數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)在高職物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中的探索

摘? 要：高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)是人才培養(yǎng)中必不可少的環(huán)節(jié)，在有些場(chǎng)景下實(shí)訓(xùn)室無法滿足實(shí)訓(xùn)要求。文章合理利用數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)，將數(shù)字化技術(shù)與線下教學(xué)融合，借助虛擬仿真平臺(tái)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索，全過程展示智慧大棚的認(rèn)知、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)備學(xué)習(xí)、智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模擬搭建以及系統(tǒng)應(yīng)用模擬。研究表明，數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)有助于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)踐教學(xué)；數(shù)字孿生；虛擬仿真

中圖分類號(hào)：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）24-0183-06

Exploration of Digital Twin Virtual Simulation Platform in Practical Teaching of IoT

in Higher Vocational Education

SUN Xieyao

（Anhui Business College， Wuhu? 241002， China）

Abstract： The professional and practical teaching of IoT in higher vocational education is an essential part of talent training， and in some scenarios the practical training room cannot meet the practical training requirements. This paper reasonably uses the digital twin virtual simulation platform， integrates digital technology with offline teaching， explores the practical teaching of smart agriculture with the help of virtual simulation platform， and the whole processes of the cognition of the smart shed， IoT system cognition， system equipment learning， smart agriculture system simulation building and system application simulation are showing. The research shows that the digital twin virtual simulation platform helps the practical teaching of IoT and improves students' learning interest and practical ability.

Keywords： IoT; practical teaching; digital twin; virtual simulation

0? 引? 言

2022年黨的二十大勝利召開，二十大報(bào)告中明確指出要推進(jìn)教育數(shù)字化[1]。教育數(shù)字化是數(shù)字中國的重要組成部分，國家高度重視教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，近年來的新冠病毒感染疫情也加速了職業(yè)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐，推動(dòng)了職業(yè)教育的教育教學(xué)變革。

為切實(shí)保證課堂教學(xué)的有序開展，持續(xù)提高職業(yè)教育課堂教學(xué)質(zhì)量，以及激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)主動(dòng)性，許多高職院校將數(shù)字化教學(xué)技術(shù)融入教育教學(xué)全過程。職業(yè)教育實(shí)踐類課程在引入數(shù)字技術(shù)服務(wù)教學(xué)方面通常面臨更高的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)閷?shí)踐類課程主要采用了“做中學(xué)、學(xué)中做”的教學(xué)理念，對(duì)于學(xué)生的沉浸式體驗(yàn)有更高的要求。為提升課程教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)其與各類數(shù)字化資源的有效整合，國內(nèi)外都做出了諸多討論。Ronzhina等人[2]對(duì)俄羅斯國立職業(yè)師范大學(xué)的475名學(xué)生和118名教師進(jìn)行了問卷調(diào)查，結(jié)果顯示，參與者一致認(rèn)為數(shù)字技術(shù)在俄羅斯高等教育中的滲透程度較低，并且學(xué)生和教師對(duì)數(shù)字化帶來的學(xué)生認(rèn)知能力的提高也有不同的評(píng)價(jià)，總體而言，數(shù)字化對(duì)學(xué)業(yè)成績的貢獻(xiàn)高于平均水平。

推動(dòng)職業(yè)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型以提升教學(xué)質(zhì)量除了受經(jīng)濟(jì)社會(huì)變遷和宏觀政策影響之外，近幾年的新冠病毒感染疫情也是重要的催化因素。國外學(xué)者對(duì)于數(shù)字技術(shù)如何助力職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量提升也提出了諸多觀點(diǎn)。K?nig等人[3]的研究發(fā)現(xiàn)，信息和通信技術(shù)（ICT）工具，尤其是數(shù)字教師能力和教師教育學(xué)習(xí)數(shù)字技術(shù)能力的機(jī)會(huì)，對(duì)新冠疫情學(xué)校關(guān)閉期間的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)具有重要的適應(yīng)性。此外，Algaraady等人[4]通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，孩子和父母對(duì)網(wǎng)絡(luò)教育持積極態(tài)度，但這種方式同樣有缺點(diǎn)，對(duì)父母們壓力巨大。Annamalai等人[5]研究表明，新冠病毒感染大流行導(dǎo)致了在線學(xué)習(xí)技術(shù)使用的某些改進(jìn)，符合21世紀(jì)的學(xué)習(xí)技能，然而這項(xiàng)研究有一些局限性，可以在未來的研究中加以解決。Erika等人[6]的一項(xiàng)研究顯示，匈牙利在第一階段的新冠大流行中，師生都未做好數(shù)字教育教學(xué)的準(zhǔn)備，但在第二波疫情中，教師認(rèn)為自己的能力得到了較大的發(fā)展與數(shù)字教育能力的提升有一定的關(guān)系。Giorgio等人[7]認(rèn)為，在新冠大流行期間成功實(shí)施數(shù)字學(xué)習(xí)的關(guān)鍵之一是適當(dāng)使用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。

以上觀點(diǎn)顯示，隨著社會(huì)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是未來發(fā)展的趨勢(shì)，借助數(shù)字化手段在提升教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也能對(duì)教學(xué)質(zhì)量的改善起到積極的促進(jìn)作用。隨著信息化時(shí)代的到來，數(shù)字技術(shù)手段對(duì)于職業(yè)教育的作用將會(huì)愈加明顯。

1? 數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)

虛擬仿真最早起源于工科類基礎(chǔ)課程的教學(xué)[8]。數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)因其實(shí)驗(yàn)資源豐富、建設(shè)成本低[9]、能豐富學(xué)生學(xué)習(xí)方式、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力等優(yōu)點(diǎn)[10-12]而越來越受到歡迎。文章以安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)中的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為例，數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)硬件數(shù)據(jù)源仿真系統(tǒng)為上層軟件工程師提供虛擬的硬件數(shù)據(jù)，通過選擇不同的硬件組件單元，并設(shè)置數(shù)據(jù)屬性，即可按照用戶設(shè)定的邏輯為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，通過仿真平臺(tái)可以直觀的觀察底層的工作原理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋瑫r(shí)結(jié)合硬件實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品即可實(shí)時(shí)的展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程與效果；仿真平臺(tái)在實(shí)踐教學(xué)過程中，師生可不受時(shí)間和空間限制，隨時(shí)方便地進(jìn)行學(xué)習(xí)；并且，仿真平臺(tái)可脫離硬件實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，是一種創(chuàng)新的教學(xué)資產(chǎn)形態(tài)，同時(shí)可以讓老師和學(xué)生避免實(shí)際設(shè)備產(chǎn)生的不必要的意外和事故。

2? 數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)應(yīng)用以智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)教學(xué)為例。在現(xiàn)實(shí)中，智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用大多在郊區(qū)農(nóng)田中，學(xué)生無法現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)與學(xué)習(xí)[13]。因此，借助數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)模擬智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)與搭建，使各位同學(xué)都能參與其中。

2.1? 基于2D虛擬仿真系統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)建

虛擬仿真有2D仿真和3D仿真兩種，在智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，首先使用2D虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行，通過2D仿真系統(tǒng)中所配備的各種物聯(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)生在未接觸到硬件實(shí)物設(shè)備之前，就可以從仿真系統(tǒng)中認(rèn)識(shí)、了解和熟悉這些常見的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，為實(shí)訓(xùn)做好認(rèn)知基礎(chǔ)。通過2D仿真系統(tǒng)進(jìn)行虛擬物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備虛擬連線以及物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的仿真實(shí)訓(xùn)，作為物理真實(shí)設(shè)備實(shí)訓(xùn)前的一種先行實(shí)訓(xùn)，為今后學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)仿真套件上的真實(shí)設(shè)備實(shí)訓(xùn)打下良好的基礎(chǔ)，避免學(xué)生直接在真實(shí)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，因自身知識(shí)掌握度不夠、操作熟悉度不強(qiáng)等而對(duì)設(shè)備造成人為的損耗。基于2D虛擬仿真系統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)整體構(gòu)建如圖2所示，學(xué)生依據(jù)前期的原理圖在2D仿真軟件中選擇相應(yīng)的設(shè)備并連接，模擬搭建智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

上述仿真平臺(tái)中，所涉及的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)仿真設(shè)備包含風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、液位傳感器、水溫傳感器、大氣壓力傳感器、土壤濕度水分傳感器、有線二氧化碳傳感器以及土壤溫度水分傳感器等8個(gè)模擬量采集設(shè)備；還包含煙霧傳感器、風(fēng)扇、電子霧化器、水泵、補(bǔ)光燈等數(shù)字量控制設(shè)備；同時(shí)外加兩個(gè)基于ZigBee的溫濕度傳感器和光照傳感器，多個(gè)繼電器和電源。上述設(shè)備在實(shí)踐操作前，學(xué)生可以模擬練習(xí)。

2D仿真智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)配置如圖3所示，在2D仿真中，可以雙擊模擬設(shè)備進(jìn)行相關(guān)配置操作，以此來模擬真實(shí)設(shè)備中的設(shè)備配置操作。圖3（a）中是對(duì)基于ZigBee的溫濕度傳感設(shè)備進(jìn)行配置，可以根據(jù)需求設(shè)置Channel、PANID以及序列號(hào)，同時(shí)對(duì)溫度值和濕度值進(jìn)行一定范圍的隨機(jī)值的生成設(shè)置，以此來模擬溫濕度數(shù)據(jù)；圖3（b）是對(duì)中心網(wǎng)關(guān)的配置，其配置決定了將2D仿真系統(tǒng)中的各種模擬傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，配置包含了序列號(hào)、平臺(tái)地址以及端口三個(gè)核心參數(shù)，同時(shí)還需要設(shè)置ZigBee的相關(guān)參數(shù)，使其處于同一Channel和PANID，以便網(wǎng)關(guān)接收ZigBee傳感設(shè)備數(shù)據(jù)。

2D仿真智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中心網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)可視化展示如圖4所示，雙擊物聯(lián)網(wǎng)中心網(wǎng)關(guān)可以展示智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中所用到的各類模擬設(shè)備傳感數(shù)據(jù)值，包含2D仿真中用到的風(fēng)速、水位、水溫、大氣壓力、土壤溫度、土壤濕度以及二氧化碳等參數(shù)值，更直觀的展示傳感數(shù)據(jù)。開關(guān)0～7分別控制不同的執(zhí)行設(shè)備的啟停操作，如水泵、補(bǔ)光燈、風(fēng)扇等。

物聯(lián)網(wǎng)中心網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)相連，可以將虛擬仿真平臺(tái)產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)，便于后期的軟件開發(fā)教學(xué)，學(xué)生也可以通過云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)軟件的開發(fā)操作。云平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示如圖5所示，左側(cè)是傳感設(shè)備數(shù)據(jù)，右側(cè)是執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)。

2.2? 基于3D虛擬仿真系統(tǒng)的智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)建

智慧農(nóng)業(yè)3D仿真系統(tǒng)共有四個(gè)模塊構(gòu)成，分別是“大棚認(rèn)知”“物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)認(rèn)知”“系統(tǒng)搭建”以及“系統(tǒng)應(yīng)用”，每個(gè)模塊又有三個(gè)子模塊。3D智慧農(nóng)業(yè)仿真系統(tǒng)可通過W、S、A、D控制上下左右的移動(dòng)，如圖6所示。

2.2.1? 大棚認(rèn)知模擬

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生在進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)前，要先對(duì)農(nóng)業(yè)大鵬架構(gòu)有大致的認(rèn)知。在大棚認(rèn)知界面單擊鼠標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)導(dǎo)覽大棚應(yīng)用到的設(shè)備結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的介紹說明，如圖7所示。

2.2.2? 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)認(rèn)知模擬

在3D智慧農(nóng)業(yè)仿真系統(tǒng)中，可以對(duì)所涉及的模擬設(shè)備進(jìn)行操作前的認(rèn)知學(xué)習(xí)，如圖8所示。控制鍵盤進(jìn)行移動(dòng)，每到一個(gè)設(shè)備前都會(huì)彈出介紹說明，學(xué)習(xí)完成后右下方會(huì)有相應(yīng)圖標(biāo)點(diǎn)亮已表示學(xué)習(xí)完成（如圖a）。完成后還有相應(yīng)的知識(shí)競答進(jìn)行測(cè)試掌握情況（如圖b）。

2.2.3? 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)搭建模擬

高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)接觸硬件較多，為了保證學(xué)生安全和減少設(shè)備損耗，在實(shí)操前，借助3D虛擬仿真系統(tǒng)完成智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的搭建、連接與調(diào)試操作，操作界面如圖9所示。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中需要安放的有12個(gè)模擬設(shè)備（如圖a），學(xué)生單擊某個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)會(huì)提示模擬設(shè)備的安裝位置；安裝好后，某些設(shè)備需要對(duì)其進(jìn)行配置操作，網(wǎng)關(guān)配置調(diào)試（如圖b）中包含了對(duì)類型、是否啟用、服務(wù)器地址、端口、用戶名、密碼以及更新周期的配置設(shè)置；整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)仿真系統(tǒng)搭建完成后，可以進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中所涉及的模擬量設(shè)備（如圖c）與數(shù)字量設(shè)備（如圖e）的調(diào)試操作，模擬量設(shè)備調(diào)試包含了風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓力、二氧化碳、土壤溫度、土壤濕度6個(gè)方面，數(shù)字量設(shè)備調(diào)試包含了外遮陽、內(nèi)遮陽、補(bǔ)光燈、電子霧化器、風(fēng)機(jī)以及水泵6個(gè)模擬設(shè)備；ZigBee組網(wǎng)配置（如圖d）主要對(duì)溫濕度和光照進(jìn)行調(diào)試。

2.2.4? 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用模擬

在以上任務(wù)完成后，可以進(jìn)行整個(gè)智慧大棚的模擬運(yùn)轉(zhuǎn)，學(xué)生在3D虛擬仿真平臺(tái)中可以更直觀地感受整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)作流程以及模擬數(shù)據(jù)的變化。大棚應(yīng)用如圖10所示。圖中展示的是水泵操作，水泵按鈕負(fù)責(zé)開關(guān)智慧大棚的水泵，上方按鈕可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)的切換功能，當(dāng)上方按鈕處于手動(dòng)模式時(shí)，下方按鈕才可以進(jìn)行打開或關(guān)閉操作；當(dāng)上方按鈕處于自動(dòng)模式時(shí)，水泵的狀態(tài)則由系統(tǒng)監(jiān)控軟件自動(dòng)控制。除此之外，還有風(fēng)機(jī)按鈕、照明燈按鈕、補(bǔ)光燈按鈕、外遮陽按鈕、內(nèi)遮陽按鈕以及噴灌按鈕等，原理和水泵按鈕控制相同，均通過上、下按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)的切換。

3? 結(jié)? 論

對(duì)于目前高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)部分實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容不便的問題，借助數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行了探討，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探索。運(yùn)用數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)2D、3D虛擬仿真功能，能夠既提高學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)用的理解，進(jìn)而達(dá)到更好的教學(xué)效果，提升教學(xué)質(zhì)量，也能夠在一定程度上提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

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作者簡介：孫廨堯（1993—），男，漢族，河南鶴壁人，講師，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)、職業(yè)教育。

收稿日期：2023-04-05

基金項(xiàng)目：安徽省職業(yè)與成人教育學(xué)會(huì)2022年度教育科研規(guī)劃課題（Azcj2022128）；安徽省高學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2022AH052740）