房忠東

（江蘇省邗江中等專業(yè)學校，江蘇 揚州225124）

為了解決《網(wǎng)絡綜合布線技術》課程實訓教學過程中的一系列問題，我校與上海曼恒數(shù)字技術股份有限公司合作開發(fā)了網(wǎng)絡綜合布線虛擬仿真系統(tǒng)。該平臺通過虛擬仿真方式，根據(jù)專業(yè)發(fā)展趨勢與國家職業(yè)標準，優(yōu)化了課程與虛擬實訓、實踐操作相結合的教學體系，讓學生可以突破時空局限從真實的視角和情境去認識和了解網(wǎng)絡布線所使用到的各種工具、耗材，切身體驗各模塊的完整操作流程，詳細了解并掌握操作要點，培養(yǎng)學生按照國家行業(yè)標準進行操作的習慣，記錄學生的學習過程，并對學生的學習情況進行分析匯總。

一、開發(fā)目的

1.有利于解決工位不足的問題

過去實訓時幾個學生共用一臺設備，學生操作的工位嚴重不足，實訓效率大打折扣，教學效率得不到提高。

采用網(wǎng)絡綜合布線虛擬仿真平臺進行教學時，每位學生均在計算機上進行模擬實訓操作，不受時間、空間的限制，實訓效率大大提高。

2.有利于降低實訓成本

采用網(wǎng)絡綜合布線虛擬仿真平臺進行實訓教學時，無需消耗任何工具和材料，且可以不受時空限制，多次反復模擬實訓，讓學生充分了解實訓內(nèi)容、掌握操作流程、熟悉操作規(guī)范。虛擬仿真實訓具有其真實性、豐富性、交互性和易更新性等特點，不需要大量硬件設備的投入以及硬件設備的更新?lián)Q代，教學內(nèi)容可以在虛擬環(huán)境中隨著新技術的發(fā)展進行不斷更新，滿足不斷變化的教學需求。

3.有利于激發(fā)學生學習興趣

學生對簡單機械、枯燥乏味的實訓教學提不起興趣，絕大多數(shù)學生不愿意學、不想學，沒有學習興趣。虛擬仿真實訓教學環(huán)境可以模擬真實的環(huán)境、形象逼真的三維動畫、豐富的色彩和音樂，有利于提前熟悉實訓的真實環(huán)境，熟悉掌握操作技能，了解操作規(guī)范，大大激發(fā)了學生的學習興趣。

4.有利于解決安全性問題

綜合布線實操時，在雜亂無章的工地上，仿真“墻上爬高”、“打線”等許多操作，均有一定的危險性。采用仿真教學時，學生完全是在計算機前進行操作，有效避免安全事故的發(fā)生。

二、開發(fā)原則

1.高度逼真性原則

平臺內(nèi)的場景、設備、工具等形象逼真，使用者有身臨其境之感，能夠提高學生的專業(yè)意識、使用熱情和學習興趣。

2.模塊化設計原則

本平臺框架設計上遵循模塊化、開放性原則，平臺先期開發(fā)了17個模塊，這些模塊之間有關聯(lián)也相互獨立，以保證本仿真系統(tǒng)后期的可擴充性，便于軟件后期的增容和維護。

3.多功能性、易操作性原則

采用恰當?shù)墓δ茉O計，增強用戶的交互操作體驗；用戶操作界面友好，導航簡潔、清晰、明確，學生可在簡單培訓后自主學習使用。

4.嚴格按照國家操作規(guī)范原則

仿真內(nèi)容的實現(xiàn)形式、操作方式、工作流程等，嚴格遵循國家網(wǎng)絡綜合布線相關的操作規(guī)范和專業(yè)技術要求。學生通過學習即可掌握這些操作規(guī)范，為實際操作打下堅實基礎。

5.切合教學應用原則

軟件設計貼合教學實際，可用于教師的演示授課，也可用于學生的課堂練習，還可以對學生進行教學考核。

三、平臺介紹

1.系統(tǒng)軟件架構

計算機網(wǎng)絡綜合布線虛擬仿真實訓系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術（VR-Virtual Reality）構建出一個逼真的三維環(huán)境，學生通過計算機輸入輸出設備跟虛擬世界中的實體進行信息交換，產(chǎn)生仿真結果。讓學生在三維環(huán)境中學習網(wǎng)絡綜合布線作業(yè)。按照應用軟件的架構層級，本系統(tǒng)總體分為 “系統(tǒng)支撐層”、“數(shù)據(jù)庫及模型庫層”、“系統(tǒng)仿真層”和“系統(tǒng)應用層”四大層級。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

（1）基礎支撐層

基礎支撐層是系統(tǒng)安全可靠運行的支撐與保障，包括與系統(tǒng)建設相關的法規(guī)及標準體系和運行環(huán)境體系兩部分。運行環(huán)境體系包括機房基礎設施、硬件及網(wǎng)絡、系統(tǒng)軟件、安防及備災等。

（2）數(shù)據(jù)庫與模型庫

數(shù)據(jù)庫與模型庫是虛擬仿真實驗項目的基礎，它包括兩部分的內(nèi)容，其中數(shù)據(jù)庫中主要以字段的形式存放相關屬性信息、用戶信息、模型信息、操作記錄信息等數(shù)據(jù)；模型庫中既包含了虛擬場景中所用到的模型數(shù)據(jù)，模型庫中的信息通常以文件的形式進行存儲，通過索引和元數(shù)據(jù)的形式與數(shù)據(jù)庫相關聯(lián)。

（3）系統(tǒng)仿真層

系統(tǒng)仿真層是虛擬仿真實驗項目建設的核心內(nèi)容，它以平臺門戶系統(tǒng)為統(tǒng)一訪問界面，對外提供數(shù)據(jù)服務接口和功能服務接口。用戶既可以通過支撐平臺所提供的功能完成相關認知、練習、考核等工作，又可以利用支撐平臺所保留的接口功能，完成數(shù)據(jù)添加、用戶與權限管理等操作。

（4）系統(tǒng)應用層

系統(tǒng)應用平臺建立在數(shù)據(jù)支撐平臺之上，根據(jù)平臺歸納，分為以下功能模塊：

系統(tǒng)應用層整體來說可分為跳線制作、模塊端接、配線架端接、測試鏈路制作、永久鏈路制作、大對數(shù)端接、機柜安裝、管卡安裝、線管制作、線槽制作、穿線操作、底盒安裝、TV同軸線纜操作、大對數(shù)端接、FD-BDCD之間鏈接、光纖冷接、光纖熱熔等17個模塊。

2.使用環(huán)境

通過虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，學生可以在虛擬環(huán)境中了解作業(yè)過程中的知識點，查看作業(yè)中所涉及的工具：在練習模式中體驗17個實驗知識點，掌握作業(yè)的基本技巧；在考核模式中完成整個作業(yè)流程。教師可以通過后臺查看學生的成績記錄，系統(tǒng)包括兩個版本：PC版和VR頭盔版，其中PC版與平臺管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，能夠將用戶信息及成績信息反饋到后臺管理系統(tǒng)，老師可查閱分析。

3.系統(tǒng)軟件應用

平臺使用時，學生、老師通過輸入用戶名和密碼登錄系統(tǒng)。登錄后的主界面，包括了練習模式、考核模式、認知模式三大模塊。

（1）練習模式

選擇練習模式后，出現(xiàn)制作跳線、光纖熱熔、大對數(shù)端接、模塊端接、配線架端接等17個訓練模塊，如圖2所示，每個訓練模塊有一套題目供學生練習。

圖2 17個訓練模塊

學生在操作時，平臺中間下方給出操作步驟，平臺左右兩側給出本模塊所有需要使用到的耗材和工具，供學生選擇。在每一步操作前，平臺會給出下一步的操作提示，提示內(nèi)容包含使用什么工具、材料或者采用什么方法等信息，幫助初學者快速掌握操作方法。平臺還顯示當前已經(jīng)完成的進度狀態(tài)，幫助學生從整體上掌握操作流程和操作步驟。

如果學生操作正確，則直接進入下一步操作。如學生操作不正確，系統(tǒng)將給出錯誤操作的提示，重新操作，直到操作正確方可進入下一步。如果實在不會操作，還可以求助于“幫助”功能再詳細學習。

對于水晶頭、配線架等立體感較強的設備或工具，在操作過程中，可以實現(xiàn)對其進行放大、上下左右查看、360度空間自由旋轉等，查看操作過程中的各種狀態(tài)，使學生全面、細致地了解每個操作步驟和過程。

（2）考核模式

在考核模式中，系統(tǒng)設置了三套考題?？己藭r系統(tǒng)隨機抽選一套，學生會根據(jù)系統(tǒng)給出的施工圖完成流程中的每個步驟，在VR版中也會有UI界面提供給學生進入考核模塊。在考核模式中，學生每一步操作完成后，不論操作正確與錯誤都直接進入下一步操作，操作錯誤將不會再被提示，系統(tǒng)會自動記錄下錯誤的故障點，直到全部操作完成后，才會公布考核成績，PC端老師可以通過后臺了解學生操作時的錯誤點以及總成績。

（3）認知模式

認知模式是以三維模型和文字描述的形式呈現(xiàn)實訓中所用的工具設備和所需耗材。學生可以進行文字學習，還可360度自由旋轉查看,部分工具還可以采用動畫演示。在VR版中，學生可以通過點擊擺放在陳列柜里的工具，使用手柄交互360度查看工具模型。當然學生在練習模式下對于還不太熟悉的工具或耗材還可以臨時單擊來學習。

4.系統(tǒng)開發(fā)平臺

該系統(tǒng)支持融合三維設計建模平臺、虛擬協(xié)同設計平臺在相關設備設計和實訓室設計相關數(shù)據(jù)的完美兼容，解決了多平臺間大數(shù)據(jù)的一體化立體顯示，通過人機交互解決實訓室與設備之間的運作布局、相互關系等，能夠輔助教學，支持實時的交互漫游與操作，讓學生能夠帶上頭盔就達到親臨現(xiàn)場的效果。

系統(tǒng)軟件部分主要由DVS3D（Design&Virtual Reality&Simulation，協(xié)同設計仿真交互平臺）解決大數(shù)據(jù)的一體化立體顯示和協(xié)同設計的交互。DVS3D可直接實時獲取多種3D輔助設計軟件數(shù)據(jù)內(nèi)容，無需數(shù)據(jù)轉化，減少數(shù)據(jù)損壞或丟失，可以自由地搭建3D虛擬場景，快速制作顯示效果；結合3D立體沉浸式投影系統(tǒng)和交互設備，具備協(xié)同設計、可視管理、實時交互等特點。

5.虛擬現(xiàn)實頭盔

我們采用的頭盔是HTC Vive。屏幕刷新率為90Hz，搭配兩個無線控制器，并具備手勢追蹤功能。

HTC Vive主要參數(shù)：組合分辨率為2160 x 1200；刷新率為90幀每秒；支持360°移動追蹤；2臺激光定位器；2臺交互控制器；32個頭戴式設備感應器；24個操控手柄感應器；支持兩個軸線方向上精確定位頭部旋轉；旋轉精確度可達1/10度；追蹤物理位置最大為15 X 15英尺。

四、建設成效

1.學生在學習上取得的成效

（1）采用游戲式的場景，讓學生能夠身臨其境地進入綜合布線場景，并十分投入地完成全程各個環(huán)節(jié)，從而獲得所需知識，形成相應技能。

（2）采用仿真系統(tǒng)和虛擬仿真頭盔兩種模式，解決學生批量實驗實習的需求和高仿真度的場景模擬。

（3）學生在仿真實訓操作時更有興趣、更容易集中注意力，節(jié)約了學習時間，提高了學習效率。

2.教師在教學上取得的成效

（1）真實地展示了實踐操作的全過程，加強了教師駕馭現(xiàn)場教學的能力。

（2）讓學生充分掌握操作方法、理解操作規(guī)范，便于教師現(xiàn)場指導學生掌握技能。

（3）17個模塊的建立，真實再現(xiàn)了綜合布線的每一個環(huán)節(jié)，讓學生了解了每個環(huán)節(jié)的內(nèi)容及細節(jié)，讓教學過程更靈活多樣。

五、平臺展望

下一步，我們將不斷優(yōu)化《網(wǎng)絡綜合布線技術》課程虛擬仿真實驗實訓平臺，期望加入江蘇省教育廳組織的中等職業(yè)學校信息化綜合實訓平臺建設，將此平臺作為中等職業(yè)學校學業(yè)水平考試計算機網(wǎng)絡技術專業(yè)技能虛擬仿真考核平臺。另外，我們將努力實現(xiàn)實訓平臺的網(wǎng)絡化在線學習、考核，學生可以在校內(nèi)外、課內(nèi)外進行學習，突破時間、空間的限制，同時開發(fā)出更多的虛擬工具和場景，引領綜合布線教學改革和資源建設，建立教學和資源融為一體的全面、系統(tǒng)的教學體系。