（信号与信息处理专业论文）电子技术实验cai系统的开发与应用.pdf

中文摘要 摘要 电子技术是一门非常重要的专业基础课程，实验教学是其重要的教学组成 郝分。传统的电了技术实验普遍存在教学效率低、教学成本高、教学方法呆板、 教学手段存旧等问题。利用多媒体计算机辅助实验教学是改进实验教学手段、 革新实验教学方法的有效途径。 本文通过分析电子技术实验教学的现状和对c a t 理论的探索，结合职业技 术教育的特点，提出了将c a i 应用到电子技术实验教学的基本思想和电子技术 实验c a l 系统的设计原则，并从四个方面进行了电子技术实验c m 系统设计工 作。在制作与电子技术基础课程配套的虚拟实验系统过程中，首先介绍了 c a l 课件的一般制作流程，阐述了系统制作的各个环节，较详细地介绍了 a u t h o r w a r e 的集成功能和部分实用技术，并通过实例介绍了两个e d a 软件在系 统中的具体应用。对系统的应用对象、应用范围和应用效果，本文也作了简单 介绍。奉系统具有助教助学双重功能，通过本系统的软件学习模块，学生可自 学e w b 电路仿真软件的基本操作，将本系统应用到电了技术实验教学，可基本 完成配套教材的教学演示、学生实验和电路设计前期工作。 利用a u t h o r w a r e 课件制作软件和e w b 电路仿真软件，快捷、方便地开发电 子技术虚拟实验系统，是一条利用现代教育技术手段改进电子技术实验教学的 可行之路。本文提出了学习e w b 软件的新型学习方法，对虚拟实验的实验模式 和实验方案作了一些探索，对电子技术实验c a l 系统的发展方向也作了简单介 绍。 关键词：计算机辅助教学，电子技术， 多媒体，电路仿真，虚拟实验 东南大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e x p e r i m e n tt e a c h i n gi sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tp a r ti ne l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , w h i c hi sam a j o rb a s i cs p e c i a l i z e dc o u r s e ，h o w e v e r ，t h el o we f f i c i e n c y , h i 曲c o s t s ， p o o ra n do u t d a t e dm e t h o d sa r ep r o b l e m sg e n e r a l l ye x i s t i n gi nt r a d i t i o n a le l e c t r o n i c t e c h n o l o g ye x p e r i m e n tt e a c h i n g i ti sa ne f f e c t i v ew a yt ou s et h em u l t i m e d i aa n d c o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o n ( c a i ) f o ri m p r o v i n gt h ee x p e r i m e n t t e a c h i n ge f f e c t t h r o u 【g h a na n a l y s i so fp r e s e n te l e c t r o n i c st e c h n o l o g yt e a c h i n ga n da p r o b e i n t ot h ec a it h e o r y ，a n dc o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fv o c a t i o n a lt e c h n o l o g y e d u c a t i o n t h et h e s i s p u t s f o r w a r dt h eb a s i ci d e ao fa p p l y i n gc a ii ne l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ye x p e r i m e n tt e a c h i n ga n dt h ep r i n c i p l e so fd e s i g n i n gs u c hac a is y s t e m ， m e a n w h i l ec a r r i e so nt h ed e s i g nw o r kf r o mf o u ra s p e c t s i nt h ep r o c e s so fm a k i n g t h es i m u l a t e de x p e r i m e n ts y s t e mt h a tm a t c h e sw i t ht h e ( ( f o u n d a t i o n a le l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ) c u r r i c u l u m ，t h eo r d i n a r ym a k i n gp r o c e s so fc a le o u r s e w a r ei s f i r s t i n t r o d u c e d ，w i t ha n e l a b o r a t i o no fe a c hl i n ki nt h e p r o d u c t i o n c h a i na n da c o m p a r a t i v e l y d e t a i l e dd e s c d p t i o nt ot h ei n t e g r a t i o nf u n c t i o no f a u t h o r w a r ea n dp a r t o fi t s p r a c t i c a l u s et e c h n o l o g y t h ec o n c r e t ea p p l i c a t i o n so ft w oe d as o f t w a r e p a c k a g e s i nt h e s y s t e m a r e p r e s e n t e dt h r o u g hl i v i n ge x a m p l e s ，a n d as h o r t i n t r o d u c t i o nt ot h eo b j e c t ，r a n g ea n de f f e c to fa p p l i c a t i o ni sa l s og i v e n t h es y s t e m h a sad o u b l ef u n c t i o nw h i c ha s s i s t sb o t hl e a r n i n ga n dt e a c h i n g s t u d e n t sa r ea b l et o l e a r nb yt h e m s e l v e st h eb a s i co p e r a t i o n so fe w b c i r c u i t s i m u l a t e ds o f t w a r et h r o u g h t h ee x e c u t i o no fm o d u l e si nt h es y s t e m t h eu s eo ft h es y s t e mi ne l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ye x p e r i m e n tt e a c h i n gc a no nt h ew h o l ea c c o m p l i s ht h ed e m o n s t r a t i o n so f t h em a t c h i n gt e x t b o o k s ，t h ee x p e r i m e n t sf o rs t u d e n t sa n dp r o p h a s ew o r ko fe l e c t r i c c i r c u i td e s i g n t h el l s eo ft h e c o u r s e w a r e - m a k i n g t o o l “a u t h o r w a r e ”a n de w bc i r c u i t s i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rr a p i d l ya n dc o n v e n i e n t l yd e v e l o p i n ge l e c t r o n i c st e c h n o l o g y s i m u l a t e de x p e r i m e n ts y s t e mi saf e a s i b l ew a yt om o d e r n i z et h ee d u c a t i o n a lm e t h o d s i ne x p e r i m e n tt e a c h i n g t h i st h e s i sp r e s e n t san e ww a yt ol e a r ne w bs o f t w a r ea n d e x p l o r e s t h em o d ea n d p r o g r a m o fs i m u l a t e d e x p e r i m e n t t h ed e v e l o p m e n t o r i e n t a t i o no ft h ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g ye x p e r i m e n tc a is y s t e mi sa l s os i m p l y i n t r o d u c e d k e y w o r d s ：c o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o n m u l t i m e d i a ，e l e c t r o n i cc i r c u i ts i m u l a t i o n ， ( c a i ) ， e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ， s i n m l a t e de x p e r i m e n t 东南大学硕上论文 i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究丁作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文。p 不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南犬学或其它教育机构的学位或1 证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：毒长鞋日 期：趁望堑；笸：兰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、围家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 c lj f l ：和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公卸 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南太学研究生院办 理。 研究生签名：迸导师签名：送丝 口甘b z n v 6 o 矿 日期：垒竺! ：竺：! 第一章绪论 第一章绪论弟一早三酉下匕 1 1 电子技术实验教学的现状 电子技术是电子、电气、电信、信息、机电、白摔等许多专业的主要专、i k 基础谍程，也是学好相关专业后续课程的基础与前提。该课程既有较抽象的理 沦分析，又有较具体的实践应用，是一一门实践性很强的课程，实验教学在整个 教学过程中处于非常重要的地位。通过实验可以丰富和活跃学生的思想，培养 观察、分析和触! 决问题的能力；可以加深对基本现象及其规律的理解，使知识 逐步深化，达到运用自如的目的；可以掌握一些基本的实验方法和操作技能， 提高学生的综合素质；可以完成从理论知识到实践知识，最后到实践能力的认 知过程。实验教学是电子技术课程教学的重要环节，也是该课程教学大纲的基 本要求。 长期以来，在电子技术课程教学工作中，存在着“重理论，轻实践”，“重 知识传授，轻能力培养”的思想观念，实验教学被置于理论课教学的从属地位， 当总学时不足、理论课教学效率不高或教学仪器不够时，实验教学往住就没有 保障或流于形式。这了克服这种实验教学的从属地位，许多学校对电子技术课 程采用了一种新型的“双轨制”教学形式进行教学，即将理论与技能分开设课、 教材独立、教学同步，对教学内容中的实践部分一分为二：凡验证性实践内容 作为实验划归剑理论课程：儿操作性实践内容作为训练划归到技能课程。例如 中等职业学校电子电器专业的电子技术课程，采用的足高等教育出版社出版的 教f 3 _ 部规划教材电子技术基础( 张龙兴主编) 和电子技能与训练( 朱国 兴主编) 两本教材。这种理论课与技能课分开设课的教学模式，有利于开展实 践性教学工作，也有利于提高学生的动手技能，是保证和突出电子技术实践性 教学上不节的重要措施，但它在降低教学成本、提高教学效率、丌放教学时空和 适合学生个性等方面还是存在许多问题“。 1 、教学效率低 这种模式的教学方法依然是在课堂上通过板书进行理论分析，再到实验室 进行电路实验或技能训练。理论和实践教学场地不同、时间异步、教师脱节， 虽然对实践教学环节有一定的保障，但由于依然采用传统的教学模式，教学效 率低。 2 、教学成本高 东南人学硕七论文 第一章绪论 电子设备价格贵、容易损坏，在经费有限的学校教学中，品种和数量上的 足额配置几乎足不可能，有的设备价格太高而利用率又低，一般学校购置的意 义也确实不大，而且设备在运行过程中的维护维修也是一笔不可小视的开支。 所有这些都表现为教学成本高，当然也影响实验教学的顺利展丌。 3 、因材施教难 “双轨制”教学模式的实验教学受教学课时、实践场地等因素限制，加之 学生个体的差异性，要想体现以学生为卡体的丌放、主动式教学模式非常困难， 学生想随时随地或想进行创造性学习活动更是困难重重。 针对这些问题，广大教师和科技工作者一直在探索一种新的教学模式，以 改进教学方法和教学手段。随着计算机技术的发展，利用电路仿真技术替代部 分实物实验或完成实验的部分工作，将成为电子技术实验教学一个崭新的教学 模式。借助投影仪，它可替代或部分替代传统的教学演示实验；借助计算机， 它可完成或部分完成传统的学生实验。由于教学成本低、教学效率高、容易满 足学生个性要求，目前已成为计算机辅助教学的一个热点。 1 2c a l 在实验教学中的优势 计算机辅助教学( c o m p u t e ra s s is t e dj n s t r u c t j o n ，简称c a i ) ，狭义上 理解，它是一种教学形态，是利用计算机的功能和特点，代替或部分代替教师 面向学习者，促使学习者实现有效学习的教学形态。随着c a i 的发展，我们可 以在更广泛的意义上理解这一概念，c a i 是一项重要的新兴教育技术，代表了 一个十分广阔的计算机应用领域，包括将计算机直接用于为教学目的服务的各 类应用。“。目前，c a t 已普遍应用于教育教学工作中，通过计算机创造出来的 形、图、文、声并茂的多媒体教学环境，能动念提供信息，使信息的展示丰富 多彩、有声有色，有利于学生变被动接受信息为主动接受信息，有利于激发学 乍的学习兴趣，提高学习效率，提高教学质量。伴随着c a i 的发展，c a i 模式 也在不断发展和完善，并且不断涌现新的c a i 模式。其中，模拟型c a t 模式可 将电路仿真技术灵活应用到电子技术课程的实验教学中，利用这种c m 模式进 j j 电子技术实验教学，可以非常方便地制作教学电路、模仿工作过程、演示工 作原理、分析电路特性、优化电路设计；可以帮助学生深刻透彻地掌握基本概 念、理解基本原理；可以让学生在实践操作方面提前热身。 模拟型c a l 模式在电子技术实验教学中的优点主要表现在： ( 1 ) 可以有效弥补电子技术课程实践性教学环节的不足，架起理论教学与 实践操作之间的桥梁。利用多媒体课件制作软件柬制作c a i 课件的框架，利用 东南大学坝士论文 第一章绪论 课件的交互功能调用e d a 软件，利用e 1 ) k 软件的电路仿真功能设计电路、模仿 过程、演示原理、分析特性。这种通过c a i 技术将传统的实验教学与计算机仿 真技术相结合，小仅解决了传统教学模式中小易或不能实现的教学内容，而且 将理论教学环节与实践教学环节更紧密地结合存一起，丌拓了学生的思维，提 高了学生的电路分析能力、设计能力、应用能力和创新能力。 ( 2 ) 可以从根本上改变传统的实验教学方法。利用仿真技术进行电路实验， 不必再考虑元件、仪器的损坏，也没有接触不良等人为因素的麻烦，不管多么 昂贵的元件或仪器，均可随手捻来，仿真结果也便于对电路进行各种电路分析。 借助电路仿真技术改进实验教学方法，可以提高实验的效率、深度和广度，可 以使学生不受规定实验项目的限制，充分发挥他们的主观能动性和创造性。这 对于培养学生分析问题、解决问题的综合能力具有重要意义，即使是设计性实 验或课程设计，也可以利用仿真技术论证方案、完善设计，以提高设计、制作 电子产品的工作效率。 ( ：j ) 可以克服实验室仪器种类和设备套数的不足问题，可以充分扩展学生 的思维空间，给他们更大的自由发挥天地。由于受经费、场地等因素限制，学 校能提供给学生的仪器与元器件总是有限，学宅除做些验证性、常规性的实 验外，很少有机会做各种设计性实验。这对调动学生学习的主观能动性，培养 创新精神和加强实践能力都不利。通过电路仿真软件，可在计算机上虚拟出几 千种各类元器件，能完成几乎所有的电路实验，并且很容易做到人一组，这 就给学生创造了一个良好的学习条件。学生可以在计算机上自行设计实验方案， 改变实验条件，凋整实验中各元器件的参数，对电路进行各种仿真分析，甚至 还可以虚拟一些传统实验中不易实施的实验和一些破坏性实验( 如二极管、三极 管的击穿) 等等，从而开阔学生思路，拓宽学生的知识面。 ( 4 ) i ，j - 大大节省人力、物力、时问，提高教学放率。学习电子技术，除掌 握基本概念和基本原理外，还要求加强对电路的分析、设计和开发能力的培养。 采用电路仿真技术辅助实验教学，可以改善课堂教学和课后作业的单一教学模 式，可在理论教学中渗入实验仿真教学，可结合实际将课后作业设计成实验问 题布置给学生在计算机上仿真，这既丰富了电子技术课程教学的内容，也可使 电子技术课程教学更加生动、形象、实用。例如，学生学完计数电路后可靠置 一个电子数字钟供学生设计，在传统教学模式中，教师首先要在课堂上画出复 杂的电路图，讲清电路的工作原理，再让学生在实验室搭接电路，教师还要不 停地指导。实验用到的集成电路、电阻、电容、三擞管等元器件数十个，在面 包板 插接的连线上百根，整个过程费时数天，花钱不少，效果还不一定理想。 如果采用c a i 教学，教师在多媒体教室花两个课时就可以讲清r ， 作原理、演示 东南人学硕士论文 蔓二：里笪堡 设计过程，学生在计算机中装上电路仿真软件，就等1 ：有了取之不尽、用之不 竭的元器件，而且无须担心仪器与元器件的损坏，也无须教师不停指导，同样 的教学任务几个学时就可完成。 ( 5 ) 可增加趣味性和新颖性，充分调动学生的积极性和主动性。传统实验 由于各种原因，实验模式单一、实验方法单调、实验技术落后、实验设备陈旧， 而且往往是多人一组，学生做实验的兴趣不浓。如果利用c a i 仿真技术进行虚 拟实验，学生可在计算机上独立操作、随心所欲、白花齐放。这种新颖的实验 方法能使学生感受到现代技术带给人们的鼓舞与激励，从而调动起学生的学习 积极性，激发学生的学习激情，使学生学得兴趣，学得容易。 随着计算机仿真技术的不断发展和操作技术的不断简化，用计算机辅助电 子技术实验教学的优势会越来越明显，且必将在电子技术实验教学中发挥越来 越重要的作用。实验的内容与形式会更加丰富、更有新意，实验的效果、成本 和效率会越来越好。这也正是c a t 越来越受到广大师生欢迎的重要原因。 1 3 将g a i 应用到实验教学的基本思路 在传统的教学模式中，实践性教学环节得不到保障。采用双轨制教学模式， 虽然加强了实践教学，但教学效率低，忽视了学生的个体差异，难以体现以学 生为主体的主动、丌放式教育思想。特别是创造性实验，实验过程的反复性往 往还存在费时、耗材等问题，工作量之大、实验效率之低使实验室难以承受。 将c a t 应用到电子技术实验教学，由于采用了多媒体技术和计算机仿真技术， 不仅可以弥补实验场地、实验仪器、实验元件的短缺因素，还能通过多种媒体、 多种方法，帮助学生更快、更好地掌握课常讲述的内容，加深对概念、原理的 理解，这对培养学生的综合实验能力、排除故障能力和开拓创新能力都非常有 利。电子技术实验教学模式的改进过程如图卜1 所示。 传统教学模式双轨制教学模式c a l 教学模式 重理论、轻实践，突出了实践重要性，但教学成本低、教学效 重知识传授、轻能 教学成本高、教学效率 果好，容易实现主 力培养，实验教学低，适合学生个性效果动、开放式实验教学 得不到保障。差。模式。 图1 1电子技术实验教学模式的发展过程 东南人学硕士论文 4 第一章绪论 采用c a i 技术辅助电子技术实验教学的基本思路是：在传统实物实验的基 础上，结合具体的电子技术实验指导教材，利用多媒体技术和计算机仿真技术 制作与之相应的实验教学素材，再利用课件创作软件对这些素材和仿真软件进 行整合，构成一套计算机模拟实验系统。模拟实验系统包括软件学习、教学演 示、学生实验、电路设计四大模块，其基本结构如图i 一2 所示。 图1 ，2电子技术实验c a l 系统的基本结构 各模块的基本功能简介如下： 1 、软件学习模块 主要介绍电路设计与仿真专蜊软件e w b ( e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ，电子工 作台) 的基本功能和操作方法。学生可以通过文字、图片和动画，学习e w b 电路仿真软件的基本功能、基本界面和基本操作，通过操作实战可在计算机上 练习元件放置与标签设置、方向调整与参数输入、电路搭接与仪器接入、电路 仿真与结果记录等内容，以达到熟练掌握e w b 操作技术的目的。 2 、教学演示模块 依据教学大纲，结合课程教材，将规定的教学演示实验分别做成课件形式， 供教师在多媒体教室进行理论教学时演示，也可供学生虚拟实验时观摩和参考。 为了适用不同教材和不同教师的需要，该模块预留有个扩展端口，教师可根 掘实际情况自己设计教学演示实验，实现无缝接入。 3 、学生实验模块 学生通过软件学习模块学习e w b 电路仿真软件的一些基本操作，再通过教 学演示模块观摩虚拟实验，就可根据电子技术实验的实验目的和内容要求，动 手操作电路仿真软件进行虚拟实验。验证性实验的实验过程可全部在计算机上 完成，学生可白行决定是否需要反复操作，无需实验室在实验设备和耗材上额 外供给。这有利于学生充分理解实验原理、熟悉操作步骤，有利于学生学会提 取测量数据的方法，有利于学生充分掌握和应用电路理论。另外，本系统还提 供了三种难度不同的实验方案( 参见第4 章4 2 节) ，学生可根据自己的实验情 况合理选择，以满足学生不同个性的要求。学生实验模块让学生掌握了学习的 东南人学硕士论文 第一章绪论 全部主动权，实现了丌放式学习模式，同时也可满足个别化辅导目的。与教学 演示模块类似，各个学生实验也做成不同予课件形式，供学生进行虚拟实验时 调用。为了适应不同教材或教学需要，该模块也预留有一个扩展端口，供自行 丌发的学生实验无缝接入。 4 、电路设计模块 该模块可完成设计性实验或课程设计的前期工作。设计性实验或课程设计 是传统实验教学中最难实现的实践性教学环节，但又非常有利于让学生形成一 套科学的思维方法和良好的创新素质，也有利于提高学生发现问题、分析问题 和解决问题的综合能力。电路设计模块为这些设计性实践活动提供了一个软件 平台，学生可自行对电路的方案进行设计、装配和模拟，以验证电路的科学性、 可行性，直到方案的最终优化确定。实物实验成了后期扫尾工作。为了实现个 别化辅导目的，该模块列举了一个电路设计实例，将提出任务、确定方案、模 拟设计、电路优化、p c b 制板等全部前期工作均作了比较详细的介绍。 总之，将电路仿真技术融合到多媒体c a i 课件中进行虚拟实验，起到了沟 通理论教学与实践教学的桥梁作用，实现了实验教学手段的创新。在计算机上 进行虚拟实验，能更好地把理论教学与实践环节有机结合起来；能加深对理论 知识的理解；可容忍学生在实验中所犯的各种错误，解除了学生对实验的畏惧 心理。利h j 电路仿真技术进行虚拟实验，从提高课堂效率着想，应认真做好课 件；从适合学生基础考虑，要开发虚拟实验环境。这正是开发设计电子技术实 验c m 系统的初衷。在实验教学中引入c a i 技术和手段，使现代化教学手段与 电子技术实验梢结合，教学效率高、教学成本低、教学效果好，且己成为实验 教学改革的方向和发展的趋势。 东南大学硕士论文 一一 篁三垦! 型堕墨堡苎些皇墨竺堂生 第二章c a i 的理论基础与系统设计 2 1 c a i 的理论基础 c a t 是计算机技术与多媒体教学相结合的产物。利用计算机进行多媒体辅 助教学，既离不开计算机硬件的支撑，也需要多媒体教学软件的支持。多媒体 教学软件设计，就是应用系统的科学观点和方法，按照教学目标和教学对象的 特点，合理地选择和设计教学媒体信息，并在系统中有机地组合，形成优化的 教学系统结构的过程。为了提高教学质量和效率，多媒体教学软件的设计应遵 循一定的理论指导“1 “。 2 1 1 视听教育理论 美国教育技术专家戴尔于1 9 4 6 年研究了视听教学手段怎样在教学中使用 会产生怎样的教 学效果等一系列 问题，总结出了一 系列视听教学方 法，提出了相关的 教学理论，这就是 视听教学理论。他 把人类获得知识 的各种途径和方 法概括成个“经 验之塔”( 如图 2 一l 所示) 来系统 描述。“。 戴尔的经验 之塔将人们获得 的经验分为三大 类一做的经验、观 察的经验和抽象 图2 - 】戴尔的经验之塔 东南大学硕士论文 第一二章c a i 的理论堆础与系统设计 的经验，并将获得这三类经验的方法分为十种。塔底层的经验直接、具体，学 习时容易理解，也便于记忆：塔的中部是替代经验，能冲破时f 、日限制，弥补学 生直接经验的不足，且易于培养学生的观察能力；塔顶层的经验间接、抽象， 容易获得概念，也便于应用。根据戴尔的经验之塔，教育应从具体经验入手， 但不能止于直接经验，必须由具体逐步过渡到抽象，由抽象上升到理论，以发 展思维，形成概念。经验之塔理论所阐述的经验抽象程度的关系，符合人们认 识事物由具体到抽象、由感性到理性、由个别到一般的认识规律。位于塔下部 的经验方法，既能为学生学习提供必要的感性材料，容易理解，容易记忆，又 便于借助于解说或教师的提示、概括和总结，从具体的画面上升到抽象的概念、 定理，形成规律，是有效的学习手段。“经验之塔”不仅是视听教育理论的基础， 也是多媒体教学软件设计的重要理论之一。 2 1 2 学习理论 学习理论是研究人类怎样学习的理论，旨在阐明学习如何发生、有哪些规 律、是什么样的过程、如何才能进行有效的学习，是通过揭示学习过程依据心 理、生理机制和规律而形成的理论。“。学习理论是教育心理学中最重要的理论 之一，也是多媒体教学软件设计的重要基本理论，对多媒体计算机辅助教学具 有重要的指导意义。由于对学习过程的理解和解释不同，学习理论形成了不同 的理论流派”。电子技术实验c a 系统的设计主要是以建构主义学习理论为其 理论基础。建构主义学习理论起源于6 0 年代的认知理论，由瑞士心理学家皮亚 杰提出，建构主义认为，学习者的知识应该是他们在与环境的交互作用中自行 建构的，而不是灌输的，建构主义学习观可概括为以下几个方面： ( 1 ) 在教师的指导下，以学生为中心。 ( 2 ) 学习是一种建构的过程。 ( ： ) 学习是一种活动的过程。 ( 4 ) 学习必须处于丰富的情境中。 根据建构主义学习理论，c a i 课件的设计与制作应为学生提供良好的学习 情境，让学习者带着真实任务进行学习。设计的学习情境应具有与实际情境相 近的复杂度，使学习者在学习结束后能够适应实际的复杂环境。要让学习者在 学习过程中拥有更多的主动权。应为学习者提供有援学习环境，鼓励学习者体 验多种情境和检验不同的观点。 东南人学硕士论文 第二章c a i 的理论基础与系统设计 2 2 设计原则 电子技术实验c a i 系统是在视听教育理论和建构主义学习理论指导下，开 发设计的多媒体实验教学课件。在课件设计过程中，要把握以下基本原则： 1 、直观性原则 c a i 的特点存于多媒体显示信息内容，在设计c a i 的过程中，应尽可能利 用图片、动画和视频展示信息内容，避免单纯的文字呈现。仿真软件的选用， 也应尽可能操作直观，显示形象。 2 、适应性原则 c a i 系统开发要以电子技术实验的教学内容和学牛的知识水平为基础，要 与学牛的认知结构相吻合。 3 、可操作性原则 c a i 系统应用应尽量不被学生的学习水平所左右，系统操作应直观明了， 实验操作要提供难易不同的可选方案，操作难点应有帮助提示或参考观摩。 4 、易开发性原则 多媒体课件的生成方法主要有两种：一是用程序设计语言生成系统：二是 用多媒体创作工具生成系统。为了降低编程难度，加快丌发速度，提高丌发效 率，本系统选用创作工具开发方式。 2 3c a l 的系统设计 根据多媒体教学软件设计的理论基础，以及建立在这些理论基础之上的设 计原则，电子技术实验c m 系统的系统设计工作可以从教学设计、结构设计、 导航设计和界面设计四方面着手”1 。 2 3 1 教学设计 教学设计实际上是根据学科内容特点对学生特征进行分析，确定教学目 标，并为达到相应的教学结果制定相应的教学策略( 选择教学媒体、设计教学 过程结构) 的过程。教学设计的基本流程如图2 2 所示。 电子技术实验c a i 系统是根据高等教育出版社出版、张龙兴主编的教育部 规划教材一电子技术基础设计的实验教学系统，主要面向中等职业学校电 子电器专业( 含岗位培训和行业中级技术工人等级考核) 学生。它以每个实验 的实验目的为教学目标，以多媒体计算机系统为教学工具，通过电路仿真软件 东南大学硕士论文 9 第一章c a i 的理论基础与系统设h 进行虚拟实验活动，达到掌握电路概念、理解电路原理、应用电路理论的目的。 2 3 。2 结构设计 图2 - 2 教学设计的基本流程 结构设计实质上就是设计多媒体教学信息的组织与表现方式。它定义了课 件中各教学部分内容的相互关系及其发生联系的方式，反映了整个课件的框架 结构和基本风格。目前常用的课件结构主要有线性结构、树状结构、网状结构 和复合结构四大类。电子技术实验c a l 系统是一个结构比较复杂的大型课件 采用复合结构，内含软件学习、教学演示、学生实验、电路设计四个模块部分( 如 图2 - 3 所示) 。 图2 - 3c a i 系统整体结构 1 、软件学习模块 主要介绍e w l 3 电路仿真软件的操作和应用技术。该模块是一个独立课件， 以子文件形式嵌入系统，既方便教师修改与重新开发，又可随时供学生学习参 考，以实现实验教学个别辅导的目的，提高学生对仿真软件的操作能力。软件 学习模块结构如图2 - 4 所示。 2 、教学演示模块 包括电子技术基础课程的十个教学演示实验。每个教学演示实验作成独立 课件，也以子文件形式嵌入系统，教师既可将其调用到自己的教学课件中直接 使用，也可重新丌发演示实验接入本系统。学生可以4 ；受时空限制学习这些知 东南大学硕上论文 定学计案确教蹬方li，hi定导法珧指方il叫i 学程构0敦过结0n 定价目决评项 i_1i 材容构0 教内结 ifjli。1 学标析教目分h 生性析学特分 ihl 定学标制教目 一里三里坠! 丝里堕苎些兰墨竺壁盐 1 刳2 - 4 软件学习模块结构 识内容，提高自己的理论水平和实验仿真能力。教学演示模块结构如图2 5 所 不。 3 、学生实验模块 该模块是本系统的重点内容包括电子技术基础教材指定的十一个模拟电 路实验和四个数字电路实验。每个学生实验均为独立课件，以子文件形式嵌入 系统。学生通过软件学习模块学习仿真软件的基本操作，再通过教学演示模块 观摩仿真实验，就应能根据实验目的和要求，在计算机_ 卜利用仿真技术完成实 东南人学硕士论文 验任务，达到掌握实验原理、熟悉操作步骤、学会提取数据、分析实验结果的 目的。由于无器材损耗，无时空约束，学习具有，r 放性，学生掌握了学习主动 性。根据学生基础开发的三种实验模式能满足不同学生需求，既做到了对不同 学生因材旌教，又做到了对同一学生循序渐进，完全能够满足学生个性化要求。 学生实验模块结构如图2 6 所示。 4 、电路设计模块 该模块是本系统的延伸。学生根据自己的设想或实际需要独立设计电路， 进行创造性 ：作，系统只为这一模块提供一个软件平台，学生可自行设计方案， 装配电路，仿真模拟，修改方案或参数，验证电路的合理性、可行性，直到确 立最优方案，然后再进行实物实验。该模块以子文件形式列举了一个电路设计 实例，供学生设计参考。 2 3 3 导航设计 电子技术实验c a t 系统的信息量大，复合结构的信息之间关系复杂，学习 者在一定路径学习过程中容易迷失方向，因此，系统设计过程中必须认真考虑 如何为学习者提供引导措施，这种引导措施就是导航。导航设计实际上是教学 策略的体现，它可以引导学生进行有效学习，避免学生偏离教学目标，提高学 生的学习效率。导航设计的优劣，直接决定多媒体课件的使用效率，设计得不 东南大学硕士论文 2 第二章c a i 的理论基础与系统设计 开始 学生 实验 模块 选择 学生实验 实验l 开始 学生 实验 ( 子文件) 选择 实验预习 实验操作 实验报告 图2 - 6 学生实验模块结构 实验预习 实验目的 实验电路 实验器材 实验操作 选择方案 逐步实验 观察现象 记录数据 实验报告 分析现象 处理数据 完成报告 好，学习者在学习过程中就可能陷入盲目的查找和探索中，大大加重认知负荷， 这与多媒体课什教学的初衷完全背道而弛。一个好的导航应具有通俗易懂、操 作方便的特点，而且符合大众习惯。 本系统的导航设计采用线索导航、分层管理模式。所谓线索导航，学习者 任意选定自己感兴趣的路径作为学习线索，如果想更改学习内容，可以按原来 的路径返回( 即允许回溯) 重新选择路径，也可直接退出系统，重新选择路径。 所谓分层管理，高层可通过目录进入低层，低层可通过“返回”按钮进入上一 级高层，同层可通过“前页”按钮和“后页”按钮完成翻页。 2 3 4 界面设计 交互界面是人和计算机进行信息交换的通道，用户通过交互界面向计算机 输入信息进行询问、操纵和控制，计算机通过交互界面向用户提供信息以供阅 读、分析、判断。设计用户界面应遵循一致性原则、适应性原则、清晰性原则、 敏捷性原则、容错性原则、易学易用性原则和所见即所得原则。用户界面对计 算机硬件而言要适应主流配置，对课件开发人员而言应尽可能容易实现，对使 用者而占应容易接受、理解、掌握和使用。 电子技术实验c a i 系统的窗口大小设计为8 0 0 x 6 0 0 像素；颜色设置为1 6 位；目录页面单击目录即可进入；普通页面一般设有“返回”、“上页”、“下页”、 东南大学硕士论文 第二章c a i 的理论基础弓系统设l 十 “退出”等控制按钮；动画页面设有播放等常用控制按钮；特殊操作一般有弹 m 式窗口来说明功能或方法；窗口顶部设有标题栏，标题栏直接显示当前工作 的标题层次。窗口背景注重简洁、协调，文字内容注重精练贴切，文字格式注 重通俗明快。图2 - 7 列举了两个典型的设计界面。 图2 - 7 a 典型目录窗口界面 图2 7 b 典趔页面窗i s 界面 东南大学颈士论文 第三章c a i 系统的制作过程 第三章c a l 系统的制作过程 教学软件是科学、艺术、技术相结合的产物。通常情况下，多媒体课件的 漫计制作过程如图3 1 所示h 1 。 从图3 一l 可以看出：确定目 标、编写稿本、选择开发工具是 课件制作的基础，素材采集与制 作是课件制作的重点，系统编辑 与整合是课件制作的关键，软件 测试是课件优劣的保障，软件应 用是课件制作的最终目的。 3 1 确定制作目标 电子技术实验c a i 系统是以 教育部规范教材一电子技术基 础为蓝本，为中等职业学校电 子电器专业的实验教学而开发设 计的一套虚拟实验系统。通过该 系统，可在计算机上，对电子 图3 - 1多媒体课件的设计制作过程 技术基础课程中的教学演示实验和验证性学生实验进行虚拟实验；并为设计 性实验和课程设计提供了一个仿真平台。为了适应不同专业、不同教师或不同 学生的需要，该系统预留有实验扩展接口，预设有三种可选实验方案。使用时 可以根据实际情况任意扩展实验内容，任意选定实验方案。 3 2 编写稿本系统 稿本系统的编写是多媒体课件开发过程中的重要环节。它是多媒体课件设 计思想的文字表现，是课件制作的直接依据，是沟通学科教师和计算机技术人 员的桥梁。多媒体课件的稿本系统包括文字稿本和帝4 作脚本两部分。其基本结 构如图3 2 所示。 东南大学硕士论文 鹅三章c a i 系统的制作过程 稿 本 系 统 厂文字稿本叫 il 稿本卡片 j j厂界面的元素与布局 l 制作脚本j 茎垂篓兰善姜度及切换方式 l 文字信息的旱现 f 动画和视频的要求 。各个知识节点之间的链接关系 3 2 1 文字稿本 文字稿本是由学科教师按教学过程的先后顺序，描述每一环节的教学内容 及其呈现方式的一种文本形式，通常包括稿本说明和一系列稿本卡片等内容。 其中，稿本说明主要用于对课件设计、课件制作和课件使用中的各种考虑、各 种策略和注意事项进行说明，为课件的制作、使用提供指导性的原则和方法， 也为改写制作脚本提供依据。稿本卡片是文字稿本的基本单元，编写稿本的基 本操作是稿本卡片的制作。文字稿本以卡片为单位进行编写，之后由计算机专 、世人员以卡片为基础将其改编为制作脚本。每一张卡片对应一帧画面根据教 学内容先后顺序设计的稿本卡片，按顺序综合起来就可形成一定的系统。稿本 卡片一般包括序号、内容、媒体类型、呈现方式等内容。其基本格式如图3 - 3 所示。 序号内容媒体类型警现方式 图3 3 稿本膏片的基本格式 东南大学硕士论空 苎三塞坠! 至竺盟型笙丝堡 3 2 2 制作脚本 制作脚本是以文字稿本为基础改写而成的，是沟通课件的构思者与课件制 作者之间的桥梁，为课件的技术制作提供直接依据。制作脚本的格式没有统一 规定，不过制作脚本应能清楚直观地将屏幕外观设计、各元素的内部链接关系 和人机交互机制这三项内容表达出来。图3 - 4 列举了一种常用的脚本卡片格式。 图3 5 列举了个脚本卡片样例。 课件名知识点 文件名片片序号 链接关系描述 屏幕布局设计描述 媒体鬯现描述 图3 4 脚本# 片的基本格式 “音控”按倒控制背景音乐的开关。 “返回”按钮可返回上层目录。 “上页”按钮可进入6 5 号页面。 “r 页”按钮此时里灰色久效。 “退出”按钮可退出软件学习程序。 当鼠标移到“如图”蓝色字体时出 现e w b 窗口图片。 图3 - 5 脚本 片的制作样例 东南大学硕上论文 第三章c a i 系统的制作过程 3 3 选用开发工具 多媒体课件的丌发工具包括硬件丌发工具和软件丌发工具两个方面”1 。硬 件开发工具泛指课件制作过程中用到的多媒体计算机设备系统，其基本配置如 表3 一l 所示。 袭3 1硬什开发工具的基本配置 c p u 奔腾系列，如p i l i 、p i v 等。 显示器8 0 0 * 6 0 0 内存6 4 m 以上 硬氘2 0 g 以上 光驱2 4 倍速以上，或直接使用d v d 其他数码相机，采音设备等 软件丌发工具泛指课件制作过程中用到的一系列程序，包括操作系统、素 材制作软件、电路仿真软件和课件创作软件。 3 3 1 操作系统 操作系统是用来全面管理计算机硬件和软件资源的系统软件。为了方便操 作，本系统在丌发过程中选用目前流行的w i n d o w s 2 0 0 0 。 3 3 2 素材制作软件 多媒体素材制作软件是指在多媒体计算机中采集、加工和编辑各种多媒体 数据的软件，如文字制作与处理软件、图像制作与编辑软件、声音采集和编辑 软件、动画生成和编辑软件、视频制作和编辑软件等。本系统选用的素材制作 软件较多，主要的制作软件将在第3 章3 4 中具体介绍。 3 3 3 电路仿真软件 电路仿真就是把电子器件或电路模块以数字模型表示，并配合数值分析的 东南大学硕士论文 第三章c a i 系统的制作过程 方法，对电路的功能进行模拟，对电路特性进行分析的数字信息处理技术。 进行电路实验主要有三个目的：一是电路功能特性测试；二是电路方案验证： 三是电路设计优化。电路仿真技术同样能达到这三个目的，故应用仿真技术进 行虚拟实验完全可行。电路虚拟实验，从本质上讲是种交互，即向计算机输 入基本电路原理图或电路参数，计算机经过处理后输出与电路有关的数据图表。 由于电路复杂多变，利用一般的c m 技术不可能实现这种特殊的交互，必须用 到专业电路仿真软件。这也是本c a i 系统要用到电路仿真软件的根本原因。 能完成电路仿真功能的专业软件有多种，如p s p i c o 、e w b 、p r o t e l 、m a t l a b 、 m u l t i s i m 2 0 0 1 等等。根据中等职业学校教学的实际情况，由加拿大h t ( i n t e r a c t i v ei m a g e 【e c h n o l o g i e