虛擬仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

袁凱烽

摘 要： 通過(guò)對(duì)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(zhuān)業(yè)教學(xué)相結(jié)合，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)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(tái)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維形式的教學(xué)形式，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的虛擬一體化，滿(mǎn)足專(zhuān)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(tái)

通過(guò)對(duì)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(zhuān)業(yè)教學(xué)中，通過(guò)仿真技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)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(tái)、VR增強(qiáng)虛擬場(chǎng)景平臺(tái)、桌面式虛擬仿真平臺(tái)，將虛擬場(chǎng)景及虛擬設(shè)備與現(xiàn)用專(zhuān)業(yè)教學(xué)平臺(tái)知識(shí)體系相連接，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)仿真到現(xiàn)實(shí)、現(xiàn)實(shí)到仿真的交互體驗(yàn)式學(xué)習(xí)模式，有效解決物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)現(xiàn)實(shí)情景無(wú)法描述、硬件設(shè)備無(wú)法全部集成、教師專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(wèn)題。另外，通過(guò)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(zhuān)業(yè)，了解虛擬仿真技術(shù)。

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

1.物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)教學(xué)。

物聯(lián)網(wǎng)是一門(mén)這些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型應(yīng)用型學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)學(xué)生立足于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)類(lèi)知識(shí)培養(yǎng)體系，注重學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)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(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)知識(shí)面較廣，很難將真正專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的知識(shí)與實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏創(chuàng)新性與時(shí)代性，限制了學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，很難讓學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。各院校硬件設(shè)施不足的問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)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(shí)間交由學(xué)生與教師使用，促使專(zhuān)業(yè)老師與學(xué)生很難在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目教學(xué)過(guò)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(chǎng)景，但因場(chǎng)地及學(xué)校經(jīng)費(fèi)限制不可能沒(méi)個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都能創(chuàng)建體驗(yàn)場(chǎng)景，在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體驗(yàn)與物聯(lián)網(wǎng)集成實(shí)訓(xùn)只能針對(duì)部分領(lǐng)域進(jìn)行體驗(yàn)。這些因素都限制了物聯(lián)網(wǎng)在專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的突破性開(kāi)展。

2.虛擬仿真技術(shù)。

虛擬仿真，也稱(chēng)虛擬實(shí)境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是仿真技術(shù)與計(jì)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(mén)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(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)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(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等感知，甚至包括嗅覺(jué)和味覺(jué)等，也稱(chēng)為多感知。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛、手勢(shì)或其他人體行為動(dòng)作，由計(jì)算機(jī)處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的輸入，并分別反饋到用戶(hù)的五官。利用虛擬仿真技術(shù)把教學(xué)過(guò)程做成動(dòng)畫(huà)的形式，但是比動(dòng)畫(huà)多了互動(dòng)性和真實(shí)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(shí)際操作性非常強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)，如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等專(zhuān)業(yè)。

二、虛擬仿真技術(shù)在專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的架構(gòu)

利用虛擬仿真技術(shù)與計(jì)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(zhuān)業(yè)教學(xué)存在的硬件設(shè)備不足、真實(shí)程度不夠的問(wèn)題，構(gòu)建一種全新的仿真虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)及認(rèn)知模式。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)需求，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)主要包含桌面式虛擬仿真基礎(chǔ)平臺(tái)、行業(yè)典型應(yīng)用三維虛擬平臺(tái)和增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)平臺(tái)。

1.桌面式虛擬仿真基礎(chǔ)平臺(tái)。

桌面式虛擬仿真基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)，以二維桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備之前，可以從仿真系統(tǒng)中認(rèn)識(shí)、了解和熟悉這些常見(jiàn)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(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)及物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目場(chǎng)景應(yīng)用做好認(rèn)知基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)仿真提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)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(gè)人實(shí)操能力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合格率。

2.典型應(yīng)用三維虛擬平臺(tái)。

典型應(yīng)用三維虛擬平臺(tái)從物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層出發(fā)，通過(guò)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(shí)時(shí)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(shí)等方式進(jìn)行展示；同時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的各種請(qǐng)求，達(dá)到遠(yuǎn)程控制等要求，最終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)一站式管理，進(jìn)而構(gòu)建成高清、實(shí)時(shí)、全面的智能物聯(lián)網(wǎng)。平臺(tái)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(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中通過(guò)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(tái)的多種連接方式，對(duì)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(hù)等信息。虛擬仿真對(duì)某些特定的設(shè)備信息在三維場(chǎng)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(chǎng)景。

增強(qiáng)式虛擬場(chǎng)景以傳感器虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，以增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成，以典型物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目案例智慧農(nóng)業(yè)為現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，將本課程最終呈現(xiàn)場(chǎng)景展示給學(xué)生。利用VR技術(shù)模擬整個(gè)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(gè)物聯(lián)網(wǎng)集成項(xiàng)目的整體體驗(yàn)，學(xué)生可進(jìn)入模擬環(huán)境，對(duì)即將深入掌握的知識(shí)要點(diǎn)進(jìn)行體驗(yàn)、交流和互動(dòng)。學(xué)習(xí)者與虛擬環(huán)境場(chǎng)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(chǔ)，便于在后續(xù)課程中對(duì)個(gè)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(guò)程中，主要以方案設(shè)計(jì)論證、設(shè)備選型介紹、技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)等單一模塊進(jìn)行教學(xué)，缺乏物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目教學(xué)的創(chuàng)新性與實(shí)踐性，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)融入專(zhuān)業(yè)教學(xué)可改善教學(xué)過(guò)程，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。endprint

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

在基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)現(xiàn)有虛擬仿真平臺(tái)，教師進(jìn)行引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，通過(guò)平臺(tái)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(tái)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(chǎng)景對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)所一是再現(xiàn)在課堂上無(wú)法觀察到的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的變化過(guò)程，為學(xué)生提供生動(dòng)、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(shí)難點(diǎn)。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)揮創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的思路，發(fā)散思維，驗(yàn)證學(xué)生的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)思路過(guò)程，建立學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)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(xiàng)目場(chǎng)景實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用。

以真實(shí)項(xiàng)目為背景，以增加現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景為載體，以物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真基礎(chǔ)平臺(tái)中設(shè)備為實(shí)施部件，項(xiàng)目、場(chǎng)景、虛擬設(shè)備串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)集成項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行團(tuán)隊(duì)中的任務(wù)分配。對(duì)項(xiàng)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(jì)項(xiàng)目圖紙等集成項(xiàng)目的需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等。在物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺(tái)上選擇設(shè)備后并進(jìn)行連線(xiàn)，硬件開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)選型硬件程序并燒錄在虛擬硬件，測(cè)試并模擬運(yùn)行。軟件開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)上位機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端程序，通過(guò)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(tái)完成測(cè)試后，由模擬現(xiàn)場(chǎng)施工人增強(qiáng)虛擬場(chǎng)景中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行部署，對(duì)虛擬場(chǎng)景中各數(shù)據(jù)處理全部通信接口與真實(shí)軟件部分進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)真實(shí)項(xiàng)目、虛擬場(chǎng)景。

四、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)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(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)與強(qiáng)化現(xiàn)實(shí)技術(shù)互相結(jié)合，發(fā)揮行業(yè)應(yīng)用體驗(yàn)認(rèn)知、輔助教學(xué)作用，構(gòu)建整體物聯(lián)網(wǎng)集成平臺(tái)。VR虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)平臺(tái)，可以結(jié)合真實(shí)設(shè)備進(jìn)行組合式的解決方案配置，先以另一形式對(duì)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(yàn)。

2.學(xué)習(xí)主動(dòng)性與創(chuàng)新意識(shí)積極。

通過(guò)VR技術(shù)激活學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，創(chuàng)新開(kāi)展教育教學(xué)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。根據(jù)具體的行業(yè)應(yīng)用，選擇不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)體驗(yàn)，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(shí)的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中體驗(yàn)整個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景外控制設(shè)備體驗(yàn)，較傳統(tǒng)教學(xué)方式而言，場(chǎng)景式互動(dòng)體驗(yàn)更具趣味性，能迅速提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果從之前單純的被動(dòng)式接受改為主動(dòng)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(kāi)展VR技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)中的實(shí)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(zhuān)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(zhuān)業(yè)資源平臺(tái)，讓學(xué)生普遍養(yǎng)成通過(guò)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(shí)踐中成為學(xué)科整合研究的有力推動(dòng)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(shí)化方法，開(kāi)拓了教育技術(shù)的內(nèi)容，為物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)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(guò)程中的應(yīng)用將更加廣泛。

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