多媒體教學(xué)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王貴才， 楊九民， 蔣 玲， 寧國勤

（華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部，武漢 430079）

0 引 言

為了培養(yǎng)師范生運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)的意識和能力，我校面向全校師范生開設(shè)了“現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用”公共課。該課程于2020 年11 月入選國家首批線上線下混合式一流本科課程建設(shè)［1］項(xiàng)目，多媒體教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目之一。其項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)是掌握多媒體教學(xué)系統(tǒng)的基本組成、信號流程、基本功能和教學(xué)應(yīng)用［2-4］，學(xué)會多媒體教學(xué)系統(tǒng)的基本安裝和基本使用方法，學(xué)會多媒體教學(xué)系統(tǒng)常見簡單故障的分析與處理方法，為職后遇到各種類型的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了開展線上線下混合式一流本科課程建設(shè)，充實(shí)在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，課程組利用免費(fèi)開源游戲開發(fā)軟件Godot引擎，設(shè)計(jì)、開發(fā)了多媒體教學(xué)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

通過查閱文獻(xiàn)、校外考察、分析總結(jié)多年來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，確定了多媒體教學(xué)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺整體設(shè)計(jì)思路。

（1）秉持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念［5］。由于教學(xué)對象是全校師范生，他們的專業(yè)背景不同，現(xiàn)代教育技術(shù)基礎(chǔ)知識各異，實(shí)驗(yàn)動手能力差異很大，特別是文科類學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會不多，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要“關(guān)注學(xué)生不同特點(diǎn)和個(gè)性差異，發(fā)展每一個(gè)學(xué)生的優(yōu)勢潛能［6］”。為了讓每一個(gè)學(xué)生都得到發(fā)展、提高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)充分考慮有利于實(shí)施分層教學(xué)［7-8］、翻轉(zhuǎn)課堂［9-10］、分享式教學(xué)［11-12］等多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

（2）堅(jiān)持虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則［13］，以國家一流本科課程的“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”［14-15］為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)有效彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室因場地、時(shí)間限制了學(xué)生參與度的缺陷，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間、空間，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，補(bǔ)齊真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的短板，高度契合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)，注重學(xué)生實(shí)踐技能培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)精神。

（3）追求“真實(shí)、交互、顯隱、廣用”［16］的齊全功能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺不僅實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室所有功能，而且利用虛擬仿真把真實(shí)實(shí)驗(yàn)中抽象和隱性的內(nèi)容形象、顯性地呈現(xiàn)出來，提高教學(xué)效率；利用多媒體技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。平臺設(shè)計(jì)力求簡潔友好，易學(xué)易用，以增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感。

1.2 整體設(shè)計(jì)

多媒體教學(xué)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺由基礎(chǔ)知識、系統(tǒng)安裝和系統(tǒng)使用3 個(gè)模塊構(gòu)成（見圖1），幫助師生開展多媒體教學(xué)系統(tǒng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)教學(xué)和操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺框架

基礎(chǔ)知識模塊利用圖、文、聲呈現(xiàn)多媒體教學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，供學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)，對多媒體教學(xué)系統(tǒng)的組成及其信號流程進(jìn)行認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，自主構(gòu)建多媒體教學(xué)系統(tǒng)知識體系。系統(tǒng)安裝模塊供學(xué)生模擬練習(xí)設(shè)備電纜線連接安裝操作實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)使用模塊供學(xué)生模擬練習(xí)系統(tǒng)使用操作實(shí)驗(yàn)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、場地的限制，沒有真實(shí)實(shí)驗(yàn)因?yàn)榉磸?fù)接插電纜線，縮短電纜線插頭和電纜線插座使用壽命，造成接觸不良；也不會因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作方法不正確，造成儀器設(shè)備損壞、引起設(shè)備安全故障、發(fā)生人身安全事故等不良現(xiàn)象。

1.3 功能設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。實(shí)驗(yàn)平臺給予學(xué)生的感覺就像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室一樣。當(dāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，在實(shí)驗(yàn)平臺上呈現(xiàn)的結(jié)果、現(xiàn)象與在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室所看到的結(jié)果、現(xiàn)象完全一致。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的不足。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，由于設(shè)備之間電纜線連接縱橫交錯(cuò)、信號如何傳輸隱性不可見、設(shè)備是靜止無聲的等原因，學(xué)生難以掌握系統(tǒng)的組成及其信號流程，實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)效果不理想，認(rèn)知實(shí)驗(yàn)教學(xué)不佳。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在諸多不足。如教學(xué)時(shí)空有限，不能保障每個(gè)學(xué)生都有足夠的動手操作機(jī)會；為了學(xué)生人身安全，部分設(shè)備220 V市電連接等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有設(shè)置；在安裝實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生強(qiáng)行插接電纜線導(dǎo)致線纜插頭、插座損壞較多；在使用實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不按正確的操作步驟關(guān)閉系統(tǒng)的現(xiàn)象比較多等。針對這些不足，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行彌補(bǔ)，如用原理方框圖呈現(xiàn)設(shè)備的連接、顯示信號傳輸流程；將靜止轉(zhuǎn)化為運(yùn)動，將無聲化有聲，利用圖像、文字、聲音介紹設(shè)備；實(shí)驗(yàn)可隨時(shí)、隨地、自主進(jìn)行；增設(shè)設(shè)備220 V市電連接等真實(shí)實(shí)驗(yàn)室不能進(jìn)行的教學(xué)內(nèi)容；對學(xué)生不正確的操作及時(shí)提醒等。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)

2.1 前期準(zhǔn)備

（1）開發(fā)軟件的選用。虛擬仿真軟件很多，各有特色，考慮到實(shí)驗(yàn)平臺使用對象，課程組選用Godot引擎軟件。Godot 是一款免費(fèi)開源游戲引擎，通過基于節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)來設(shè)計(jì)游戲，編輯器可在Windows、Mac OSX 和Linux 系統(tǒng)中運(yùn)行，支持導(dǎo)出到HTML5、Windows、Android、iOS 等環(huán)境。實(shí)驗(yàn)平臺采用2D 中嵌入3D方式呈現(xiàn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是對硬件配置要求不高，易于在不同環(huán)境推廣，提供不同層次的教學(xué)資源，界面簡潔友好，操作簡單易學(xué)。

（2）準(zhǔn)備素材。實(shí)驗(yàn)平臺使用素材有儀器設(shè)備實(shí)物圖、按鈕符號、指示燈符號、音頻、視頻等。素材準(zhǔn)備采用4 種方式：①利用數(shù)碼相機(jī)拍攝中央控制主機(jī)、投影機(jī)等多媒體教學(xué)系統(tǒng)基本組成的儀器設(shè)備圖片，并利用Photoshop進(jìn)行編輯處理；②錄制配音解說等音頻素材，并進(jìn)行編輯處理；③利用Photoshop 等繪制和編輯按鈕、指示燈等符號圖片；④收集視頻、圖片素材，選取適合實(shí)驗(yàn)平臺使用的視頻、圖片案例。

2.2 模塊實(shí)現(xiàn)

①運(yùn)行Godot引擎，新建項(xiàng)目“多媒體教學(xué)系統(tǒng)”，創(chuàng)建并編輯，打開Godot編輯器；②在編輯器文件系統(tǒng)管理面板中新建1 個(gè)主場景、3 個(gè)分場景、1 個(gè)素材文件夾；③選擇素材文件夾，在文件管理器中打開，并將前期準(zhǔn)備好的圖片、音頻、視頻等素材復(fù)制到素材文件夾中；④開始編輯場景。

主場景實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)入界面，如圖2 所示。3 個(gè)分場景分別實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識、系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)使用3 個(gè)模塊的功能，如圖3 ～5 所示。在主場景中設(shè)置3 個(gè)工具按鈕節(jié)點(diǎn)即“認(rèn)識多媒體教學(xué)系統(tǒng)”“多媒體教學(xué)系統(tǒng)的安裝”“多媒體教學(xué)系統(tǒng)的使用”，當(dāng)點(diǎn)擊按鈕時(shí)其節(jié)點(diǎn)連接信號調(diào)用相應(yīng)的分場景進(jìn)入程序，運(yùn)行程序進(jìn)入分場景。各分場景設(shè)置1個(gè)工具按鈕節(jié)點(diǎn)“退出”，點(diǎn)擊此按鈕時(shí)其節(jié)點(diǎn)連接信號調(diào)用主場景返回程序，運(yùn)行程序退出分場景返回到主場景。各節(jié)點(diǎn)連接信號可用編輯器或代碼進(jìn)行信號連接。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺主場景

圖3 基礎(chǔ)知識場景

圖4 系統(tǒng)安裝場景

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)使用場景

（1）基礎(chǔ)知識場景。主要使用標(biāo)簽、按鈕、直線2D、矩形等節(jié)點(diǎn)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)顯示文字，按鈕節(jié)點(diǎn)顯示設(shè)備、實(shí)現(xiàn)交互，直線2D 節(jié)點(diǎn)按原理方框圖連接設(shè)備，矩形節(jié)點(diǎn)含標(biāo)簽、按鈕、音頻流播放器等子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)利用實(shí)物圖、文字、聲音對設(shè)備做簡要介紹?；A(chǔ)知識場景利用原理圖呈現(xiàn)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的基本組成、信號流程，學(xué)生易看懂、易理解、易掌握。若在原理圖上點(diǎn)擊設(shè)備名稱，由按鈕節(jié)點(diǎn)點(diǎn)擊發(fā)出的連接信號調(diào)用與該設(shè)備對應(yīng)的矩形節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)程序，通過矩形節(jié)點(diǎn)對設(shè)備的介紹，學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識設(shè)備、了解設(shè)備功能，如圖3 中彈出的小窗口為中央控制主機(jī)簡介。

（2）系統(tǒng)安裝場景。主要使用標(biāo)簽、按鈕、精靈等節(jié)點(diǎn)和實(shí)例化場景。實(shí)例化場景設(shè)置電纜線插頭和插座，實(shí)例化場景節(jié)點(diǎn)使用含有區(qū)域2D、碰撞形狀2D子節(jié)點(diǎn)的精靈節(jié)點(diǎn)，如圖6 所示。使用draw _line（Vector2 from，Vector2 to，Color color，float width =1.0，bool antialiased =false）方法畫線連接電纜線兩端，用連線表示電纜線，電纜線及插頭顏色模擬真實(shí)電纜線及插頭顏色。電纜線插頭移動和插入匹配插座用代碼實(shí)現(xiàn)，其GDScript腳本代碼編寫如表1 所示。

圖6 實(shí)例化場景節(jié)點(diǎn)

在系統(tǒng)安裝場景左側(cè)列出了系統(tǒng)所用的電源、信號、控制等電纜線，參見圖4 中左側(cè)部分。用鼠標(biāo)選擇設(shè)備連接電纜線，當(dāng)鼠標(biāo)指針光標(biāo)移動到電纜線插頭上時(shí)，按下鼠標(biāo)左鍵并拖曳到藍(lán)色圓圈表示的電纜線插座內(nèi)，若插頭與設(shè)備背板上插座匹配，插頭固定且不能再被拖曳；同樣的方法將電纜線另一插頭拖曳到插座匹配位置。當(dāng)電纜線兩端插頭都被拖曳到匹配位置時(shí)，模擬真實(shí)電纜線連接設(shè)備正確，反之電纜線連接設(shè)備不正確。如投影機(jī)電源線連接，先將投影機(jī)電源線左端（接入頭）拖曳到中央控制主機(jī)背板上“投影機(jī)電源”接出口藍(lán)色圓圈內(nèi)，然后將投影機(jī)電源線右端（接出頭）拖曳到投影機(jī)背板“電源”接入口藍(lán)色圓圈內(nèi)。當(dāng)拖曳電纜線插頭經(jīng)過其他電纜線插頭時(shí)，其他電纜線插頭也會被拖曳，這與真實(shí)實(shí)驗(yàn)同時(shí)取多根電纜線類似，這時(shí)只有與插座匹配的電纜線插頭會固定，另外電纜線插頭可繼續(xù)拖曳。

表1 實(shí)例化場景腳本代碼編寫

（3）系統(tǒng)使用場景。主要使用標(biāo)簽、按鈕、直線2D、精靈、矩形、視窗、計(jì)時(shí)器等節(jié)點(diǎn)和實(shí)例化場景，在2D中嵌入3D。實(shí)例化場景采用3D 模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中的媒體播放場景，參見圖5 中右上部分。實(shí)例化場景子節(jié)點(diǎn)使用立體模型、相機(jī)、燈光、網(wǎng)格實(shí)例、構(gòu)建幾何實(shí)體、動畫、視頻播放器等節(jié)點(diǎn)。媒體播放采用3D

場景模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，增強(qiáng)學(xué)生的沉浸感。系統(tǒng)使用場景界面布局近似原理圖，強(qiáng)化多媒體教學(xué)系統(tǒng)基本組成原理、信號傳輸流程。點(diǎn)擊系統(tǒng)使用場景界面上的各按鈕模擬真實(shí)操作實(shí)驗(yàn)，通過各按鈕節(jié)點(diǎn)連接信號調(diào)用相應(yīng)的程序，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室呈現(xiàn)與操作實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果。

2.4 系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行操作實(shí)驗(yàn)

當(dāng)點(diǎn)擊220 V 市電“開關(guān)”，中央控制主機(jī)通電，中央控制主機(jī)面板上“系統(tǒng)關(guān)”指示燈亮。按下“系統(tǒng)開”按鈕，“系統(tǒng)開”指示燈亮，系統(tǒng)各設(shè)備電源接通，這時(shí)可開啟待用設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，播放器播放媒體信號。在中央控制主機(jī)面板上，按下電動幕“↓”，電動幕降下；按下投影機(jī)“開機(jī)”，投影機(jī)開啟，屏幕上顯示投影信號，投影機(jī)面板上有“聚焦+”“聚焦-”模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)投影調(diào)焦、“影像+”“影像-”模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)投影大小調(diào)節(jié)；按下“電腦”，可選擇“臺式電腦”或“手提電腦”信號播放；按下“視頻”，可選擇“影碟機(jī)”或“展示臺”信號播放。若使用操作方法正確，實(shí)驗(yàn)平臺會模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)正常播放電腦、視頻等信號。

2.5 系統(tǒng)關(guān)機(jī)操作實(shí)驗(yàn)

由于投影機(jī)的投影燈熄滅后需散熱約90 s，因此，中央控制主機(jī)都具有自動延時(shí)關(guān)機(jī)功能，一般延時(shí)約3 min，保證投影燈熄滅后充分散熱。為了強(qiáng)化這一知識點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)置了先關(guān)投影機(jī)的投影燈，再關(guān)中央控制主機(jī)。當(dāng)中央控制主機(jī)面板上按下投影機(jī)“開機(jī)”按鈕后，“系統(tǒng)關(guān)”按鈕執(zhí)行腳本代碼disabled =true，“系統(tǒng)關(guān)”按鈕點(diǎn)擊無效，待按下投影機(jī)“關(guān)機(jī)”按鈕后，“系統(tǒng)關(guān)”按鈕執(zhí)行腳本代碼disabled = false，“系統(tǒng)關(guān)”按鈕點(diǎn)擊有效。若需系統(tǒng)關(guān)機(jī)，則先按下投影機(jī)“關(guān)機(jī)”按鈕，再按下“系統(tǒng)關(guān)”按鈕，這時(shí)計(jì)時(shí)器啟動，實(shí)驗(yàn)平臺模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的中央控制主機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后系統(tǒng)關(guān)機(jī)。視頻展示臺、影碟機(jī)、計(jì)算機(jī)、功率放大器等其他設(shè)備可在系統(tǒng)關(guān)機(jī)前關(guān)機(jī)，即在“系統(tǒng)關(guān)”按鈕按下前或后關(guān)機(jī)。

3 結(jié) 語

多媒體教學(xué)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺是真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的有益補(bǔ)充，為在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了保障。在教學(xué)使用過程中，學(xué)生反映良好，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺有助于明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、掌握基礎(chǔ)理論知識、提升實(shí)驗(yàn)操作技能、提高學(xué)習(xí)效率。然而，多媒體教學(xué)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺還存在諸多不足，還有待于進(jìn)一步修改、完善。