虚拟实验

实验原理

1. Arduino单片机技术基本原理

单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。本实验中应用的Arduino 最初是一款基于AVR单片机设计的，是对 avr-gcc库的二次封装，使用者即使没有相关的学习经历也能够快速上手，深受广大电子爱好者的喜爱。同时，Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。如果调整或改动了电路板，那么最新设计也必须使用相同或类似的许可协议，保证新的Arduino电路板也会一样得到开源。

图1 Arduino最小系统板

2. 传感器技术基本原理

传感器是指能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断。它们的基本特性就是把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图2所示。敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电。按照其用途传感器主要分为振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等，本实验涉到了20种以上的虚拟传感器模型。

图2 传感器基本工作原理

3. 图形化编程基本原理

图形化编程是指将传统的编程语言用图形化的方式代替，旨在通过图形化编程语句的使用和训练，培养和提升学生的创新思维、计算思维和编程思维，帮助他们更好更正确的掌握科学世界的底层逻辑，从而更好的应对解决未来人生的各种问题。相比传统的代码编程，图形化编程更加简单、易读、易上手，是适合所有少儿学员的入门平台。目前主流的图形化编程软件包括Scratch3.0、Mind+、Mixly、KenRobot、mBlock等，结合Arduino作为最传统、最全面的开源硬件，本实验在设计完成了Scratch3.0和Mind+的虚拟仿真软件。

图3 Mind+图形化编程软件

4. STEAM教育介绍

普及科学技术知识、启迪学生创新思维和培养实践能力的新教育概念，在基础教育阶段广泛开展的科技创新教育，被视为促进我国创新型人才培养的萌芽工程。作为STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）的一种中国化表达，科创教育具有跨学科学习、项目式学习、关注创新精神和思维能力培养等典型特征。学校的科创教育，应该是在结合义务教育课程标准的基础上，将适宜的内容进行主题化、问题化、项目化，让学生在项目中，既对知识达成深刻理解，又能通过表达、交流、自主学习、协作、问题解决等，促进关键能力和核心素养的发展。近年来，团队以电子技术学科为基础，整合计算机科学、人工智能等学科，成立STEAM创新教育人才培养基地，建立跨学科人才培养模式，通过分层培养、协同合作、工程训练、创新实践、人文培养相结合的模式，提高大学生的STEAM素养，培养多科型、全科型科技创新教育人才；同时实现了教学内容、教学方法、实践教学、实验室管理等方面的深入改革。