宋雪　張志勇

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)概論是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課程。掌握這門課程對(duì)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)非常重要。這門課程內(nèi)容復(fù)雜多樣，并且很多抽象的概念不易理解，實(shí)驗(yàn)操作的損耗較大。這些問題對(duì)廣大的教育單位都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題，本研究提出了使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概論實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模仿真，讓學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的情境環(huán)境中和教師交互學(xué)習(xí)，既可以實(shí)際解決上述問題，還可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在探索中完成對(duì)課程的學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)概論;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);課程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.179

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念及發(fā)展

隨著信息技術(shù)的廣泛發(fā)展，人們的生活方式也在不斷的改變，人們的思維方式和學(xué)習(xí)方式也都在提高和進(jìn)步。進(jìn)入21世紀(jì)，信息化是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，信息化發(fā)展是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革的重要力量[1]。由此，信息技術(shù)開始不斷推動(dòng)不同領(lǐng)域的發(fā)展，如政治領(lǐng)域、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和教育領(lǐng)域等。現(xiàn)如今，信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)越來越完善，各方面都有著飛一般的進(jìn)步，尤其在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是通過計(jì)算機(jī)來模擬出一些需要展現(xiàn)的立體空間場(chǎng)景。VR技術(shù)是當(dāng)前模擬仿真技術(shù)的最高點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要借助計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件等信息技術(shù)手段，來有效的模擬人在自然環(huán)境中認(rèn)識(shí)和感知世界的交互性行為，通過人們豐富的想象力來創(chuàng)造需要進(jìn)入的虛擬空間，使人們可以在虛擬空間中進(jìn)行溝通、學(xué)習(xí)和重新創(chuàng)造。現(xiàn)如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，并且某些領(lǐng)域都有了相對(duì)成熟的應(yīng)用成果，在游戲方面更是有了很深入的研究，但是VR技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)趨于極限，在此之上還可以將AR、MR技術(shù)加入到教育領(lǐng)域進(jìn)行研究，會(huì)給學(xué)生帶來更加生動(dòng)逼真的場(chǎng)景互動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與理解達(dá)到我們預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。

2 VR在高校物聯(lián)網(wǎng)概論課程中的應(yīng)用

2.1 在國內(nèi)學(xué)校教育VR技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)引起了有關(guān)部門和科學(xué)家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情制定了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究，在學(xué)校教育培訓(xùn)中也發(fā)揮了級(jí)其重要的作用。北京自動(dòng)化工程學(xué)校于2017年9月與北京知感科技有限公司合作，建設(shè)知感VR虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心，推進(jìn)VR智慧教學(xué);錦州師范高等專科學(xué)校于2018年12月參與學(xué)前教育VR虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目;固原市特殊教育學(xué)校于2019年1月向政府申請(qǐng)VR超級(jí)教室設(shè)備采購;新東方學(xué)校于2015年創(chuàng)設(shè)實(shí)施虛擬教學(xué)英語教室;百度公司于2017年在貧困山區(qū)的學(xué)校內(nèi)創(chuàng)設(shè)了VR虛擬教室。從上面的內(nèi)容看來，國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在教育研究上主要還是學(xué)前教育和部分職業(yè)教育，在大學(xué)科目上應(yīng)用還是極少的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展只是其中的一部分，游戲領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域方面的發(fā)展更加深遠(yuǎn)，并且會(huì)獲得越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今社會(huì)的多樣性和互通性導(dǎo)致了其他領(lǐng)域的發(fā)展都可以加入叫教育中，如，地理上的虛擬建模就可以應(yīng)用到地理教學(xué)中，歷史中的建模還原可以應(yīng)用到歷史教學(xué)中，這些都意味著VR技術(shù)可以在教育領(lǐng)域中有著更廣闊的研究發(fā)展空間。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)概論課程在VR情境教學(xué)對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)教學(xué)中，最初講物聯(lián)網(wǎng)課程時(shí)，很多學(xué)生對(duì)這門課程的內(nèi)容是不了解的，并且認(rèn)為學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)概論是一件很難的事情。這由于在之前的學(xué)習(xí)中，他們沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，或者因?yàn)榻逃讲煌?，使得學(xué)生接受的教育不同，學(xué)習(xí)掌握的知識(shí)也就不同。不僅如此，物聯(lián)網(wǎng)概論中有些內(nèi)容教學(xué)很抽象，理論知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容相差較大，導(dǎo)致很多學(xué)生掌握了理論知識(shí)卻無法完成實(shí)踐操作。在以往的教學(xué)中，教師在實(shí)驗(yàn)室使用實(shí)驗(yàn)器材教學(xué)生來掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師在講臺(tái)演示一遍，讓學(xué)生直觀的掌握所學(xué)的知識(shí)。可是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，會(huì)使一部分學(xué)生接收困難，并且在看過一遍后，自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候出現(xiàn)諸多問題，并且實(shí)驗(yàn)器材會(huì)有損耗，也會(huì)影響實(shí)踐操作。而且從具身認(rèn)知的角度出發(fā)，傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)方式與人類認(rèn)識(shí)的基本規(guī)律相違背，不能幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)內(nèi)化，學(xué)生自然也就無法真正理解和掌握所學(xué)知識(shí)[2]。

然而，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，可以給學(xué)生提供更加精確的指導(dǎo)，也可以輔助教師教學(xué)。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸式的特點(diǎn)和直觀的臨場(chǎng)感可以讓學(xué)生自主投入到學(xué)習(xí)中，將被動(dòng)換為主動(dòng)學(xué)習(xí)。情境式學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識(shí)是學(xué)習(xí)者在特定情境下主動(dòng)構(gòu)建的，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與情境之間的動(dòng)態(tài)互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正好適合這一理論，利用VR技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)虛擬空間，我們有教師VR授課系統(tǒng)和學(xué)生的VR頭顯，學(xué)生戴上VR頭顯就可以進(jìn)入到這個(gè)虛擬教學(xué)空間中，我們可以將這個(gè)環(huán)境設(shè)計(jì)成一個(gè)可以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)境，并將實(shí)驗(yàn)器材都展現(xiàn)在這個(gè)空間內(nèi)，教師可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容清晰的展示給所有的學(xué)生，并對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容隨時(shí)檢查、糾正，可以細(xì)致的查找出實(shí)驗(yàn)動(dòng)作的規(guī)范性和準(zhǔn)確性。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果定期向教師反饋，便于教師對(duì)學(xué)生對(duì)整學(xué)期的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制與規(guī)劃。學(xué)生在這樣的教學(xué)環(huán)境中，比較容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，有利于學(xué)生對(duì)各種元器件以及實(shí)驗(yàn)的工作方式掌握和理解，并且對(duì)今后物聯(lián)網(wǎng)概論課程有著一定的指導(dǎo)意義。

3 按鍵切換LED等變換實(shí)驗(yàn)操作實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍R虛擬教學(xué)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分別在17級(jí)、18級(jí)物聯(lián)網(wǎng)概論課程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析。

本次案例目的是使學(xué)生掌握按鍵切換LED工作原理及方法，使用Arduino編寫程序、編譯和下載程序。實(shí)驗(yàn)器材需要UNO開發(fā)板一套，三色燈，按鍵，LED220歐電阻，連線若干，C++程序設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境，ArduinoIDE集成開發(fā)環(huán)境。VR技術(shù)需要HTC VIVE Rro專業(yè)版VR頭盔，曼恒VR開發(fā)環(huán)境。

首先，使用VR技術(shù)軟件和硬件將實(shí)驗(yàn)器材掃描建模，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的C++程序設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境連接到VR虛擬環(huán)境中。

其次，教師演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并教會(huì)學(xué)生掌握按鍵切換LED工作原理。

最后，驗(yàn)收學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果，是每次按下LED按鍵都會(huì)切換一種顏色，依次為紅、綠、藍(lán)、黃、紫、青、白。

3.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施結(jié)果分析

在17級(jí)物聯(lián)網(wǎng)概論課程教學(xué)中，未使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)環(huán)境時(shí)，班級(jí)共計(jì)80人，實(shí)驗(yàn)掌握程度48人、實(shí)驗(yàn)完成程度50人、錯(cuò)誤程度60人、學(xué)生參與程度70人、簽到率76人，其中實(shí)驗(yàn)掌握率為60%、實(shí)驗(yàn)完成率為62%、錯(cuò)誤率為75%、學(xué)生參與率為87%、簽到率為95%。

在18級(jí)物聯(lián)網(wǎng)概論課程教學(xué)中，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)環(huán)境時(shí)，班級(jí)共計(jì)86人，實(shí)驗(yàn)掌握程度70人、實(shí)驗(yàn)完成程度76人、錯(cuò)誤程度40人、學(xué)生參與程度86人、簽到率86人，其中實(shí)驗(yàn)掌握率為81%、實(shí)驗(yàn)完成率為88%、錯(cuò)誤率46%、學(xué)生參與率為100%、簽到率為100%。對(duì)比如圖1所示：

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，給教育領(lǐng)域提供了一種新的打開方式，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)概論課程的教學(xué)中在國內(nèi)外都極少應(yīng)用，這種虛擬環(huán)境教學(xué)的上課模式，及有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握，探索學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣與愛好，發(fā)展學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，可以給更多對(duì)想學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)概論卻又毫無頭緒的學(xué)生提供有效的幫助。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將成為教育領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)之一，能夠進(jìn)一步推進(jìn)教育的改革發(fā)展，全面提高教育教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.2006-2020年國家信息化發(fā)展攻略[M].

[2]殷明，劉電芝.身心融合學(xué)習(xí)：具身認(rèn)知及其教育意蘊(yùn)[J].課程·教材·教法，2015，35（07）：57-65.

作者簡介：宋雪（1994-），女，吉林長春人，研究生，研究方向：職業(yè)技術(shù)教育。