信息技术虚拟仿真实践教学资源建设研究_周正贵.pdf

设计研发2022.24321 信息技术专业虚拟仿真应用概述1.1 学校现状虚拟仿真是一种交互式教学模式，目前我校物联网应用技术、云计算技术应用、虚拟现实技术应用等多个专业均建有虚拟仿真实习资源。利用现有 2D、3D 仿真环境，学生能够搭建硬件系统及开发相关驱动程序，仿真环境能够编译软件和硬件的合理性、正确性，学生能够及时获取反馈信息。同时，仿真让学生具有沉浸感、身临其境，3D 仿真环境，能带领学生进去近乎真实的应用场景中，身临其境感受现场实操。1.2 未来发展聚焦虚拟仿真实验教学环节，信息技术专业课程利用仿真软件搭建硬件环境、软件系统，让学生与模拟真实环境互动，解决硬件资源不足、设备损耗大、学生参与不充分等教学问题，虚拟技术在教学的实践中具有广阔的应用前景。高职院校实训教学普遍存在着难以解决的问题，如教学场景与职业应用场景存在“断层”、综合性实践教学难以全面实施、实训室的应用无法冲破“时空局限性”、教学资源缺乏动态、共享的支持平台等；通过虚拟现实技术应用，聚焦虚拟仿真实验教学环节，打造数字化教学资源学习和真实情景化的模拟训练，对于职业教育专业发展至关重要。虚拟仿真+信息技术推动教学模式转型，学生可随时随地打开虚拟学习平台，根据需求自主学习，按个人时间合理安排学习进度，不受时间和空间限制；同样教师备课也更加便捷，教学方式由传统理论+实操转为理实虚一体化模式，学习体验和效果显著增强。采用“云+端”模式，依托大数据、云计算、物联网、人工智能、虚拟现实等技术，打造集展示、体验、教学、实训、开发、共享的一体化的虚拟仿真实训资源，使之成为培养信息技术类专业高素质人才的重要平台，满足职业教育专业的教学与实训需求。建设专业资源库、职业教育云平台，构建数字化、智能化、个性化的教学与实训服务体系，打造具备资源管理与共享、智慧教学与考评、学情采集与分析等功能的职业教育云平台，已成为当前信息技术专业提质培优的重要环节。2 专业核心课程虚拟仿真建设2.1 无线传感网络虚拟资源 ZigBee 无线传感网络技术虚拟仿真实践教学资源建设涵盖了方案设计、设备安装和调测、应用系统部署、项目运行管理与维护等教学内容，沿用信息技术企业典型应用的模式架构，以完整的信息技术项目生命周期的模式培养学生的综信息技术虚拟仿真实践教学资源建设研究周正贵，黄飞，许美珏，李路，陈刚（安徽商贸职业技术学院信息与人工智能学院，安徽芜湖，241002）摘要：本文主要设计了虚拟仿真技术在信息技术专业课程中的应用案例，设计系统对实践教学有一定的应用参考价值。关键字：虚拟仿真；信息技术；实践教学中图分类号：G642 文献标识码：A ResearchontheconstructionofinformationtechnologyvirtualsimulationpracticeteachingresourcesZhou Zhenggui,Huang Fei,Xu Meijue,Li Lu,Chen Gang(School of Information and Artificial Intelligence,Anhui Vocational and Technical College of Commerce,Wuhu Anhui,241002)Abstract:This paper mainly designs the application cases of virtual simulation technology in the professional courses of information technology,and the design system has certain application reference value for practical teaching.Keywords:virtual simulation;Information technology;Practical teaching基金项目：安徽省质量工程教研重点项目（2021jyxm0461）；安徽省高等学校省级双基示范课程（2020SJJXSFK1068）；安徽省高校“三全育人”试点省建设暨高校思想政治能力提升计划项目（sztsjh-2022-4-12）；安徽省职业教育创新发展试验区培育库项目（WJ-PTZT-115）；安徽省质量工程项目（2020zyq29）；基于虚拟化集群的网络安全实验平台研究（2021KZZ06）阶段性研究成果。DOI:10.16520/ki.1000-8519.2022.24.014设计研发2022.2433合能力，同时根据课程教学实验与实训的要求，打造出以“线下项目实施+线上工程仿真+远程系统部署”为主的虚拟仿真工程模式，强化教学、学习、实训相融合，满足信息技术人才培养需求和各行业企业用人需求。硬件仿真界面如图 1 所示。图 1 ZigBee 无线传感网络技术仿真界面上图中，采用 zigbee 技术实现组网，zigbee 是一种短距离无线通信技术，核心处理器是 CC2530 单片机，用于采集处理传感器数据，执行模块也用 zigbee 驱动，连接电风扇、日光灯等器件，模拟空调等。数据转换器使用 ADAM4150 模块完成。系统中 zigbee 组网需要设置网络 ID、频道号，在一个局域网内每个节点的 ID、频道号需相同，节点本身地址不同。根据设计需求设置参数，如当采集温度值大于设定值时，驱动风扇转动，模拟散热过程；当光照值小于设定值时，点亮灯，自动控制光照。Zigbee 网络组建流程如图 2 所示。在 zigbee 数据传输过程中，可选用点对点通信模式，自行约定数据传输协议，按照协议完成数据传输，避免数据收发错误，提高数据传输准确性。无线通信技术，目前主要有zigbee、窄带物联网(nb-iot)、lora 技术、蓝牙等方式，每种方式均有自身优缺点及应用场合，蓝牙主要用于汽车电子等十米内的通信；zigbee 可用于一百多米的通信，数据量不多的情况，如在城市路灯管理系统、校园实训室门禁管理系统；窄带物联网(nb-iot)，部分城市运营商已建设了基站，广泛应用于生活的方方面面，如校园节水节电系统、智慧校园的各类子系统等。2.2 单片机应用技术仿真系统单片机应用技术课程教学仿真系统采用 proteus 硬件仿真软件，软件采用 keilC 集成开发环境进行软件编写，该软件支持汇编语言、C 语言等编写控制程序，生产的可执行程序能下载到 proteus 单片机中运行。案例选用 AT89C51 单片机采集温度传感器 DS18B20，经单片机处理后发送 LCD1602 现实温度，当温度大于设定温度，自动驱动发光二极管（模拟空调设备），实现自动控制。软硬件虚拟仿真环境与真实设备基本一致，有效提高的学生的学习效率、降低了硬件教学成本。单片机温度采集仿真系统如图 3 所示。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51D1LED-REDD2LED-REDD714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCD1LM016L27.0DQ2VCC3GND1U2DS18B20图 3 单片机温度采集仿真系统其中单片机最小系统如图 4 所示。晶振电路为单片机提供了稳定的时钟脉冲，复位电路采用按键复位的方式设计。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C5112X1CRYSTALC133pFC233pFR110kC322uF图 4 单片机最小系统电路 温度采集的核心代码如下，根据 18b20 时序图，编写复位函数、写命令函数、写数据函数，通过写命令函数1820wr(0 xbe)启动数据转换，连续读取两个字节数据，合并成 16 位数据，对该 16 数据进行处理，使用条件语句if(tvalue0 x0fff)判断温度正负值，若是负值，采用补码形式取反加一操作，为方便传感器小数位数据处理，扩大十倍，即 tvalue*(0.625)，计算出温度值，发送给单片机进行显示处理，处理显示采用拆分数据位形式，分为千位、百位、十位、个位，调用 LCD1602 写命令函数、写数据函数完成数据显示，系统上电 配置网络 ID 设置频道号 建立通信 完成数据采集、传输 图 2 Zigbee 网络组建流设计研发2022.2434因 LCD1602 是字符型液晶，在调用写数据函数显示时，需加上0X30，把数据转化为字符显示，如 5+0 x30,实际上等价于 5。read_wendu()/*读取温度值并转换函数*/uchar a,b;1820rst();/复位函数 1820wr(0 xcc);1820wr(0 x44);1820rst();1820wr(0 xcc);1820wr(0 xbe);a=1820rd();b=1820rd();tvalue=b;tvalue=8;tvalue=tvalue|a;/合成为 16 位数 if(tvalue0 x0fff)/判断温度正负值 tflag=0;else tvalue=tvalue+1;tflag=1;tvalue=tvalue*(0.625);return(tvalue);软件算法流程图 5 如下：2.3 智慧农业 3D 仿真系统物联网理实虚一体化实训室建设有智慧农业 3D 仿真系统，仿真系统模拟了真实的农业大棚场景，平台可分为学习场景和实景训练场景两部分。学习场景让学生通过关联理论知识点介绍、硬件设备选型、代码分享等内容，循序渐进地掌握实验内容。智慧农业 3D 虚拟仿真场景界面如图 6 所示，操作如图 7 所示，左下角采用导航栏形式，认知大棚场景，选取硬件设备、配置场景模型等方式，实现仿真效果，学生需通过配置硬件参数的方式，掌握硬件安装调试全过程。启动 3D 仿真系统 选择农业仿真背景 硬件选择 网络环境搭建 配置参数 系统运行 图 7 智能农业 3D 仿真系统操作流程3 结论与展望本文重点分析了 zigbee 技术、单片机应用技术的应用案例，应用 2D、3D 虚拟仿真开发环境，搭建软硬件系统，该教学模式目前已普遍应用到信息类专业教学与科研中。虚拟仿真教学为学生提供了更为便捷的学习环境，学生能更为直观地参与到实验学习中，也可替代危险性强的实验；为教师提供了新的教学方法，提升了教师的实践操作技能；解决了学校实验资源不足的难题，弥补了硬件资源短缺的问题，提高了学生对于硬件认知的条件，解决了学生对实验系统工作过程认知困难等问题。参考文献1 高东锋，王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略 J.中国高教研究,2016(10):56-59.2 韦素娟.虚拟仿真