开源硬件与STEAM教育虚拟仿真实验平台

出于丰富STEAM教育教学方式，使编程教育变得简单易得的目的，我们设计了虚拟现实场场景下的编程与硬件教学，分为基础的课程教学与综合的智慧农场建造。 一.在基础课程教学模块中，我们开发了一个虚拟现实图形化编程系统，可以通过编程来控制硬件实现相应的功能；一个包含众多虚拟硬件的实验箱，通过不同硬件的组合以及与图形化编程相结合，可以实现不同的功能，例如实现一个土壤湿度监测装置；还有12个实验课程使学生们学习上述的图形化编程和硬件元器件，下面分别叙述各个模块。 1.虚拟现实图形化编程系统：图形化编程系统以Scratch图形化编程软件外观为基础进行重新设计，在虚拟现实环境下实现了二次编程开发的功能，并在图形化编程界面的右侧，引入了两重要功能区域： （1）代码区域：代码区域支持真实的C语言代码显示。它旨在帮助学生通过图形化编程逐渐掌握编写代码的技能。学生可以在这里观察他们的图形化代码转化为C语言代码的实际效果，促进他们逐渐掌握编程技巧。 （2）串口区域：串口区域用于实时数据传输,允许学生在编写代码时立即获取所需的传感器数据。这一实时数据交互功能有助于学生更好地理解他们的程序如何与外部环境交互，提供了一个有益的学习工具。 2.虚拟实验箱，其中共收录了45个元器件，包括单片机、传感器、执行器等模块。在左侧窗口中，用户可以360度观察这些模块的3D模型，这些模型采用了简洁美观的小方块样式，在虚拟现实环境中呈现出良好的显示效果。在界面的右侧，提供了有关这些模块的使用说明、原理介绍和引脚说明，以帮助学生理解如何正确地使用这些模块，使学生更容易理解和熟悉各个元器件，为他们提供一个直观的学习工具。 3.实验课程：我们设计了十二个实验课程，循序渐进地提高学生的编程能力和动手能力。学生能在虚拟现实环境中进行硬件开发，并在完成基础课程后，使用所学知识进行进一步的农场智能化系统开发 二．随着电子技术的不断进步，我们迈向了自动化控制的新时代。在我们精心设计的元宇宙农场中，我们运用了创新的图形化编程技术和开源硬件，构建了一个高度智能化的农场自动化系统。这个系统涵盖了多个关键领域，确保了农场的顺利运营，包括： 这一综合的设计不仅提供了一种逐步过渡到文本编程的途径，也为学生提供了一个更富交互性和实用性的学习环境，有助于他们更有效地探索和掌握虚拟现实中的图形化编程。      环境温湿度检测与降温除湿：我们通过先进的传感技术监测农场内的温度和湿度，以确保作物处于最适宜的生长条件下。当环境条件不佳时，系统会自动启动降温和除湿设备，维持理想的生长环境。      土壤湿度检测与洒水：我们的自动系统定期检测土壤湿度，并根据作物需求智能地进行灌溉。这确保了每一片土地都能获得适量的水分，从而提高产量和质量。      二氧化碳浓度检测与补充二氧化碳：为了促进植物光合作用，我们的系统监测大气中的二氧化碳浓度，并在需要时自动补充。这有助于最大程度地提高作物的生长速度和产量。      光照检测与补光：我们的农场自动系统还具备光照检测功能，以确保作物在低光条件下也能获得足够的光照。当光照不足时，系统将自动补充光源，维持作物的健康生长。 通过这些先进的技术和智能化的系统，我们的元宇宙农场不仅实现了高效的农业生产，还降低了能源和资源的浪费。我们致力于推动农业的未来，为世界提供更多高质量、可持续的食品。 为了适应虚拟现实(VR)的需求，我们设计的VR平台基于Pico 4一体机构建。Pico 4是由PICO公司开发的VR设备，能够独立于PC进行定位和虚拟现实体验，同时也支持与PC连接以获得更佳体验