信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)研究

周正貴，黃飛，許美玨，李路，陳剛

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與人工智能學(xué)院，安徽蕪湖，241002）

關(guān)鍵字：虛擬仿真；信息技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)

1 信息技術(shù)專業(yè)虛擬仿真應(yīng)用概述

1.1 學(xué)校現(xiàn)狀

虛擬仿真是一種交互式教學(xué)模式，目前我校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用等多個(gè)專業(yè)均建有虛擬仿真實(shí)習(xí)資源。利用現(xiàn)有2D、3D仿真環(huán)境，學(xué)生能夠搭建硬件系統(tǒng)及開發(fā)相關(guān)驅(qū)動程序，仿真環(huán)境能夠編譯軟件和硬件的合理性、正確性，學(xué)生能夠及時(shí)獲取反饋信息。同時(shí)，仿真讓學(xué)生具有沉浸感、身臨其境，3D仿真環(huán)境，能帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)去近乎真實(shí)的應(yīng)用場景中，身臨其境感受現(xiàn)場實(shí)操。

1.2 未來發(fā)展

聚焦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，信息技術(shù)專業(yè)課程利用仿真軟件搭建硬件環(huán)境、軟件系統(tǒng)，讓學(xué)生與模擬真實(shí)環(huán)境互動，解決硬件資源不足、設(shè)備損耗大、學(xué)生參與不充分等教學(xué)問題，虛擬技術(shù)在教學(xué)的實(shí)踐中具有廣闊的應(yīng)用前景。高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)普遍存在著難以解決的問題，如教學(xué)場景與職業(yè)應(yīng)用場景存在“斷層”、綜合性實(shí)踐教學(xué)難以全面實(shí)施、實(shí)訓(xùn)室的應(yīng)用無法沖破“時(shí)空局限性”、教學(xué)資源缺乏動態(tài)、共享的支持平臺等；通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用，聚焦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，打造數(shù)字化教學(xué)資源學(xué)習(xí)和真實(shí)情景化的模擬訓(xùn)練，對于職業(yè)教育專業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。虛擬仿真+信息技術(shù)推動教學(xué)模式轉(zhuǎn)型，學(xué)生可隨時(shí)隨地打開虛擬學(xué)習(xí)平臺，根據(jù)需求自主學(xué)習(xí)，按個(gè)人時(shí)間合理安排學(xué)習(xí)進(jìn)度，不受時(shí)間和空間限制；同樣教師備課也更加便捷，教學(xué)方式由傳統(tǒng)理論+實(shí)操轉(zhuǎn)為理實(shí)虛一體化模式，學(xué)習(xí)體驗(yàn)和效果顯著增強(qiáng)。

采用“云+端”模式，依托大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，打造集展示、體驗(yàn)、教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、開發(fā)、共享的一體化的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源，使之成為培養(yǎng)信息技術(shù)類專業(yè)高素質(zhì)人才的重要平臺，滿足職業(yè)教育專業(yè)的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)需求。建設(shè)專業(yè)資源庫、職業(yè)教育云平臺，構(gòu)建數(shù)字化、智能化、個(gè)性化的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)服務(wù)體系，打造具備資源管理與共享、智慧教學(xué)與考評、學(xué)情采集與分析等功能的職業(yè)教育云平臺，已成為當(dāng)前信息技術(shù)專業(yè)提質(zhì)培優(yōu)的重要環(huán)節(jié)。

2 專業(yè)核心課程虛擬仿真建設(shè)

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)虛擬資源

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)涵蓋了方案設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝和調(diào)測、應(yīng)用系統(tǒng)部署、項(xiàng)目運(yùn)行管理與維護(hù)等教學(xué)內(nèi)容，沿用信息技術(shù)企業(yè)典型應(yīng)用的模式架構(gòu)，以完整的信息技術(shù)項(xiàng)目生命周期的模式培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，同時(shí)根據(jù)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)的要求，打造出以“線下項(xiàng)目實(shí)施+線上工程仿真+遠(yuǎn)程系統(tǒng)部署”為主的虛擬仿真工程模式，強(qiáng)化教學(xué)、學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)相融合，滿足信息技術(shù)人才培養(yǎng)需求和各行業(yè)企業(yè)用人需求。硬件仿真界面如圖1所示。

圖1 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仿真界面

上圖中，采用zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，zigbee是一種短距離無線通信技術(shù)，核心處理器是CC2530單片機(jī)，用于采集處理傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行模塊也用zigbee驅(qū)動，連接電風(fēng)扇、日光燈等器件，模擬空調(diào)等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用ADAM4150模塊完成。系統(tǒng)中zigbee組網(wǎng)需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID、頻道號，在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID、頻道號需相同，節(jié)點(diǎn)本身地址不同。根據(jù)設(shè)計(jì)需求設(shè)置參數(shù)，如當(dāng)采集溫度值大于設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，模擬散熱過程；當(dāng)光照值小于設(shè)定值時(shí)，點(diǎn)亮燈，自動控制光照。Zigbee網(wǎng)絡(luò)組建流程如圖2所示。

圖2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)組建流

在zigbee數(shù)據(jù)傳輸過程中，可選用點(diǎn)對點(diǎn)通信模式，自行約定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，按照協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，避免數(shù)據(jù)收發(fā)錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。無線通信技術(shù)，目前主要有zigbee、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(nb-iot)、lora技術(shù)、藍(lán)牙等方式，每種方式均有自身優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場合，藍(lán)牙主要用于汽車電子等十米內(nèi)的通信；zigbee可用于一百多米的通信，數(shù)據(jù)量不多的情況，如在城市路燈管理系統(tǒng)、校園實(shí)訓(xùn)室門禁管理系統(tǒng)；窄帶物聯(lián)網(wǎng)(nb-iot)，部分城市運(yùn)營商已建設(shè)了基站，廣泛應(yīng)用于生活的方方面面，如校園節(jié)水節(jié)電系統(tǒng)、智慧校園的各類子系統(tǒng)等。

2.2 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)仿真系統(tǒng)

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)仿真系統(tǒng)采用proteus硬件仿真軟件，軟件采用keilC集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)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(chǎn)的可執(zhí)行程序能下載到proteus單片機(jī)中運(yùn)行。案例選用AT89C51單片機(jī)采集溫度傳感器DS18B20，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)送LCD1602現(xiàn)實(shí)溫度，當(dāng)溫度大于設(shè)定溫度，自動驅(qū)動發(fā)光二極管（模擬空調(diào)設(shè)備），實(shí)現(xiàn)自動控制。軟硬件虛擬仿真環(huán)境與真實(shí)設(shè)備基本一致，有效提高的學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、降低了硬件教學(xué)成本。單片機(jī)溫度采集仿真系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)溫度采集仿真系統(tǒng)

其中單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4所示。晶振電路為單片機(jī)提供了穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位的方式設(shè)計(jì)。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

溫度采集的核心代碼如下，根據(jù)18b20時(shí)序圖，編寫復(fù)位函數(shù)、寫命令函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)，通過寫命令函數(shù)1820wr(0xbe)啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，連續(xù)讀取兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，合并成16位數(shù)據(jù)，對該16數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用條件語句if(tvalue<0x0fff)判斷溫度正負(fù)值，若是負(fù)值，采用補(bǔ)碼形式取反加一操作，為方便傳感器小數(shù)位數(shù)據(jù)處理，擴(kuò)大十倍，即tvalue*(0.625)，計(jì)算出溫度值，發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行顯示處理，處理顯示采用拆分?jǐn)?shù)據(jù)位形式，分為千位、百位、十位、個(gè)位，調(diào)用LCD1602寫命令函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)完成數(shù)據(jù)顯示，因LCD1602是字符型液晶，在調(diào)用寫數(shù)據(jù)函數(shù)顯示時(shí)，需加上0X30，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符顯示，如5+0x30,實(shí)際上等價(jià)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(nóng)業(yè)3D仿真系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)理實(shí)虛一體化實(shí)訓(xùn)室建設(shè)有智慧農(nóng)業(yè)3D仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)模擬了真實(shí)的農(nóng)業(yè)大棚場景，平臺可分為學(xué)習(xí)場景和實(shí)景訓(xùn)練場景兩部分。學(xué)習(xí)場景讓學(xué)生通過關(guān)聯(lián)理論知識點(diǎn)介紹、硬件設(shè)備選型、代碼分享等內(nèi)容，循序漸進(jìn)地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。智慧農(nóng)業(yè)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(dǎo)航欄形式，認(rèn)知大棚場景，選取硬件設(shè)備、配置場景模型等方式，實(shí)現(xiàn)仿真效果，學(xué)生需通過配置硬件參數(shù)的方式，掌握硬件安裝調(diào)試全過程。

圖6 智能農(nóng)業(yè)3D仿真系統(tǒng)

圖7 智能農(nóng)業(yè)3D仿真系統(tǒng)操作流程

3 結(jié)論與展望

本文重點(diǎn)分析了zigbee技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用案例，應(yīng)用2D、3D虛擬仿真開發(fā)環(huán)境，搭建軟硬件系統(tǒng)，該教學(xué)模式目前已普遍應(yīng)用到信息類專業(yè)教學(xué)與科研中。虛擬仿真教學(xué)為學(xué)生提供了更為便捷的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能更為直觀地參與到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，也可替代危險(xiǎn)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)；為教師提供了新的教學(xué)方法，提升了教師的實(shí)踐操作技能；解決了學(xué)校實(shí)驗(yàn)資源不足的難題，彌補(bǔ)了硬件資源短缺的問題，提高了學(xué)生對于硬件認(rèn)知的條件，解決了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作過程認(rèn)知困難等問題。