虚拟仿真技术在物联网应用技术专业教学中的应用

袁凯烽

摘 要： 通过对虚拟仿真技术的研究，利用虚拟仿真技术将传统物联网专业教学相结合，针对物联网应用技术专业的教学特点，搭建物联网虚拟仿真教学平台，构建虚实结合的创新思维形式的教学形式，实现教与学的虚拟一体化，满足专业教学要求，丰富教学内涵，提高教学效率。

关键词： 虚拟仿真 物联网 教学平台

通过对虚拟仿真技术研究，将虚拟仿真技术应用到物联网专业教学中，通过仿真技术将物联网现场情景与传统教学手段相结合，利用三维物联网应用平台、VR增强虚拟场景平台、桌面式虚拟仿真平台，将虚拟场景及虚拟设备与现用专业教学平台知识体系相连接，结合互联网，实现仿真到现实、现实到仿真的交互体验式学习模式，有效解决物联网教学现实情景无法描述、硬件设备无法全部集成、教师专业知识把握程度不够、学生的学习积极性低、教学效果差等问题。另外，通过虚拟仿真技术可以让更多的人了解物联网应用技术专业，了解虚拟仿真技术。

一、物联网专业教学与虚拟仿真技术

1.物联网专业教學。

物联网是一门这些年来发展起来的新型应用型学科，物联网专业学生立足于计算机专业类知识培养体系，注重学生基础知识掌握、综合素质的提高和应用创新能力的培养。在高校学习过程中，物联网学习知识面较广，很难将真正专业学习的知识与实际应用联系在一起，教学中主要停留在课堂上，以理论为主。此外，物联网设备更新速度快，现有实验设备缺乏创新性与时代性，限制了学生的实践能力与创新能力，很难让学生对专业学习产生兴趣。各院校硬件设施不足的问题，物联网对传感器部件、通信部件和RFID等部件所要的各部件较多，不可能有充足的时间交由学生与教师使用，促使专业老师与学生很难在物联网项目教学过程中有共同进步。物联网所涉及领域多，部分高校虽然可以创建某一领域的物联网应用场景，但因场地及学校经费限制不可能没个应用领域都能创建体验场景，在对物联网技术体验与物联网集成实训只能针对部分领域进行体验。这些因素都限制了物联网在专业教学中的突破性开展。

2.虚拟仿真技术。

虚拟仿真，也称虚拟实境或灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟仿真技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的仿真应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势或其他人体行为动作，由计算机处理与参与者的动作相适应的数据，并实时响应用户的输入，并分别反馈到用户的五官。利用虚拟仿真技术把教学过程做成动画的形式，但是比动画多了互动性和真实性，可以达到完全模拟的程度。虚拟仿真在教学中的应用，一方面可以弥补院校硬件设施的不足，改变以往的教学模式，另一方面可以提高学生上课的积极性，尤其是在一些实际操作性非常强的专业，如物联网应用技术等专业。

二、虚拟仿真技术在专业教学中的架构

利用虚拟仿真技术与计算机通信技术构建的物联网虚拟教学系统，可以有效解决物联网专业教学存在的硬件设备不足、真实程度不够的问题，构建一种全新的仿真虚拟教学实验实训及认知模式。根据物联网专业需求，物联网虚拟仿真教学平台主要包含桌面式虚拟仿真基础平台、行业典型应用三维虚拟平台和增强式虚拟现实体验平台。

1.桌面式虚拟仿真基础平台。

桌面式虚拟仿真基础教学平台，以二维桌面式虚拟现实系统为基础，其主要包含各种物联网相关设备，如传感器、执行器、网关、电源、RFID射频设备、终端、其他外设等，使学生在未接触硬件实验设备之前，可以从仿真系统中认识、了解和熟悉这些常见的物联网设备，了解并熟悉掌握物联网相关设备与物联网感知层、网络层、应用层三层构架，为今后的专业学习及物联网项目场景应用做好认知基础。同时对基础仿真提高物联网设备实操的熟练度，避免物联网设备因人为操作失误而导致损毁，提高个人实操能力与实验结果的合格率。

2.典型应用三维虚拟平台。

典型应用三维虚拟平台从物联网的应用层出发，通过物联网终端设备数据源采集和控制接口引擎实时采集各种传感器等微设备的终端数据，以特定数据分析引擎进行分析处理，再以图表、文字、虚拟现实等方式进行展示；同时响应用户的各种请求，达到远程控制等要求，最终实现物联网一站式管理，进而构建成高清、实时、全面的智能物联网。平台主要内容包含物联网终端设备数据采集和控制接口、数据管理、三维数据虚拟仿真。在专业教学过程中通过物联网终端设备接口集成物联网设备与三维可视化智能物联网管理平台的多种连接方式，对各种数据进行有效的管理，其中包括设备、模型、日志、用户等信息。虚拟仿真对某些特定的设备信息在三维场景中进行仿真效果渲染，从而达到直观逼真的效果。

3.增强式虚拟场景。

增强式虚拟场景以传感器虚拟仿真教学平台，以增强式虚拟现实系统构成，以典型物联网项目案例智慧农业为现实场景，将本课程最终呈现场景展示给学生。利用VR技术模拟整个大棚的数据采集模块、智能控制模块、网络通信模块及机电模块的整个物联网集成项目的整体体验，学生可进入模拟环境，对即将深入掌握的知识要点进行体验、交流和互动。学习者与虚拟环境场景中的设备进行人机交互，提高趣味性，将整体在VR技术所呈现的信息进行存储，便于在后续课程中对个别模块进行复习。

三、虚拟仿真技术在物联网教学中应用体现

在以往的物联网教学过程中，主要以方案设计论证、设备选型介绍、技术开发实现等单一模块进行教学，缺乏物联网项目教学的创新性与实践性，通过虚拟仿真技术融入专业教学可改善教学过程，优化教学设计。endprint

1.虚拟教学在专业基础教学中的应用。

在基础教学过程中，通过现有虚拟仿真平台，教师进行引导式学习，通过平台分析内容，明确教学目标，课后由学生选择物联网基础模块平台各设备模块进行选择性学习。利用增强式虚拟场景对物联网应用场所一是再现在课堂上无法观察到的物联网场景的变化过程，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。通过虚拟仿真平台可以在学习过程中发挥创造性学习的思路，发散思维，验证学生的项目开发思路过程，建立学生虚拟实验室，通过虚拟现实的交互性和沉浸性，使学生在虚拟的学习环境中扮演客观角色，融入性更强，更有利于激发学生的创新热情。

2.虚拟教学在项目场景实训中的应用。

以真实项目为背景，以增加现实场景为载体，以物联网虚拟仿真基础平台中设备为实施部件，项目、场景、虚拟设备串联，实现对物联网集成项目的开发。在开发过程中进行团队中的任务分配。对项目进行分析，提出功能需求、设备选型、技术准备、设计项目图纸等集成项目的需求分析、概要设计、详细设计等。在物联网虚拟仿真平台上选择设备后并进行连线，硬件开发人员编写选型硬件程序并烧录在虚拟硬件，测试并模拟运行。软件开发人员编写上位机或物联网服务端程序，通过虚拟硬件端口接入物联网集成软件。各模块功能在虚拟仿真平台完成测试后，由模拟现场施工人增强虚拟场景中对物联网项目进行部署，对虚拟场景中各数据处理全部通信接口与真实软件部分进行通信，实现真实项目、虚拟场景。

四、虚拟仿真技术应用专业教学特点

1.教学系统性，拓展性增强。

在虚拟教学中物联网基础实训仿真平台与强化现实技术互相结合，发挥行业应用体验认知、辅助教学作用，构建整体物联网集成平台。VR虚拟现实体验平台，可以结合真实设备进行组合式的解决方案配置，先以另一形式对物联网行业应用及设备的提供认知，为今后的教学提供便利，根据具体学生的学习阶度，搭配不同的物理产品进行配置化教学体验。

2.学习主动性与创新意识积极。

通过VR技术激活学生的学习热情，调动学生的积极性，创新开展教育教学活动，培养学生的综合实践能力。根据具体的行业应用，选择不同的应用场景进行互动体验，如智慧农业、智能家居、智慧交通等，學生进入高仿真度的VR虚拟现实的行业应用场景中体验整个应用场景外控制设备体验，较传统教学方式而言，场景式互动体验更具趣味性，能迅速提高学生的学习积极性，实训教学效果从之前单纯的被动式接受改为主动式吸收，提高教学效率。

3.提高学校软硬件技术水平。

完善基于VR技术的虚拟教学软硬环境，全面开展VR技术在教学活动中的实施，形成有特色、交互性强、形象逼真的物联网应用技术专业VR教学硬环境及VR技术教育教学的教学软性资源，构建基于VR技术的学生自主学习专业资源平台，让学生普遍养成通过VR技术尝试全新的教育教学的习惯，在探究学习、自主学习等方面取得突破。教师在教育教学实践中成为学科整合研究的有力推动者，丰富和完善VR虚拟技术教学资源，推广VR虚拟仿真学习型、探究型的校园氛围。让新理念成为学校校本教研发展的坐标，形成VR技术教育文化环境，从整体上提高学校的教育教学信息化水平。

虚拟仿真技术为教育教学提供了丰富的现实化方法，开拓了教育技术的内容，为物联网专业教学提供了良好的教学环境，相信随着虚拟仿真技术的不断发展和成熟，其硬件设备成本降低，该技术在教育教学过程中的应用将更加广泛。

参考文献：

[1]燕浩鹏.虚拟现实技术在旅游实验教学体系中的应用[J].教育与职业，2008（30）：155-156.

[2]孙凯.虚拟现实技术在物流实训教学中的作用[J].科技视界，2014（5）：210.

[3]黄荣怀，杨俊锋，胡永斌.从数字学习环境到智慧学习环境的变革与趋势[J].开放教育研究，2012（1）：75-84.

[4]王腼.基于VR展示与交互的教学系统设计与实现[D].上海：上海交通大学，2013.

[5]朱帅，余小燕.虚拟现实技术在农业物联网专业教学中的应用[J].科技文汇，2014（9）：98-99.endprint