STEAM教育理念下开源硬件虚拟实验平台的设计与实现.pdf

摘要

虚拟现实（VirtualReality,VR）技术通过模拟真实场景，为科学、技术、工程、

艺术和数学（STEAM）教育提供了一种创新的学习方法。本研究结合STEAM教

育理念与虚拟现实技术，开发了一个开源硬件虚拟实验平台，用于培养其编程思维

和创新能力，同时促进学生对开源硬件实际应用的理解。

本文以编程初学者为教学对象，设计了十二节基础实验和两个综合场景实验。

基础实验设计虚拟的ArduinoUNO单片机和各种传感器及模块，引导学生从基础

的电子元件学习逐步过渡到复杂的传感器应用，并通过图形化编程完成硬件电路

的连接和操作。综合场景通过构建虚拟农场和交通设计，帮助学生深入了解单片机

在生活中的实际应用。测试结果表明，本设计能有效促进用户的STEAM综合素养

和实践操作能力的提升，展现了VR技术应用在STEAM教育中的潜力。本文的主

要工作概括如下：

（1）技术研究与理论分析：通过分析STEAM教育框架、虚拟现实技术及其

在虚拟实验应用的理论依据和当前进展，提出了在开源硬件实验中将STEAM教

育与虚拟现实技术相结合的方法，并通过虚拟实验平台实现科学讲授、技术学习、

工程实践、艺术探求和数学研究的跨学科教学目标。

（2）虚拟实验平台设计与实现：本研究将理论与实际结合，成功构建了一个

基于ArduinoUNO单片机的开源硬件虚拟实验平台。在平台中设计了一个集成了

45种不同的元器件的开源硬件库和一个允许用户在完全模拟的环境中直观地进行

编程操作虚拟现实环境的图形化编程系统。同时通过使用Unity3D引擎和3dsMax

建模软件，建立了创新实验室、智慧农场和智慧交通三个虚拟场景，使用C#语言

和Socket网络编程技术实现了实验的交互功能和数据通信。

（3）实证研究与效果评估：在系统开发完成后，邀请了一批编程初学者参与

测试，旨在评估虚拟实验平台在提升学生STEAM综合素养、编程思维和创新能力

方面的实际效果。

本研究实践展示了虚拟现实技术在开发STEAM教育资源中的高效性与创新

性，通过其沉浸式和交互性质，为实验教学带来新视角，创造真实的三维实验场景，

为STEAM教育的改革和创新开辟了新途径。

关键词：虚拟现实技术；STEAM教育；虚拟实验环境；图形化编程；Unity3D

I

Abstract

VirtualReality(VR)technology,bysimulatingreal-worldscenarios,introducesan

innovativeapproachtolearninginScience,Technology,Engineering,Arts,and

Mathematics(STEAM)education.ThisstudyintegratesSTEAMeducationalprinciples

withVRtechnologytodevelopanopen-sourcehardwarevirtualexperimentplatform

aimedatenhancingprogramminglogicandcreativitywhilefosteringanunderstanding

ofopen-sourcehardwareapplicationsamongstudents.

Toaddresstheneedsofprogrammingnovices,thestudyemploysastructured

approach,incorporatingtwelvebasicandtwoadvancedscenario-basedexperiments.The

basicexperimentsuseavirtualArduinoUNOmicrocontroller,varioussensors,and

modulestoguidestudentsfromelementa