信息技術虛擬仿真實踐教學資源建設研究

周正貴，黃飛，許美玨，李路，陳剛

（安徽商貿職業技術學院信息與人工智能學院，安徽蕪湖，241002）

關鍵字：虛擬仿真；信息技術；實踐教學

1 信息技術專業虛擬仿真應用概述

1.1 學校現狀

虛擬仿真是一種交互式教學模式，目前我校物聯網應用技術、云計算技術應用、虛擬現實技術應用等多個專業均建有虛擬仿真實習資源。利用現有2D、3D仿真環境，學生能夠搭建硬件系統及開發相關驅動程序，仿真環境能夠編譯軟件和硬件的合理性、正確性，學生能夠及時獲取反饋信息。同時，仿真讓學生具有沉浸感、身臨其境，3D仿真環境，能帶領學生進去近乎真實的應用場景中，身臨其境感受現場實操。

1.2 未來發展

聚焦虛擬仿真實驗教學環節，信息技術專業課程利用仿真軟件搭建硬件環境、軟件系統，讓學生與模擬真實環境互動，解決硬件資源不足、設備損耗大、學生參與不充分等教學問題，虛擬技術在教學的實踐中具有廣闊的應用前景。高職院校實訓教學普遍存在著難以解決的問題，如教學場景與職業應用場景存在“斷層”、綜合性實踐教學難以全面實施、實訓室的應用無法沖破“時空局限性”、教學資源缺乏動態、共享的支持平臺等；通過虛擬現實技術應用，聚焦虛擬仿真實驗教學環節，打造數字化教學資源學習和真實情景化的模擬訓練，對于職業教育專業發展至關重要。虛擬仿真+信息技術推動教學模式轉型，學生可隨時隨地打開虛擬學習平臺，根據需求自主學習，按個人時間合理安排學習進度，不受時間和空間限制；同樣教師備課也更加便捷，教學方式由傳統理論+實操轉為理實虛一體化模式，學習體驗和效果顯著增強。

采用“云+端”模式，依托大數據、云計算、物聯網、人工智能、虛擬現實等技術，打造集展示、體驗、教學、實訓、開發、共享的一體化的虛擬仿真實訓資源，使之成為培養信息技術類專業高素質人才的重要平臺，滿足職業教育專業的教學與實訓需求。建設專業資源庫、職業教育云平臺，構建數字化、智能化、個性化的教學與實訓服務體系，打造具備資源管理與共享、智慧教學與考評、學情采集與分析等功能的職業教育云平臺，已成為當前信息技術專業提質培優的重要環節。

2 專業核心課程虛擬仿真建設

2.1 無線傳感網絡虛擬資源

ZigBee無線傳感網絡技術虛擬仿真實踐教學資源建設涵蓋了方案設計、設備安裝和調測、應用系統部署、項目運行管理與維護等教學內容，沿用信息技術企業典型應用的模式架構，以完整的信息技術項目生命周期的模式培養學生的綜合能力，同時根據課程教學實驗與實訓的要求，打造出以“線下項目實施+線上工程仿真+遠程系統部署”為主的虛擬仿真工程模式，強化教學、學習、實訓相融合，滿足信息技術人才培養需求和各行業企業用人需求。硬件仿真界面如圖1所示。

圖1 ZigBee無線傳感網絡技術仿真界面

上圖中，采用zigbee技術實現組網，zigbee是一種短距離無線通信技術，核心處理器是CC2530單片機，用于采集處理傳感器數據，執行模塊也用zigbee驅動，連接電風扇、日光燈等器件，模擬空調等。數據轉換器使用ADAM4150模塊完成。系統中zigbee組網需要設置網絡ID、頻道號，在一個局域網內每個節點的ID、頻道號需相同，節點本身地址不同。根據設計需求設置參數，如當采集溫度值大于設定值時，驅動風扇轉動，模擬散熱過程；當光照值小于設定值時，點亮燈，自動控制光照。Zigbee網絡組建流程如圖2所示。

圖2 Zigbee網絡組建流

在zigbee數據傳輸過程中，可選用點對點通信模式，自行約定數據傳輸協議，按照協議完成數據傳輸，避免數據收發錯誤，提高數據傳輸準確性。無線通信技術，目前主要有zigbee、窄帶物聯網(nb-iot)、lora技術、藍牙等方式，每種方式均有自身優缺點及應用場合，藍牙主要用于汽車電子等十米內的通信；zigbee可用于一百多米的通信，數據量不多的情況，如在城市路燈管理系統、校園實訓室門禁管理系統；窄帶物聯網(nb-iot)，部分城市運營商已建設了基站，廣泛應用于生活的方方面面，如校園節水節電系統、智慧校園的各類子系統等。

2.2 單片機應用技術仿真系統

單片機應用技術課程教學仿真系統采用proteus硬件仿真軟件，軟件采用keilC集成開發環境進行軟件編寫，該軟件支持匯編語言、C語言等編寫控制程序，生產的可執行程序能下載到proteus單片機中運行。案例選用AT89C51單片機采集溫度傳感器DS18B20，經單片機處理后發送LCD1602現實溫度，當溫度大于設定溫度，自動驅動發光二極管（模擬空調設備），實現自動控制。軟硬件虛擬仿真環境與真實設備基本一致，有效提高的學生的學習效率、降低了硬件教學成本。單片機溫度采集仿真系統如圖3所示。

圖3 單片機溫度采集仿真系統

其中單片機最小系統如圖4所示。晶振電路為單片機提供了穩定的時鐘脈沖，復位電路采用按鍵復位的方式設計。

圖4 單片機最小系統電路

溫度采集的核心代碼如下，根據18b20時序圖，編寫復位函數、寫命令函數、寫數據函數，通過寫命令函數1820wr(0xbe)啟動數據轉換，連續讀取兩個字節數據，合并成16位數據，對該16數據進行處理，使用條件語句if(tvalue<0x0fff)判斷溫度正負值，若是負值，采用補碼形式取反加一操作，為方便傳感器小數位數據處理，擴大十倍，即tvalue*(0.625)，計算出溫度值，發送給單片機進行顯示處理，處理顯示采用拆分數據位形式，分為千位、百位、十位、個位，調用LCD1602寫命令函數、寫數據函數完成數據顯示，因LCD1602是字符型液晶，在調用寫數據函數顯示時，需加上0X30，把數據轉化為字符顯示，如5+0x30,實際上等價于‘5’。

軟件算法流程圖5如下：

圖5 軟件算法流程圖

2.3 智慧農業3D仿真系統

物聯網理實虛一體化實訓室建設有智慧農業3D仿真系統，仿真系統模擬了真實的農業大棚場景，平臺可分為學習場景和實景訓練場景兩部分。學習場景讓學生通過關聯理論知識點介紹、硬件設備選型、代碼分享等內容，循序漸進地掌握實驗內容。智慧農業3D虛擬仿真場景界面如圖6所示，操作如圖7所示，左下角采用導航欄形式，認知大棚場景，選取硬件設備、配置場景模型等方式，實現仿真效果，學生需通過配置硬件參數的方式，掌握硬件安裝調試全過程。

圖6 智能農業3D仿真系統

圖7 智能農業3D仿真系統操作流程

3 結論與展望

本文重點分析了zigbee技術、單片機應用技術的應用案例，應用2D、3D虛擬仿真開發環境，搭建軟硬件系統，該教學模式目前已普遍應用到信息類專業教學與科研中。虛擬仿真教學為學生提供了更為便捷的學習環境，學生能更為直觀地參與到實驗學習中，也可替代危險性強的實驗；為教師提供了新的教學方法，提升了教師的實踐操作技能；解決了學校實驗資源不足的難題，彌補了硬件資源短缺的問題，提高了學生對于硬件認知的條件，解決了學生對實驗系統工作過程認知困難等問題。