袁凱烽

摘 要： 通過對虛擬仿真技術(shù)的研究，利用虛擬仿真技術(shù)將傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)相結(jié)合，針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，搭建物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)平臺，構(gòu)建虛實結(jié)合的創(chuàng)新思維形式的教學(xué)形式，實現(xiàn)教與學(xué)的虛擬一體化，滿足專業(yè)教學(xué)要求，豐富教學(xué)內(nèi)涵，提高教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真 物聯(lián)網(wǎng) 教學(xué)平臺

通過對虛擬仿真技術(shù)研究，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)中，通過仿真技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場情景與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合，利用三維物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺、VR增強(qiáng)虛擬場景平臺、桌面式虛擬仿真平臺，將虛擬場景及虛擬設(shè)備與現(xiàn)用專業(yè)教學(xué)平臺知識體系相連接，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)仿真到現(xiàn)實、現(xiàn)實到仿真的交互體驗式學(xué)習(xí)模式，有效解決物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)現(xiàn)實情景無法描述、硬件設(shè)備無法全部集成、教師專業(yè)知識把握程度不夠、學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性低、教學(xué)效果差等問題。另外，通過虛擬仿真技術(shù)可以讓更多的人了解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，了解虛擬仿真技術(shù)。

一、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)

1.物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)。

物聯(lián)網(wǎng)是一門這些年來發(fā)展起來的新型應(yīng)用型學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生立足于計算機(jī)專業(yè)類知識培養(yǎng)體系，注重學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握、綜合素質(zhì)的提高和應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在高校學(xué)習(xí)過程中，物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)知識面較廣，很難將真正專業(yè)學(xué)習(xí)的知識與實際應(yīng)用聯(lián)系在一起，教學(xué)中主要停留在課堂上，以理論為主。此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更新速度快，現(xiàn)有實驗設(shè)備缺乏創(chuàng)新性與時代性，限制了學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新能力，很難讓學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。各院校硬件設(shè)施不足的問題，物聯(lián)網(wǎng)對傳感器部件、通信部件和RFID等部件所要的各部件較多，不可能有充足的時間交由學(xué)生與教師使用，促使專業(yè)老師與學(xué)生很難在物聯(lián)網(wǎng)項目教學(xué)過程中有共同進(jìn)步。物聯(lián)網(wǎng)所涉及領(lǐng)域多，部分高校雖然可以創(chuàng)建某一領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，但因場地及學(xué)校經(jīng)費(fèi)限制不可能沒個應(yīng)用領(lǐng)域都能創(chuàng)建體驗場景，在對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體驗與物聯(lián)網(wǎng)集成實訓(xùn)只能針對部分領(lǐng)域進(jìn)行體驗。這些因素都限制了物聯(lián)網(wǎng)在專業(yè)教學(xué)中的突破性開展。

2.虛擬仿真技術(shù)。

虛擬仿真，也稱虛擬實境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，是仿真技術(shù)與計算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬仿真技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計算機(jī)生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。感知是指理想的仿真應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動等感知，甚至包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢或其他人體行為動作，由計算機(jī)處理與參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并實時響應(yīng)用戶的輸入，并分別反饋到用戶的五官。利用虛擬仿真技術(shù)把教學(xué)過程做成動畫的形式，但是比動畫多了互動性和真實性，可以達(dá)到完全模擬的程度。虛擬仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，一方面可以彌補(bǔ)院校硬件設(shè)施的不足，改變以往的教學(xué)模式，另一方面可以提高學(xué)生上課的積極性，尤其是在一些實際操作性非常強(qiáng)的專業(yè)，如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等專業(yè)。

二、虛擬仿真技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中的架構(gòu)

利用虛擬仿真技術(shù)與計算機(jī)通信技術(shù)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)，可以有效解決物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)存在的硬件設(shè)備不足、真實程度不夠的問題，構(gòu)建一種全新的仿真虛擬教學(xué)實驗實訓(xùn)及認(rèn)知模式。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)需求，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)平臺主要包含桌面式虛擬仿真基礎(chǔ)平臺、行業(yè)典型應(yīng)用三維虛擬平臺和增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實體驗平臺。

1.桌面式虛擬仿真基礎(chǔ)平臺。

桌面式虛擬仿真基礎(chǔ)教學(xué)平臺，以二維桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其主要包含各種物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備，如傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)關(guān)、電源、RFID射頻設(shè)備、終端、其他外設(shè)等，使學(xué)生在未接觸硬件實驗設(shè)備之前，可以從仿真系統(tǒng)中認(rèn)識、了解和熟悉這些常見的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，了解并熟悉掌握物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層構(gòu)架，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)及物聯(lián)網(wǎng)項目場景應(yīng)用做好認(rèn)知基礎(chǔ)。同時對基礎(chǔ)仿真提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實操的熟練度，避免物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備因人為操作失誤而導(dǎo)致?lián)p毀，提高個人實操能力與實驗結(jié)果的合格率。

2.典型應(yīng)用三維虛擬平臺。

典型應(yīng)用三維虛擬平臺從物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層出發(fā)，通過物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)源采集和控制接口引擎實時采集各種傳感器等微設(shè)備的終端數(shù)據(jù)，以特定數(shù)據(jù)分析引擎進(jìn)行分析處理，再以圖表、文字、虛擬現(xiàn)實等方式進(jìn)行展示；同時響應(yīng)用戶的各種請求，達(dá)到遠(yuǎn)程控制等要求，最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)一站式管理，進(jìn)而構(gòu)建成高清、實時、全面的智能物聯(lián)網(wǎng)。平臺主要內(nèi)容包含物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集和控制接口、數(shù)據(jù)管理、三維數(shù)據(jù)虛擬仿真。在專業(yè)教學(xué)過程中通過物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備接口集成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與三維可視化智能物聯(lián)網(wǎng)管理平臺的多種連接方式，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，其中包括設(shè)備、模型、日志、用戶等信息。虛擬仿真對某些特定的設(shè)備信息在三維場景中進(jìn)行仿真效果渲染，從而達(dá)到直觀逼真的效果。

3.增強(qiáng)式虛擬場景。

增強(qiáng)式虛擬場景以傳感器虛擬仿真教學(xué)平臺，以增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)成，以典型物聯(lián)網(wǎng)項目案例智慧農(nóng)業(yè)為現(xiàn)實場景，將本課程最終呈現(xiàn)場景展示給學(xué)生。利用VR技術(shù)模擬整個大棚的數(shù)據(jù)采集模塊、智能控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊及機(jī)電模塊的整個物聯(lián)網(wǎng)集成項目的整體體驗，學(xué)生可進(jìn)入模擬環(huán)境，對即將深入掌握的知識要點(diǎn)進(jìn)行體驗、交流和互動。學(xué)習(xí)者與虛擬環(huán)境場景中的設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，提高趣味性，將整體在VR技術(shù)所呈現(xiàn)的信息進(jìn)行存儲，便于在后續(xù)課程中對個別模塊進(jìn)行復(fù)習(xí)。

三、虛擬仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中應(yīng)用體現(xiàn)

在以往的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)過程中，主要以方案設(shè)計論證、設(shè)備選型介紹、技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)等單一模塊進(jìn)行教學(xué)，缺乏物聯(lián)網(wǎng)項目教學(xué)的創(chuàng)新性與實踐性，通過虛擬仿真技術(shù)融入專業(yè)教學(xué)可改善教學(xué)過程，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。endprint

1.虛擬教學(xué)在專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用。

在基礎(chǔ)教學(xué)過程中，通過現(xiàn)有虛擬仿真平臺，教師進(jìn)行引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，通過平臺分析內(nèi)容，明確教學(xué)目標(biāo)，課后由學(xué)生選擇物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)模塊平臺各設(shè)備模塊進(jìn)行選擇性學(xué)習(xí)。利用增強(qiáng)式虛擬場景對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場所一是再現(xiàn)在課堂上無法觀察到的物聯(lián)網(wǎng)場景的變化過程，為學(xué)生提供生動、逼真的感性學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的知識難點(diǎn)。通過虛擬仿真平臺可以在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的思路，發(fā)散思維，驗證學(xué)生的項目開發(fā)思路過程，建立學(xué)生虛擬實驗室，通過虛擬現(xiàn)實的交互性和沉浸性，使學(xué)生在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演客觀角色，融入性更強(qiáng)，更有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。

2.虛擬教學(xué)在項目場景實訓(xùn)中的應(yīng)用。

以真實項目為背景，以增加現(xiàn)實場景為載體，以物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真基礎(chǔ)平臺中設(shè)備為實施部件，項目、場景、虛擬設(shè)備串聯(lián)，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)集成項目的開發(fā)。在開發(fā)過程中進(jìn)行團(tuán)隊中的任務(wù)分配。對項目進(jìn)行分析，提出功能需求、設(shè)備選型、技術(shù)準(zhǔn)備、設(shè)計項目圖紙等集成項目的需求分析、概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計等。在物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺上選擇設(shè)備后并進(jìn)行連線，硬件開發(fā)人員編寫選型硬件程序并燒錄在虛擬硬件，測試并模擬運(yùn)行。軟件開發(fā)人員編寫上位機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端程序，通過虛擬硬件端口接入物聯(lián)網(wǎng)集成軟件。各模塊功能在虛擬仿真平臺完成測試后，由模擬現(xiàn)場施工人增強(qiáng)虛擬場景中對物聯(lián)網(wǎng)項目進(jìn)行部署，對虛擬場景中各數(shù)據(jù)處理全部通信接口與真實軟件部分進(jìn)行通信，實現(xiàn)真實項目、虛擬場景。

四、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)

1.教學(xué)系統(tǒng)性，拓展性增強(qiáng)。

在虛擬教學(xué)中物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實訓(xùn)仿真平臺與強(qiáng)化現(xiàn)實技術(shù)互相結(jié)合，發(fā)揮行業(yè)應(yīng)用體驗認(rèn)知、輔助教學(xué)作用，構(gòu)建整體物聯(lián)網(wǎng)集成平臺。VR虛擬現(xiàn)實體驗平臺，可以結(jié)合真實設(shè)備進(jìn)行組合式的解決方案配置，先以另一形式對物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用及設(shè)備的提供認(rèn)知，為今后的教學(xué)提供便利，根據(jù)具體學(xué)生的學(xué)習(xí)階度，搭配不同的物理產(chǎn)品進(jìn)行配置化教學(xué)體驗。

2.學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)新意識積極。

通過VR技術(shù)激活學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動學(xué)生的積極性，創(chuàng)新開展教育教學(xué)活動，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。根據(jù)具體的行業(yè)應(yīng)用，選擇不同的應(yīng)用場景進(jìn)行互動體驗，如智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智慧交通等，學(xué)生進(jìn)入高仿真度的VR虛擬現(xiàn)實的行業(yè)應(yīng)用場景中體驗整個應(yīng)用場景外控制設(shè)備體驗，較傳統(tǒng)教學(xué)方式而言，場景式互動體驗更具趣味性，能迅速提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，實訓(xùn)教學(xué)效果從之前單純的被動式接受改為主動式吸收，提高教學(xué)效率。

3.提高學(xué)校軟硬件技術(shù)水平。

完善基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)軟硬環(huán)境，全面開展VR技術(shù)在教學(xué)活動中的實施，形成有特色、交互性強(qiáng)、形象逼真的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)VR教學(xué)硬環(huán)境及VR技術(shù)教育教學(xué)的教學(xué)軟性資源，構(gòu)建基于VR技術(shù)的學(xué)生自主學(xué)習(xí)專業(yè)資源平臺，讓學(xué)生普遍養(yǎng)成通過VR技術(shù)嘗試全新的教育教學(xué)的習(xí)慣，在探究學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)等方面取得突破。教師在教育教學(xué)實踐中成為學(xué)科整合研究的有力推動者，豐富和完善VR虛擬技術(shù)教學(xué)資源，推廣VR虛擬仿真學(xué)習(xí)型、探究型的校園氛圍。讓新理念成為學(xué)校校本教研發(fā)展的坐標(biāo)，形成VR技術(shù)教育文化環(huán)境，從整體上提高學(xué)校的教育教學(xué)信息化水平。

虛擬仿真技術(shù)為教育教學(xué)提供了豐富的現(xiàn)實化方法，開拓了教育技術(shù)的內(nèi)容，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)提供了良好的教學(xué)環(huán)境，相信隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其硬件設(shè)備成本降低，該技術(shù)在教育教學(xué)過程中的應(yīng)用將更加廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]燕浩鵬.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在旅游實驗教學(xué)體系中的應(yīng)用[J].教育與職業(yè)，2008（30）：155-156.

[2]孫凱.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物流實訓(xùn)教學(xué)中的作用[J].科技視界，2014（5）：210.

[3]黃榮懷，楊俊鋒，胡永斌.從數(shù)字學(xué)習(xí)環(huán)境到智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的變革與趨勢[J].開放教育研究，2012（1）：75-84.

[4]王靦.基于VR展示與交互的教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[5]朱帥，余小燕.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技文匯，2014（9）：98-99.endprint