劉平 徐俊蓉

摘 要： 仿真是一種有效而經(jīng)濟的教學手段，但是由于教學仿真開發(fā)技術要求高，并且耗費大量時間和精力，所以在課程改革過程中，教學仿真的設計和開發(fā)往往是多數(shù)教師頭疼的問題。介紹利用Microsoft Visio軟件繪圖簡便以及后臺編程控制相對簡單、靈活等優(yōu)點，實現(xiàn)高效開發(fā)高品質(zhì)教學仿真的幾種方案，其中將Visio與單片機編程軟件Keil聯(lián)合起來進行教學仿真的方案為可編程控制器的仿真提供了一種全新的思路。希望能夠為開發(fā)教學仿真的教師（或團隊）提供參考和借鑒。

關鍵詞： Visio； 理論教學； 仿真； 圖形表單； 二次開發(fā)

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2019）03-85-04

Discussion on the application of Visio in teaching simulation

Liu Ping， Xu Junrong

（Guiyang Vocational and Technical College， Guiyang， Guizhou 550008， China）

Abstract： Simulation is an effective and economical teaching method. However， the high requirements of teaching simulation development technology and the large amount of time and energy， the design and development of teaching simulation is often a headache for most teachers in the course of curriculum reform. This paper introduces several schemes to realize the efficient development of high quality teaching simulation by using the advantages of Microsoft Visio software for drawing and relatively simple and flexible background programming control， among which the scheme of combining Visio with single-chip programming software Keil for teaching simulation provides a new idea for the simulation of programmable controller. It is hoped that this paper can provide references for teachers （or teams） who develop teaching simulation.

Key words： Visio； theoretical teaching； simulation； Shapesheet； secondary development

0 引言

如何激發(fā)學生的學習興趣，提高教學效果一直是廣大職教工作者思考和探索的方向。仿真無疑是其中一種有效的手段，它具有成本低和表達直觀等優(yōu)點。仿真也存在一些問題，一個突出的問題就是教師使用的教學仿真軟件往往不是由自己或自己的課程團隊開發(fā)的，所帶來的問題是仿真不能夠與課程真正實現(xiàn)對接。如果讓任課教師自己開發(fā)又困難重重。筆者經(jīng)過長期的摸索和實踐發(fā)現(xiàn)：微軟公司的專業(yè)繪圖軟件Visio或許能夠解決這個矛盾。作為目前最優(yōu)秀的繪圖軟件之一，Visio具有作圖便捷和繪圖效果等優(yōu)點，特別是其科學包提供的各種專業(yè)、精美的元件圖形為教學場景的搭建提供了方便。不僅如此，Visio還具備強大的后臺編程控制能力和數(shù)據(jù)庫功能，以及對象連接與嵌入等功能，這為基于Visio的二次開發(fā)的教學仿真提供了優(yōu)質(zhì)的平臺[1]。通俗地說，即Visio上所有的圖元及其組合圖形的屬性（包括顏色、形態(tài)、位置等）都是可以在后臺通過圖形表單或程序編輯器控制的，而且編程語言可以是易學易懂的VAB語言 （Visual Basic Application），也可以是功能較強的C/C++，還可以是新興的.NET開發(fā)工具。筆者通過數(shù)年的實踐和探索，在機電等專業(yè)數(shù)門專業(yè)課的教學中引入了基于Visio二次開發(fā)的仿真來輔助教學，有了一點體會，借此與同仁分享。

1 基于Visio的仿真及其在教學中的運用

筆者將基于Visio的教學仿真分為兩個層面：獨立的Visio軟件仿真和Visio與其它軟件平臺聯(lián)合進行的仿真。

1.1 獨立的Visio軟件仿真

在Visio軟件中有兩種方式可以控制圖元的屬性，一種是通過對圖元對應的Shapesheet（圖形表單）進行相應的公式編輯來實現(xiàn)；另一種則是通過后臺的程序編輯器編寫用戶程序來控制。

1.1.1 通過表單來實現(xiàn)仿真

在Microsoft Visio中，每一個圖形（或圖形組合）都有其對應的Shapesheet，其羅列了該圖形（或圖形組合）的所有可用屬性（Property）和事件（Events），這些條目在對應的Shapesheet中都以表格的形式呈現(xiàn)，而在表格中以Formula（公式）來控制對應對象（圖形）的屬性。其中的公式中可以引用其它單元格的數(shù)據(jù)，也可以使用函數(shù)和運算符，其語法要求和規(guī)則與Microsoft Excel的非常類似[2]。對于使用過Microsoft Excel單元格公式編輯功能的人員，使用Visio的Shapesheet功能就不會有太大困難。因此，通過圖形表單開發(fā)教學仿真是一種快捷而有效的途徑。

以惠斯通電橋教學仿真為例，該設備是一種精密儀表，在教授學生使用惠斯通電橋的教學過程中，教師會反復強調(diào)操作步驟和錯誤操作的結(jié)果，但是仍然屢屢出現(xiàn)由于誤操作而損壞的情況。如果設計一個具有操作步驟識別，同時功能和外形與實際電橋一致的教學仿真，先讓學生在仿真的惠斯通電橋上操作，熟悉后再到實體上操作，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”，則問題能大為改觀。實現(xiàn)的方法如下。

首先，在Visio繪圖頁面上搭建與實體惠斯通電橋的外形及操作方式相似的場景，如圖1所示。這里稱“搭建”是因為其中的毫安表、電阻箱、電阻和外接電池（如果需要）在Visio的科學包中都有現(xiàn)成的模版，只要拖拽到頁面并將其組合即可。然后，在Visio的Shapesheet中描述惠斯通電橋的內(nèi)在的電學關系以及圖中各個檔位開關、按鈕以及毫安表指針之間的內(nèi)在關系。其中關鍵之一是建立圖中檔位開關的位置與對應電阻值的關系。以電橋x10檔為例，在該擋位開關對應的圖形表單中，新建一個保存對應電阻值的變量，并將其以公式的形式描述如下：

ROUND（MOD（360 deg-Angle，360 deg）/36 deg，0）*10

由于一圈共分為10檔，所以上式中通過取整函數(shù)（ROUND）將360度分為10份，每一份對應10歐姆的電阻值。需要注意的是當檔位開關從0度順時針旋轉(zhuǎn)360度，在Visio中被解讀為（-0，-180）度和[+180，+0]度兩個階段，所以，上式中是用周角減去當前角度，然后再對周角取余的目的正是將當前角度轉(zhuǎn)換為[0，360）度的形式。比率擋位開關位置與對應比率的關系描述也基本類似。關鍵之二是在Visio的Shapesheet中描述圖1中毫安表指針偏轉(zhuǎn)角度與計算出來的不平衡電流毫安值的關系。Visio中提供的電流計指針偏轉(zhuǎn)范圍是（-35，+35）度，較為常用的惠斯通電橋上電流計指針指示范圍是（-0.5，+0.5）mA，根據(jù)該線性關系就可以算出不平衡電流對應的指針偏轉(zhuǎn)角度。為了限制虛擬的電流表的指針偏轉(zhuǎn)角度不超過±35度，需要通過Bound（）函數(shù)將不平衡電流限制在-0.5mA-+0.5mA的范圍以內(nèi)。

該仿真惠斯通電橋上按鈕的操作的方式是通過鼠標右鍵的快捷菜單實現(xiàn)。實現(xiàn)方案是：在按鈕對應的Shapeshee中增加一個用戶定義單元，存放用來表示該按鈕的開合狀態(tài)的布爾型變量flag。然后在該按鈕Actions（動作）欄中添加兩個條目，分別對應該按鈕的開合狀態(tài)，詳細公式填寫表1所示。

其功能是在按鈕獲得焦點后，單擊鼠標右鍵出現(xiàn)閉合或打開的菜單選項，點擊對應選項來仿真惠斯通電橋上按鈕的操作，從而控制前面定義的變量flag的狀態(tài)。另外，惠斯通電橋的操作是有順序要求的，例如，要求電源按鈕（Kb）和測試按鈕（Kg）接通的情況下是不能調(diào)整電阻箱電阻的擋位開關。為了對該要求進行仿真，可以在擋位開關的Shapesheet中Events（事件）欄的EventsXFMod（狀態(tài)改變將觸發(fā)對應的腳本）條目中填寫公式，通過if（）指令判斷如果Kg或Kb的結(jié)果為1，則觸發(fā)PLAYSOUND（）函數(shù)播放提示音訊，提示操作者操作錯誤。

1.1.2 通過程序編輯器和表單來實現(xiàn)仿真

對于過程較為復雜的仿真，特別是動作與時序有關的情形下，單獨通過表單編的輯往往難以實現(xiàn)要求的功能，此時還需要用到功能更強更靈活的Visio Automation（自動化技術）進行二次開發(fā)。Automation是一種方法，它使用 Microsoft Visual Basic for Application（VBA）、Microsoft Visual basic、C/C++或其它支持 Automation的語言編程。就Visio的二次開發(fā)的方式而言，可以分為創(chuàng)建Visio加載項（add-ons）、創(chuàng)建組件模型COM（add-ins）及通過Visio自帶的Visual Basic編輯器創(chuàng)建VBA解決方案三種方式實現(xiàn)[3]。由于Visio的Visual Basic編輯器是Visio軟件自帶的編程環(huán)境，直接打開編輯器就可以編輯程序，并且Visual Basic編程方式比較容易掌握，因此，對于非計算機專業(yè)的教師而言，采用第三種方式是比較適合。本文也主要介紹這種方式在教學仿真中的運用。

前面已經(jīng)說過，在Visio中圖形的位置、角度以及大小等物理屬性都存儲在表單中。用戶程序?qū)D形對象這些屬性的讀寫是后臺編程控制前臺頁面圖形的基本方法和過程。Visio 對象的結(jié)構模型（即對象組織形式）是一個廣義的概念，大到運用程序、小到圖元都稱為對象。它們通過層次結(jié)構組合在一起稱為對象模型，其模型表明了對象之間的隸屬關系，同時也是用戶程序引用圖形某屬性數(shù)據(jù)的路徑。Visio的對象模型比較繁雜，不過其中常用的對象有Documents、Pages、Shapes和Cell四種，它們及其所包含的元素的關系如圖2所示。

正是由于Visio對象存在這樣的隸屬關系，所以在程序中訪問一個圖元的某個屬性的基本過程也是按照圖2所示的順序進行。在默認情況下，Document為當前文檔，Page為活動頁面（Actived Page）。在此以展示三相交流電機旋轉(zhuǎn)磁場形成的仿真實例（如圖3所示）來介紹通過用戶程序編寫和圖形表單公式編輯兩種方式結(jié)合來實現(xiàn)仿真的方式。鑒于文章篇幅所限制以及圖形編輯的方式已經(jīng)在本文1.1.1部分作了介紹，這里重點介紹其中在Visual Basic編程環(huán)境下實現(xiàn)的功能。

其中的DoEvents是為了實現(xiàn)控制權的轉(zhuǎn)讓，以便讓操作系統(tǒng)處理其它的事件，這樣能夠提高計算機工作效率。

由于交流電的相位角還與其頻率有關，所以在該仿真中通過控制上述滑塊的位置來調(diào)節(jié)交流電的頻率（其數(shù)值與滑塊的位置的關系在對應的圖形表單中通過公式的形式描述，這里再展開說明），為此定義一個變量f來引用當前的設定頻率（user.f），以此為基礎，A相交流電當前相位角可以通過其在時間間隔中的相位角變化量累加而得到：

其中的s *360 *0.05就是交流電在0.05秒的時間間隔內(nèi)相位角的增量。另外，為了便于后續(xù)的顯示要將累加得到的相位角對360取余，從而將其轉(zhuǎn)換到[0，360）度的范圍內(nèi)。在此基礎上，通過對應的圖形表單建立以下關系。

⑴ 圖3中指示交流電相位角的豎線的水平坐標與交流電相位角的對應關系。

⑵ 圖3中磁場及合成畫面上在空間相差120度的三相交流磁場與三相交流相位角的關系。

⑶ 三相交流磁場與其合成磁場的關系。

這樣在啟動后臺用戶程序后，指示當前相位角的豎線將同步于當前A相相位角的變化而移動，同時，隨著相位角的變化，三相交流電各自在空間中產(chǎn)生的磁場以及其合成磁場的狀態(tài)也將在仿真畫面中動態(tài)的呈現(xiàn)出來。

1.2 基于多平臺聯(lián)合的Visio仿真

涉及可編程控制類軟件的課程通過理實一體化的教學當然是最好。但是在實訓設備不能滿足課程設計要求的情況下，用仿真代替就是一種有效的補充手段。通常這類可編程控制類軟件都會以某種方式向第三方軟件提供數(shù)據(jù)接口，從而實現(xiàn)信息互通。例如西門子PLC 的編程控制軟件Step7的組件S7.ocx[6]，常用的單片機編程軟件Keil的頭函數(shù)文件agsi.h[7]。

下面以基于Visio展示平臺的單片機控制仿真為例簡要介紹這類仿真的實現(xiàn)方法。

單片機編程軟件Keil提供了一個SDK（軟件開發(fā)工具包），該SDK包含一個名為agsi.h的頭函數(shù)文件。在C++等編程環(huán)境中利用agsi.h提供的函數(shù)和方法，能對Keil相應寄存器數(shù)據(jù)進行讀寫等操作。通常在用戶程序中引用該函數(shù)，并將結(jié)果在用戶程序中顯示出來。但是，由于C++本身不是專業(yè)的繪圖軟件，所以仿真多是LED、數(shù)碼管等簡單項目。如果將Visio在繪圖方面的優(yōu)勢以及其中圖元可后臺控制的特點利用起來就能夠彌補Keil仿真的缺憾。實施方案是在C++編程環(huán)境中利用agsi.h讀單片機存儲器的數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)文件中，然后，讀取數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)并寫入單片機對應的寄存器中。然后編譯該用戶程序并生成一個DLL文件（Dynamic Link Library，稱為動態(tài)鏈接庫文件）加載到單片機編程軟件KEIL上。它相當于一個內(nèi)置的數(shù)據(jù)接口，在形式上獨立于Keil，但是被加載后，在邏輯上與Keil仿真軟件融為一體[8]，這就構成了一個具有開放數(shù)據(jù)的單片機控制程序運行通用仿真平臺；另一邊利用Visio搭建相應的控制場景，并通過后臺編程的方式讀寫前述數(shù)據(jù)文件，進而實現(xiàn)單片機用戶程序?qū)鼍爸袑ο蟮男螒B(tài)、位置和顏色等屬性的讀入和控制，如圖4所示。

其優(yōu)勢在于：①該仿真數(shù)據(jù)接口是通用的，課程開發(fā)者僅僅需要根據(jù)項目設計單片機控制程序和控制場景；②由于Visio是專業(yè)的繪圖軟件，所以場景搭建簡便而且呈現(xiàn)效果較好。相對于proteus等主要用于設計和功能測試這類功能大而全的單片機仿真軟件，這種仿真方式更具個性化。這些特征對課程開發(fā)和課堂教學而言具有很大優(yōu)勢。

2 結(jié)束語

Microsoft Visio不僅有優(yōu)秀的繪圖功能還具備強大的后臺編程控制功能，對其功能的深入研究并在教學仿真中適時運用，必將對涉及到電工電子、氣動和液壓以及單片機等知識點的課程教學有頗多益處。由于篇幅和筆者學習深度有限，論述或許不夠詳盡。希望本文能起到拋磚引玉的作用，讓更多的同仁共同來研究其教學運用。

參考文獻（References）：

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