虛擬仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)應(yīng)用

朱陽(yáng) 邱飛岳

隨著虛擬仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)中的成熟應(yīng)用，能利用仿真技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)運(yùn)用情景和傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，構(gòu)建桌面式虛擬仿真平臺(tái)、三維物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，將虛擬設(shè)備、虛擬情景和教學(xué)知識(shí)體系相結(jié)合，為實(shí)踐教學(xué)的展開(kāi)提供條件，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。基于仿真技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，能解決教學(xué)效果差、物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)情景無(wú)法細(xì)致描述等問(wèn)題，促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)順利展開(kāi)。

1虛擬仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)中的架構(gòu)

采用虛擬仿真技術(shù)和通信技術(shù)建立物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，能解決教學(xué)實(shí)踐中存在的真實(shí)度不夠、硬件設(shè)施不足的問(wèn)題，形成新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和認(rèn)知模式，為學(xué)生提供充足的實(shí)踐教學(xué)機(jī)會(huì)，使其在實(shí)踐中加深自身印象。從物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)需要來(lái)看，基于仿真技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)應(yīng)注重桌面式仿真平臺(tái)、增強(qiáng)式仿真平臺(tái)、三維虛擬平臺(tái)的構(gòu)建。一是桌面式仿真基礎(chǔ)平臺(tái)，利用二維桌面式仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，包括傳感器、網(wǎng)關(guān)、執(zhí)行器、電源、終端射頻設(shè)備等，學(xué)生沒(méi)有接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備前，可利用仿真系統(tǒng)了解并認(rèn)識(shí)這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，為之后專業(yè)學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。二是增強(qiáng)式虛擬場(chǎng)景，是指利用傳感器虛擬仿真平臺(tái)，將典型的物聯(lián)網(wǎng)案例作為實(shí)際場(chǎng)景，直觀地向?qū)W生呈現(xiàn)課程內(nèi)容，并在VR技術(shù)應(yīng)用下模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)收集模塊、通信模塊和控制模塊，采取體驗(yàn)式教學(xué)模式，對(duì)即將講解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入體驗(yàn)和交流，并在人機(jī)交互中完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

2基于虛擬仿真技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1漸進(jìn)式教學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中要遵循由簡(jiǎn)到繁、由易到難的設(shè)計(jì)原則，使學(xué)生利用仿真平臺(tái)逐步掌握知識(shí)內(nèi)容，落實(shí)漸進(jìn)式學(xué)習(xí)計(jì)劃，并在掌握基礎(chǔ)教學(xué)知識(shí)的情況下進(jìn)行創(chuàng)新，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、加強(qiáng)教學(xué)效果的有效措施。仿真實(shí)驗(yàn)包括以下幾個(gè)階段：一是認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)，是指用仿真平臺(tái)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、仿真沙盤(pán)、三維仿真環(huán)境、元器件等內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)知識(shí)有一個(gè)初步認(rèn)知;二是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，該階段是基于仿真平臺(tái)進(jìn)行專項(xiàng)技能訓(xùn)練，加大學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)基本技能的掌握，例如WSN技術(shù)、RFID技術(shù)、編程技術(shù)等都可作為這一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需要，進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)后選擇相應(yīng)的傳感器組件、RFID組件來(lái)搭建虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在特定情境中加深學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)技能的掌握。學(xué)生還可利用系統(tǒng)中的測(cè)試功能檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)通信過(guò)程有一個(gè)具體了解;三是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這一階段學(xué)生會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)利用仿真平臺(tái)構(gòu)建應(yīng)用環(huán)境，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和流程規(guī)定，利用編程軟件進(jìn)行設(shè)備研發(fā);四是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容感興趣的學(xué)生，可在完成上述實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的情況下，利用仿真平臺(tái)提供的行業(yè)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備調(diào)整和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等，加強(qiáng)真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境的聯(lián)動(dòng)，通過(guò)應(yīng)用程序控制虛擬設(shè)備。

2.2虛擬教學(xué)模式在實(shí)訓(xùn)中的運(yùn)用

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)往往是根據(jù)真實(shí)項(xiàng)目，創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，在仿真平臺(tái)上進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行任務(wù)分配，主要任務(wù)包括項(xiàng)目分析、設(shè)備選型、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和技術(shù)準(zhǔn)備等。在仿真平臺(tái)上選擇需要的設(shè)備并連線，在虛擬仿真平臺(tái)中進(jìn)行硬件程序的測(cè)試和模擬運(yùn)行，各個(gè)模塊功能測(cè)試完成后，搭建虛擬場(chǎng)景。在教學(xué)實(shí)踐中，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)和現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，能發(fā)揮仿真平臺(tái)在輔助教學(xué)、加強(qiáng)體驗(yàn)認(rèn)知上的作用，打造物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)新局面，便于今后的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，并能加大對(duì)教學(xué)進(jìn)度的控制。

2.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性設(shè)計(jì)

現(xiàn)代教育環(huán)境中，要求教學(xué)內(nèi)容具有直觀性、形象性的特點(diǎn)，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及知識(shí)面較廣、設(shè)備操作復(fù)雜、技術(shù)原理較難，為了培養(yǎng)學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)興趣，要充分利用虛擬仿真平臺(tái)涉及趣味性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在操作過(guò)程中調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。例如在WSN實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生利用仿真系統(tǒng)模擬光照參數(shù)、濕溫度的變化，或由測(cè)試程序發(fā)動(dòng)指令到繼電器，用來(lái)控制電燈、電風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)的，通過(guò)模擬真實(shí)情境，使學(xué)生意識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)和現(xiàn)實(shí)生活的密切關(guān)聯(lián)，吸引學(xué)生注意力，達(dá)到理想的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)效果。另外，還可設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如在搭建智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分成上位機(jī)開(kāi)發(fā)、設(shè)備集成、移動(dòng)端開(kāi)發(fā)三個(gè)模塊，對(duì)班級(jí)學(xué)生進(jìn)行分組，分工負(fù)責(zé)，其中負(fù)責(zé)設(shè)備集成的小組成員要根據(jù)項(xiàng)目要求，在仿真平臺(tái)中選擇相應(yīng)的電源、標(biāo)簽類(lèi)型和閱讀器型號(hào)等，連接電纜和串口，以便達(dá)到智能管理系統(tǒng)的功能要求。上位機(jī)開(kāi)發(fā)方面，負(fù)責(zé)成員要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用C#開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行上位機(jī)程序、通信程序的開(kāi)發(fā)以及功能設(shè)計(jì)。而負(fù)責(zé)移動(dòng)端開(kāi)發(fā)的成員，要在開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)界面操作、物品統(tǒng)計(jì)及查詢等功能，之后將開(kāi)發(fā)完成的系統(tǒng)放在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中測(cè)試，在實(shí)踐操作中加強(qiáng)綜合項(xiàng)目訓(xùn)練。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中，能解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高、管理困難的問(wèn)題，采用豐富的教育資源能為學(xué)生提供直觀的實(shí)驗(yàn)情境，是創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式的有效措施。這種教學(xué)情境下，學(xué)生思維能力得到充分發(fā)展，并能幫助學(xué)生養(yǎng)成高效的學(xué)習(xí)方式，為教學(xué)信息化的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。