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）

关键字：虚拟仿真；信息技术；实践教学

1 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。

图2 Zigbee网络组建流

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。

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。

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(0xbe)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(tvalue<0x0fff)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，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+0x30,实际上等价于‘5’。

软件算法流程图5如下：

图5 软件算法流程图

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。

图6 智能农业3D仿真系统

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。