用设备进行相关操作，播放器播放媒体信号。在中央控制主机面板上，按下电动幕“↓”，电动幕降下；按下投影机“开机”，投影机开启，屏幕上显示投影信号，投影机面板上有“聚焦+”“聚焦-”模拟真实实验投影调焦、“影像+”“影像-”模拟真实实验投影大小调节；按下“电脑”，可选择“台式电脑”或“手提电脑”信号播放；按下“视频”，可选择“影碟机”或“展示台”信号播放。若使用操作方法正确，实验平台会模拟真实实验正常播放电脑、视频等信号。

2.5 系统关机操作实验

由于投影机的投影灯熄灭后需散热约90 s，因此，中央控制主机都具有自动延时关机功能，一般延时约3 min，保证投影灯熄灭后充分散热。为了强化这一知识点，实验平台设置了先关投影机的投影灯，再关中央控制主机。当中央控制主机面板上按下投影机“开机”按钮后，“系统关”按钮执行脚本代码disabled =true，“系统关”按钮点击无效，待按下投影机“关机”按钮后，“系统关”按钮执行脚本代码disabled = false，“系统关”按钮点击有效。若需系统关机，则先按下投影机“关机”按钮，再按下“系统关”按钮，这时计时器启动，实验平台模拟真实实验的中央控制主机延时一段时间后系统关机。视频展示台、影碟机、计算机、功率放大器等其他设备可在系统关机前关机，即在“系统关”按钮按下前或后关机。