Web綜合布線虛擬仿真平臺的應用研究

滕振宇

摘要：隨著科學技術的不斷發展，各種先進的科學技術被應用到實訓教學領域，虛擬仿真平臺就是其中重要的一種，其應用可以有效提高教學質量、解決職業教學工位不足問題、減少布線教學成本、提升學生興趣和教學安全性。為確保應用效果，在應用過程中遵循了教學系統逼真性原則、系統研發中的模塊化原則、系統多功能與易操作控制原則、內容的真實與規范原則和符合教學應用要求原則。此外，在系統研發過程中，需要根據教學要求開展軟件系統研發，研發后的平臺軟件系統具有多元化的功能，且環境適用性較強，能夠滿足教學的需要。應用結果表明，Web的綜合布線虛擬仿真平臺的應用效果極為顯著，為此，建議相關院校借鑒Web綜合布線虛擬仿真平臺的應用經驗。

關鍵詞：Web;綜合布線;虛擬仿真平臺;平臺開發

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）12-0226-03

為做好布線技術仿真教學工作，提高教學實訓課程質量，解決當前實訓教學過程中存在的部分問題，教學技術研究人員結合基于web網絡系統，利用現有的網絡與信息技術資源開展了綜合布線虛擬仿真平臺研究，并將其應用到教學工作中。該平臺的開發一方面優化了理論課程與虛擬實訓、實踐操作之間的關系，實現了教學中教學理論與實操的有效結合;另一方面也為學生實際操作能力的提升提供了支持。因此，研究人員從實踐教學著手，結合技術與理論研究成果開展了平臺從研制到實際應用的研究。

1 平臺開發在教學中的作用

在教學中，仿真平臺可以發揮以下作用。

1.1 有效地提高教學質量

在仿真教學過程中，仿真平臺的應用可以有效地提高教學質量。這主要是由于仿真平臺在教學中具有以下的幾點優勢：一是仿真平臺可以有效提高學生對布線系統的感知性;二是會使學生產生對學習的沉浸感;三是系統可以與學生產生實時交互，與學生形成互動學習理念;四是平臺具有良好的真實性，便于學生理解能力的提升。

1.2 解決了職業教學工位不足問題

傳統的布線實訓教學中，工位不足，學生學習時間少、效率差是造成學生學習效果差的一個重要因素。使用虛擬仿真平臺后，學生可以使用計算機完成模擬實訓課程。這種教學方式有效地解決了實訓教學工位不足的情況，有效確保每個學生有充足的時間完成實訓課程。

1.3 有效地減少布線教學成本

仿真平臺的應用有效地降低實訓教學成本。其主要由以下兩方面因素決定。

第一，有效地減少了實訓材料與工具的成本。傳統的綜合布線教學實訓中，需要提供大量的布線材料與工具，教學完成后還需完成后期的清理工作，教學成本較高。采用仿真平臺后，計算機系統會模擬布線時使用的工具、材料以及布線空間，且其空間系統可以自動恢復，重復使用。這種教學模式的應用在學生完成實訓內容、充分了解操作流程與規范的同時，有效地降低了教學中支出和管理成本。

第二，信息系統自身的成本優勢。在仿真平臺的推廣中，可以使用院校自身的計算機硬件設備，系統更新換代所需的投資較小。同時平臺軟件系統可以通過系統更新，實現實訓工作虛擬環境要求，達到滿足院校與學生更多的教學需求。這種信息化技術的成本因素也是有效降低實訓教學成本的重要因素。

1.4 有助于提升學生學習興趣

傳統的布線教學實訓中，其內容較為簡單枯燥，難以引發學生的學習興趣。而仿真平臺在教學中采用了計算機系統布線中的模擬真實環境，提供了形象逼真的三維動畫、較多的色彩與教學背景音樂。這種信息化的教學方式，在為學生提供熟悉實訓的真實環境、完成實訓操作的同時，很好地提高了學生對實訓的學習興趣。

1.5 提高了教學中的安全性

實際布線工作中，需要完成“墻上爬高”“打線”等許多危險動作，給實訓帶來很多安全隱患。使用仿真教學平臺，利用計算機模擬操作完成這些危險工作，提高了教學中的安全性。

2 系統研發的主要原則

為確保仿真平臺系統在教學中起到應有的教學作用，系統研發人員在研發之前需確定研發遵循的主要原則。根據web綜合布線教學需求以及實訓課程特征，確定以下五個原則。

2.1 教學系統逼真性原則

為確保教學計劃順利完成以及學生實操水平的提升，系統研發中需要確保仿真呈現場景、設備、工具等形象逼真，保證學生對教學內容有身臨其境的感覺，使其形成能力意識、使用熱情以及實際操作興趣。

2.2 系統研發中的模塊化原則

平臺中各模塊間具有既相互關聯又相對獨立的特征，這決定了研發者在平臺框架研發中，應秉承模塊化與開放性的技術原則。其一可以保證平臺后期教學系統的可擴充性，實現系統軟件的增容與維護管理;其二通過模塊化提高了系統的兼容性。

2.3 系統多功能與易操作控制原則

在系統研發中，技術人員應在確保仿真效果的情況下，實現教學、管理等界面功能的多樣化及系統易操作等性能。如在研發中，技術人員應實現人與系統的交互操作體驗;系統操作界面的導航系統應簡潔明了，內容保證清晰、明確，操作簡單，以達到學生能在較短的培訓時間內掌握系統操作的目標。

2.4 內容的真實與規范原則

在平臺研發中，技術人員應從布線工作中的真實情況、操作規程以及工作流程等實際情況出發，嚴格遵守國家規定的操作與技術規范，充分體現平臺教學內容的真實與規范性，讓學生在學習中體驗真實的工作環境與規范要求，為實際操作的開展提供技術支持。

2.5 符合教學應用要求原則

平臺研發中的軟件系統與教學內容設計應貼合教材與教學實踐內容，并符合教學應用的要求。確保教師演示的授課內容與學生平臺中的學習內容相符，同時便于使用平臺對學生進行考核。

3 平臺軟件系統研發

在系統研發過程中，研發者首先需要根據教學要求開展軟件系統研發。主要工作集中在以下幾點。

3.1 軟件主要架構系統

在平臺軟件系統研發中，技術人員需利用信息化虛擬現實技術（VR-Virtual Reality），為使用者構建與實際操作空間逼真的三維環境，讓學生利用平臺輸入輸出設備與虛擬系統中仿真性內容（如環境、工具、材料等）實現信息交換，完成仿真學習過程。系統研發的軟件主要包括基礎支持層、數據庫與模型庫層、系統仿真層和系統應用層。其主要的結構如圖1所示。

1）平臺基礎支持層系統功能

平臺基礎支持層的主要作用是保障系統安全可靠運行。其在運行中主要包括了基礎軟件（如操作系統、網絡服務系統等）與網絡硬件系統（如服務器、路由器等）兩個主要組成部分。在實際的應用中，其主要的兩個運行體系包括了教學中應遵循的標準體系與環境體系。

2）平臺數據與模型庫系統功能

系統的數據與模型庫層是仿真教學開展的基礎層。主要功能包括以下兩個部分：一是系統數據庫系統。該系統利用字符形式，為平臺存儲各類信息文件，如平臺各類系統屬性信息、教師與學生等用戶信息、仿真教學使用的模型信息、教學中的各種操作記錄信息等;二是平臺模型庫系統。該系統主要用于存儲仿真虛擬場景中用到的各類模型數據，其存儲方式為文件的形式。平臺教學過程中，交易系統采用數據索引與元數據形式與數據庫鏈接，提取模型數據。

3）平臺軟件仿真層系統功能

系統仿真層是用于仿真教學的核心層面，也是系統研發的重點內容。系統的訪問界面，為系統提供了與外界數據服務和功能服務的接口，且具有與功能服務接口交換數據的功能。其主要功能包括實訓平臺與教學應用平臺，同時為教學與學生提供認知、練習、考核等各項服務。此外，該平臺還可以通過支持系統預留的服務接口，實現擴充教學數據、用戶與權限管理等操作。

4）平臺系統應用層功能

系統的應用層為學生提供實訓教學服務，提供各類教學功能模塊：如跳線制作、模塊端接、配線架端接等各項教學模塊。

3.2 軟件系統設計應具備的主要功能

在軟件系統研發中，研發者應根據仿真教學需求設計以下的幾個主要功能。

1）系統可在教學與日常運行中獲得仿真模型庫中的3D素材以及OpenGL等系統中的三維模型，將其發布至投影系統，完成教學內容的立體展示。

2）系統可在運行時將各類設計軟件在最短時間內同步到投影系統，完成教學過程中需要立體展示完成漫游、拆裝、剖切、測量等實訓動作，避免因格式另存、數據轉換等問題造成延遲現象。

3）系統可在運行中導入教學中常用的fbx、obj等三維格式數據。

4）系統的數據庫系統具有完善的數據壓縮格式，可實現工程、項目等文件的存儲功能。

5）模型庫與基礎支持系統可完成教學模型的復制與刪除功能。同時系統還應具有控制顯示模式（如教學平臺應用中的網格實體、隱藏顯示、居中顯示等）功能。

6）系統須有效支持模型設計與編輯功能，如在教學應用中教師可以根據教學內容完成模型姿態、紋理、材質屬性等內容的修改。

7）系統應具備較好的燈光系統，使教師在教學中可以根據教學內容進行實時陰影渲染。

3.3 仿真系統使用環境

在系統研發中，設計者應重視系統的使用環境設計，使用戶可以完成以下工作：一是學生使用環境。學生在仿真教學環境中盡快掌握接線實訓的知識點與實際操作能力，最快了解與掌握接線中主要工具，在實訓過程中充分體驗需要了解的知識點與接線過程中的基本技巧，在考核模式中，學生可以獨立規范的完成接線作業流程;二是教師使用環境。教師在仿真教學環境中可以對學生實訓過程進行觀察，同時通過系統后臺查看學生實訓成績等信息。

系統研發中主要包括PC與VR頭盔兩個使用環境。其中PC環境主要功能是實現教學系統與平臺管理系統之間的數據通信，實現將學生學習過程信息反饋到后臺管理系統，為后期查閱與分析提供服務。

3.4 軟件應用功能模塊設計

在平臺系統研發中，研發者利用模塊化設計理念設計出系統主要應用功能。其主要的應用模塊如圖2所示。

1）練習模式模塊功能

在練習模式模塊中，學生通過對應模塊的選擇，完成跳線、光纖熱熔、大對數端接等實訓的學習，并且每個教學模塊都會存儲一套實訓教學內容供學生實訓練習使用。該模塊的主要操作方式包括以下幾點：一是操作模擬功能。即在實訓中，學生根據系統提示選擇工具與耗材，完成實操練習。平臺下方給出操作步驟，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，并提供操作完成進度提示，確保學生訓練工作的順利完成。二是對學生的操作結果進行判斷與提示，如操作正確，系統直接進入下一訓練內容;操作錯誤系統提供提示信息，指導學生進行重新操作。三是對學生提供“幫助”功能，即在訓練中切入認知模塊，輔助學生完成訓練過程。

2）考核模式模塊功能

在考核模式模塊中，共預設三套綜合考題，考生通過UI界面進入考核模塊。 考核前，系統隨機選擇一套作為考核內容。考核中，學生根據考核系統提供的施工圖流程規范化的完成實操步驟。

與練習模式不同，考核模式在實際應用中不對操作進行提示，當前步驟操作結束，將直接進入下一步操作，同時將操作錯誤故障點錄入系統。當學生全部操作均完成后，系統直接給出考核成績。同時，教師可通過系統后臺掌握學生操作錯誤點和考試成績。

3）認知模式模塊功能

認知模式模塊是為教學練習與考核提供的輔助學習系統，主要是利用三維模型與文字描述方式為學生學習提供仿真的工具設備與所需耗材。在模塊中，學生可通過文字性描述信息、360度模型自由旋轉或動畫模擬等功能開展設備與工具的使用學習。

在實際的學習過程中，這一模式的應用主要是利用VR版完成。方式一是進入認知系統模塊，通過點擊擺放在陳列柜中的工具模型，開展學習;方式二是在練習模式中，學生可以利用臨時單擊模式，切換模塊進行工具與耗材使用學習。

3.5 平臺研發中的主要軟件系統技術

在平臺研發中，設計時需要實現以下功能：一是支持系統中三維設計建模系統、虛擬協同設計系統的融合，同時確保各系統模塊和設備設計與平臺設計數據有效兼容;二是為教學中的多平臺間大數據教學提供支持，形成實訓中的一體化立體顯示與人機互動，使學生形成良好的訓練與學習體驗。為實現上述功能，此次研發軟件系統主要采用DVS3D系統。

3.6 虛擬頭盔選擇

平臺研發中VR頭盔選擇的是HTC Vive。其主要的技術參數如下：屏幕刷新率90Hz;系統的組合分辨率2160×1200;支持360°移動追蹤功能;設備自帶2臺激光定位器與交互控制器;具有32個頭戴式設備感應器與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15×15英尺。

4 平臺在教學中的應用效果

4.1 學生在平臺應用中的效果

教學過程中，平臺的應用對學生的學習起到以下效果。

1）平臺在學生訓練過程中提供游戲式場景與操作模式，可讓學生對實際的布線場景產生充分了解，并通過仿真模型進行模擬操作，為學生實際技能水平的提升提供了保障。

2）系統平臺很好地解決了實際操作中人力物力支出大的問題，通過學生批量訓練模式提高學生實際操作能力。

3）平臺教學利用興趣教學模式，節約了實訓操作時間，有效地提高學生學習效率。

4.2 教師在平臺應用中的效果

在教學實踐中，教師利用平臺教學應用模式，起到以下效果：

1）通過模型與實訓現場設計，提高了教師對教學環境的掌控能力。

2）利用平臺信息化優勢，更好地掌握學生實際操作能力以及對知識點掌握情況。

3）可以對學生開展全面與多樣化的實訓教學過程，提高學生的整體實操能力。

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【通聯編輯：朱寶貴】