基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計

曲佰玲

摘? 要： 針對創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)信息少的問題，設(shè)計一種基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件部分包括擴(kuò)展板設(shè)計、微處理器設(shè)計、電路設(shè)計和控制器設(shè)計。系統(tǒng)的軟件部分整合創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)信息，建立虛擬仿真環(huán)境與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中，并提供評分標(biāo)準(zhǔn)，以此完成基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，此次設(shè)計的基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)信息豐富，具有一定的實際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞： 創(chuàng)新教育; 網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計; 虛擬仿真; 數(shù)據(jù)庫建立; 信息整合

中圖分類號： TN926?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）20?0109?03

Design of innovative education network ecosystem based on virtual simulation

QU Bailing

（Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： In allusion to the less information in the innovation education network ecosystem， an innovative education network ecosystem based on virtual simulation is designed. The hardware part of the system includes expansion board design， microprocessor design， circuit design and controller design. In the software part of the system， the network ecology information of innovative education is integrated， and the virtual simulation environment and system database are established. The network ecology data of innovation education is stored into the database， and the scoring standards are provided， so that the design of the innovation education network ecosystem based on virtual simulation is completed. The experimental results show that the designed innovation education network ecosystem based on virtual simulation has much more informations than the traditional system， which has a certain practical significance.

Keywords： innovation education; network ecosystem; system design; virtual simulation; database establishment; information integration

由于傳統(tǒng)的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)不完善，存在系統(tǒng)信息少的問題，不能滿足創(chuàng)新教育需求，因此設(shè)計一種基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)。虛擬仿真是利用計算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，通過交互設(shè)備與虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使操作者產(chǎn)生身臨其境的交互式視鏡仿真和信息交流。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)信息比傳統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)信息豐富，具有一定的實際應(yīng)用意義。

1? 創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)框架設(shè)計

根據(jù)創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)需求，為創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)提供虛擬仿真、交互、評價等功能。整體框架系統(tǒng)分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)持久層，包含管理員登錄、教學(xué)資料管理和會員管理界面。其中，管理員登錄界面是對輸入的用戶名和密碼進(jìn)行判斷，能夠修改、增加[1]和刪除系統(tǒng)的內(nèi)容;教學(xué)資料管理界面主要管理輔導(dǎo)資料內(nèi)容，所有資料可全部顯示，也能夠分類型顯示;會員管理界面，管理員能夠刪除、修改和鎖定用戶，并能夠為忘記密碼的用戶找回密碼。

2? 創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 擴(kuò)展板設(shè)計

采用W5100網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板[2]為創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)提供通信功能，該擴(kuò)展板內(nèi)部集成10/100 M以太網(wǎng)控制器。該芯片支持硬件TCP/IP協(xié)議，內(nèi)嵌10 Base/100 BaseTX以太物網(wǎng)物理層[3]，并支持自動應(yīng)答、ADSL鏈接，具有4個獨(dú)立端口，內(nèi)部16 KB存儲器作為TX/RX緩存，工作電壓為3.3 V，I/O接口能夠承受5 V電壓。同時包含多種指示信號燈。在發(fā)送與接收創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時該指示燈呈閃爍狀態(tài);在網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)時RX會閃爍;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)檢測到?jīng)_突時TX燈閃爍。

2.2? 微處理器設(shè)計

所設(shè)計系統(tǒng)選用ARM9系列的S3DFHHN嵌入式微處理器，采用289 pinFBGA封裝[4]。S3DFHHN微處理器的主頻為400 MHz，系統(tǒng)外設(shè)完整，減少了整體系統(tǒng)成本，且有豐富的片內(nèi)資源[5]，包括4個PWM功能計時器和1個內(nèi)部時鐘、8通道10位A/D控制器，117位通用I/O接口和24位外部中斷源。

2.3? 電路設(shè)計

電路主要包括存儲電路[6]、電源電路和復(fù)位電路，其中存儲電路中包括SDRAM和FLASH，選用HY57V561620FTP集成電路作為SDRAM存儲器。該存儲器芯片工作電壓為3.3 V，兼容LVTTL接口[7]，工作時鐘頻率為100 MHz。

其中，電源電路，由MAX8860集成芯片以及相關(guān)元件組成，MAX8860集成芯片的輸入電壓范圍在2.5～6.5 V之間，并具有過熱保護(hù)、短路保護(hù)與電池反裝保護(hù)功能。復(fù)位電路原理圖如圖1所示。

由圖1可知，該復(fù)位電路可為S3DFHHN嵌入式微處理器提供上電復(fù)位[8]與手動復(fù)位信號功能。

2.4? 控制器設(shè)計

采用TMS320LF2407ADSP作為此次設(shè)計系統(tǒng)核心控制器，其片上包含適用于信號處理的高效處理器，并集成豐富的片內(nèi)外設(shè)，執(zhí)行速度為40 MIPS，具有較高的實時控制能力[9]，提高系統(tǒng)建立虛擬仿真環(huán)境速度。片內(nèi)具有高達(dá)32 KB的FLASH程序存儲器，544 B雙口RAM和2 KB的單口RMB，并包含2個事件管理模塊，該控制器可擴(kuò)展的外部存儲器總共192 KB空間。同時具有看門狗定時器模塊[10]、串行通信接口模塊、16位串行外設(shè)接口模塊，包含40個可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出管腳[11]。

3? 創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

在上述硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計。利用虛擬仿真技術(shù)[12]建立創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，給學(xué)生提供仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)環(huán)境。由于虛擬仿真建立的場景中的模型與紋理貼圖等都來源于真實場景，在利用虛擬仿真技術(shù)之前，需要整合創(chuàng)新教育教學(xué)資源，其中包括圖片、聲音和其他媒體資源[13]。

由于整合后的創(chuàng)新教育數(shù)據(jù)與虛擬仿真環(huán)境建立格式不同，因此對整合的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換[14]，計算公式如下：

[O=m″·tSa·h]? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[O]代表創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)信息;[Sa]為創(chuàng)新教育中的信息格式;[h]為虛擬仿真環(huán)境所需的數(shù)據(jù)格式;[m″]，[t]分別代表創(chuàng)新教育數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

通過計算完成網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)的整合，為虛擬仿真環(huán)境建立提供基礎(chǔ)，并為該系統(tǒng)使用者提供顯示圖片、播放視頻、環(huán)境模擬等功能。建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將虛擬仿真教學(xué)環(huán)境所需的數(shù)據(jù)存入該數(shù)據(jù)庫中，并分析基于虛擬仿真的教育系統(tǒng)之間不同實體以及實體間的相互關(guān)系。

在具體使用時，學(xué)生通過建立的虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，瀏覽教學(xué)項目、教學(xué)要求，并在建立的虛擬仿真環(huán)境中學(xué)習(xí)。同時，設(shè)計評價功能[15]，在該系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置評分標(biāo)準(zhǔn)，不斷采集學(xué)生學(xué)習(xí)信息，對學(xué)生學(xué)習(xí)情況評價，評價公式為：

[gq=aq·De]? ? ? ? ? ?（2）

式中：[gq]代表創(chuàng)新教育學(xué)生評分標(biāo)準(zhǔn);[aq]代表學(xué)生在[q]課程上的學(xué)習(xí)情況;[De]代表學(xué)生學(xué)習(xí)情況判斷參數(shù)。

通過上述公式實時對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況評價，以提高學(xué)生對創(chuàng)新教育內(nèi)容的掌握，以此完成基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計。

4? 實驗對比

4.1? 實驗內(nèi)容

此次實驗以某創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)學(xué)校為實驗對象，選擇該校相關(guān)創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)信息，分別使用2種系統(tǒng)對創(chuàng)新教育信息進(jìn)行整合與歸納，對比2種系統(tǒng)內(nèi)的信息多少。信息多少以學(xué)生的滿意度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，在實驗過程中，隨機(jī)選取100名學(xué)生，并將這100名學(xué)生隨機(jī)分為2組，其中50名采用傳統(tǒng)系統(tǒng)，50名采用此次設(shè)計系統(tǒng)，對比100名學(xué)生對2種系統(tǒng)的滿意度。具體的實驗過程如下：

1） 制定測試步驟;

2） 實驗人員根據(jù)實驗步驟生成實驗用例，對實驗中可能出現(xiàn)的各種情況作出預(yù)判并記錄;

3） 運(yùn)行傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次設(shè)計的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)行實驗;

4） 分別查看100名學(xué)生對兩種系統(tǒng)的滿意情況，分為5次實驗;

5） 生成實驗報告，在2個系統(tǒng)完成實驗后，自動生成測試報告。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗配置如表1所示。

4.2? 實驗結(jié)果分析

傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次設(shè)計的基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育生態(tài)系統(tǒng)的對比結(jié)果如圖2所示。

分析實驗對比結(jié)果可知，此次設(shè)計的基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育生態(tài)系統(tǒng)的信息比傳統(tǒng)系統(tǒng)的信息多。因為此次設(shè)計的系統(tǒng)利用虛擬仿真技術(shù)，能夠有效模擬創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)環(huán)境，并且整合的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)信息也較多，所以系統(tǒng)內(nèi)包含的信息較多。而傳統(tǒng)的系統(tǒng)信息比此次設(shè)計系統(tǒng)信息少，不能滿足學(xué)生需求。因此，通過上述實驗?zāi)軌蜃C明此次設(shè)計的系統(tǒng)的有效性，證明此次設(shè)計的系統(tǒng)信息比傳統(tǒng)系統(tǒng)信息多，具有一定的實際應(yīng)用意義。

5? 結(jié)? 語

傳統(tǒng)的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)信息較少，因此設(shè)計一種基于虛擬仿真的創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)。從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面完成系統(tǒng)的設(shè)計。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)信息多，能夠滿足創(chuàng)新教育網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計需求，具有一定的實際應(yīng)用意義。

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