物聯網應用技術專業虛擬仿真實訓平臺建設研究

摘 要：伴隨著智能計算設備的普及，物聯網應用場景從單一的物物相連，逐漸向智能化、集成化、多樣化方向發展，物聯網行業應用的創新與升級對人才的能力與素質提出新要求，因此提升專業人才培養質量成為專業建設與改革的關鍵任務。為避免因實訓場地受限、實訓資源不足等問題對人才培養質量造成影響，文中在調研目前物聯網應用技術專業實訓教學現狀并分析其中存在問題的基礎上，結合專業人才培養目標與實訓教學需求，提出一種適用于物聯網應用技術專業的虛擬仿真實訓平臺設計思路，為高職物聯網專業的實訓教學與創新型人才培養提供新的模式和理念。

關鍵詞：虛擬仿真；物聯網應用技術專業；實訓教學；仿真實訓平臺；虛擬現實技術；平臺設計

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.043

0 引 言

教育部高等教育司在2023年工作要點中提出：深化實驗教學改革，加快“虛擬仿真2.0”建設，加強國家級實驗教學示范中心、虛擬仿真實驗教學中心建設指導，探索推進未來學習中心試點，利用新一代信息技術打造支撐學習方式變革的新型基層學習組織[1]。融合計算機仿真技術、虛擬現實技術和互聯網技術等信息技術的虛擬仿真實訓平臺，有助于學生深入理解和掌握專業知識，多元化培養專業技能，提高學生自主創新能力。建設適用于物聯網應用技術專業的虛擬仿真平臺有助于改善實訓教學條件，提升實訓教學質量，激發教學方法創新，實現高素質技術技能型人才的培養。

1 物聯網應用技術專業實訓教學面臨的問題

物聯網應用技術專業在教學中強調通過實踐過程鍛煉技能、理解知識，充分踐行“知行合一”的育人理念[2]。課程實訓教學需依托軟硬件等教學環境實現，但實訓教學實施過程易受到設備、耗材、場地、管理等客觀因素的影響，具體問題有以下6點：

（1）實訓設備數量不足。物聯網專業實訓設備承擔硬件安裝、設備調試、線纜連接、應用開發等軟硬件結合的操作類實訓項目，此類設備空間面積占用較大，客觀環境因素易導致實訓設備數量不足，在教學實施過程中需用分組形式完成項目實訓。分組實訓雖有助于培養學生的團隊合作和交流溝通能力，但設備數量不足會造成學生在實訓項目整體感受和細節體驗方面的缺失，同時影響教師的指導效果，阻礙教學目標的達成。

（2）實訓教學內容受限。實訓內容受設備功能、場地環境、設備成本等因素制約，例如物聯網工程項目中涉及的工廠、樓宇、別墅、校園等場景難以在實訓場所內還原，場景體驗普遍單調且吸引力不足。為解決以上問題，現階段教師會輔以沙盤、視頻、圖文等多媒體教學手段，但單一的講解、演示缺乏師生互動，學生課堂參與積極性不足。

（3）實訓成本高。物聯網行業具有技術革新快、應用范圍廣等特點，為保持實訓內容與行業同步則須持續采購新型設備，但物聯網實驗設備種類繁多且部分設備價格昂貴，采購成本動輒幾萬甚至上百萬，設備更新與損耗需大量資金支持，高職院校通常難以負擔。同時，實訓期間因學生操作不當造成的設備損壞以及反復拆裝造成的設備損耗，都會影響設備的穩定性與可靠性并導致安全風險。因此，為保證正常的教學秩序，需定期維護實訓設備，持續投入維護資金。

（4）實訓場所使用時間受制約。實訓場所的使用時間受到課程安排、假期安排、人員安排等多種因素影響，學生一般只可在授課時間內使用實訓設備，較少的訓練時間嚴重影響物聯網應用技術專業實訓課程的教學進度與教學質量，同時也不利于學生課后自主學習習慣的培養。

（5）實訓內容需考慮安全性。首先，出于電氣安全考慮，物聯網專業實訓項目應盡量避免高電壓、大電流設備，因此部分硬件設備實訓內容缺失。其次，實驗過程中強電的使用存在短路、起火等安全隱患，需要師生時刻注意用電安全；同時，實驗中剝線鉗、螺絲刀等工具的使用也會帶來勞動安全隱患。

（6）分組實訓影響考核與評價結果。考核是教學過程中不可或缺的環節，教師可以通過考核發現學生實訓過程中的問題，并采取針對性措施來提升教學質量。首先，因實驗設備不足而采用的分組教學形式，存在操作內容分配不均、實訓結果評價無法覆蓋全部學生等問題；其次，授課過程中教師因時間、精力的限制難以完全掌握每個小組和學生的實訓情況，考核質量受到影響。

2 虛擬仿真實訓平臺建設的必要性

目前，國內清華大學、復旦大學等多所高校均已按專業實踐需求建設虛擬仿真實訓平臺。虛擬仿真實訓平臺可有效突破教學場地的局限性避免部分專業實驗的危險性、豐富教學內容和形式、優化教學過程、提升教學效果[3-4]。因此，建設虛擬仿真實訓平臺的必要性有以下3點。

（1）虛擬仿真技術可解決實訓教學設備不足的問題，降低使用成本，提高實驗安全性。虛擬仿真技術是在多媒體、虛擬現實、人機交互、網絡、通信等技術不斷發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實等技術相結合而產生的更高層次的仿真技術[4]。首先，基于虛擬仿真技術的虛擬化、仿真化特性，可利用計算機軟件模擬多種類型的物聯網設備，從而解決實訓教學中設備不足的問題。例如，針對物聯網應用技術專業實訓項目中涉及的物聯網布線、設備安裝、設備調試等實驗任務，通過使用虛擬仿真實訓平臺，學生可以獨立完成實訓任務，這樣有助于提升學生對物聯網工程項目的整體感知和實訓任務的參與度。其次，通過虛擬仿真技術模擬的物聯網設備，在實訓過程中不產生設備損耗、材料消耗等，實訓成本主要集中在平臺的日常維護與升級方面，相較于真實設備，在設備的損耗與維護方面節省了大量的人力與財力。最后，虛擬仿真可以模擬因危險性較高而無法開展的實物仿真實訓項目，學生通過仿真訓練可以對未來工作崗位中面臨的安全風險有一定的預期認知，提前積累寶貴的實踐經驗，這樣有助于培養學生的風險防范意識和安全防護意識。

（2）虛擬現實技術豐富教學內容。虛擬現實技術是計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術等相融合的綜合性技術，利用智能計算設備模擬產生虛擬環境，為用戶的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官提供沉浸式體驗[5]。虛擬現實技術具備沉浸感、交互性、想象力這三個特征，虛擬現實技術的沉浸感可以營造出生動、形象的虛擬場景，依托于逼真的3D建模與計算機圖形渲染技術，可以最大程度還原物聯網真實項目中的場景與設備，讓用戶猶如身臨項目現場。可利用虛擬現實技術的交互性實現用戶與虛擬仿真場景、設備的互動，模擬真實場景中的環境變化和設備交互。虛擬場景和交互反饋可激發學生的想象力，提升學生對物聯網項目的觀察廣度與理解深度，促進教學質量的提升。

（3）互聯網技術支持用戶靈活開展實訓任務，提升教學組織與實施效率。用戶只需接入互聯網即可使用虛擬仿真平臺。從教學角度出發，教師可以靈活安排實訓時間、地點、內容，不受實訓場地位置、大小等客觀條件限制；可通過平臺實時掌握學生任務完成情況，并對任務結果進行考核與評價。從學生角度出發，學生除了在課堂實訓期間使用仿真平臺，還可在課余時間繼續使用平臺完成實驗任務或進行自主訓練。

3 虛擬仿真實訓平臺設計

物聯網虛擬仿真實訓平臺的設計目標是實現教師實訓教學與學生專業核心技能訓練的虛擬化、數字化、智能化。平臺設計內容包括功能需求分析、平臺框架設計、平臺功能設計三部分。

3.1 平臺功能需求分析

根據高職教育培養高素質技術技能型人才的目標，結合物聯網應用技術專業實訓平臺虛實結合的特點[6]，將物聯網虛擬仿真實訓平臺的需求分為遠程訪問需求、物聯網實訓仿真需求、仿真交互需求、實訓管理需求。

遠程訪問便于用戶隨時隨地與系統平臺建立連接。需求的本質是利用通信網絡實現用戶與平臺之間的數據傳輸，通過客戶機與服務器之間的數據交換為用戶提供在線訪問服務，因此在設計時應充分考慮客戶機的異構性和用戶訪問的便捷性。

物聯網仿真實訓平臺為用戶提供完整的物聯網項目仿真實驗功能。虛擬仿真平臺需要結合物聯網專業特點，設計并實現任務場景、傳感器、執行器、網絡設備、線纜鏈路等實訓對象的三維可視化仿真和功能仿真。

仿真交互可實現用戶與仿真平臺之間的輸入輸出交互。交互需求包括用戶外部輸入交互以及平臺內部仿真交互兩部分，用戶外部輸入交互是指用戶使用外部輸入設備實現與虛擬仿真平臺的交互，包括用戶與UI界面、用戶與仿真對象的交互。平臺內部仿真交互是指仿真平臺內部及設備、鏈路、場景等仿真對象之間的交互。

實訓管理可保證實訓教學高效、有序地完成，包括實訓教學管理與實訓資源管理兩部分。實訓教學管理包含用戶、任務、數據、流程等教學組織的管理，實訓資源管理包含文本、圖片、聲音、仿真圖形等平臺資源的管理。

3.2 平臺框架設計

當前智能終端呈現架構碎片化、使用場景多樣化的特點，因此平臺架構設計首先需考慮各類異構系統、異構設備的兼容性，同時也應避免繁瑣的軟件安裝。針對以上幾點問題，虛擬仿真平臺系統適合采用B/S架構，以Web瀏覽器作為客戶端載體，使用通用、統一的數據訪問標準，最終實現用戶與仿真平臺的交互[7]。仿真平臺的系統框架采用分層結構設計，分層結構不僅簡化了系統復雜度而且易于系統擴展。平臺系統框架由基礎層、數據層、支撐層、應用層、展現層組成，各層次內部包含多個功能模塊并具備獨立職責，層次之間協同工作并提供完整的系統功能。平臺總體框架設計如圖1

所示。

基礎層為平臺運行提供軟硬件支持，包括服務器、操作系統、網絡系統、存儲設備、程序語言框架、圖形圖像框架、數據庫系統等，基礎層為平臺應用的運行、資源的分配提供基本環境保障。

數據層實現了平臺數據資源的調度、存儲等，并提供數據查詢、檢索等功能。根據平臺功能設計將數據層資源分為三類：虛擬仿真項目及仿真資源相關的仿真數據資源；平臺用戶身份認證及用戶應用服務相關的用戶數據資源；教學任務管理相關的實訓項目數據資源。

支撐層是仿真平臺應用服務功能實現的基礎。在設計過程中以面向業務體系架構為原則，根據仿真平臺業務需求進行模塊劃分和整合。支撐層包含虛擬現實渲染、仿真交互邏輯、用戶身份認證、平臺數據管理模塊，為仿真平臺業務功能的快速部署與功能實現提供強有力的支撐。

應用層用于實現平臺業務的功能邏輯。根據仿真平臺在虛擬仿真、用戶交互、平臺使用、教學應用等方面的功能需求，將應用層劃分為虛擬仿真交互、仿真平臺管理、實訓教學管理3個模塊。虛擬仿真交互模塊實現仿真實驗、仿真交互等功能；仿真平臺管理模塊實現用戶管理、資源管理、仿真內容管理等功能；實訓教學管理模塊實現教學內容的管理與統計功能。

展現層是用戶與平臺之間交互的橋梁，一方面提供用戶與平臺的交互界面，另一方面規定交互觸發邏輯。通過接收并解析用戶的命令，調用命令對應的下層應用功能，實現用戶與平臺之間的操作交互。虛擬仿真平臺按照用戶功能需求分類，包含仿真案例展示、虛擬仿真實驗、用戶中心3個模塊，用戶使用Web瀏覽器與表現層交互。

3.3 平臺功能模塊設計

仿真平臺功能模塊按用戶功能需求進行分類設計，劃分為虛擬現實仿真功能模塊、平臺管理模塊、教學管理模塊，并設計相應功能。仿真平臺功能模塊設計如圖2所示。

3.3.1 虛擬仿真功能模塊

虛擬現實仿真交互模塊規定仿真平臺的交互邏輯，是保障虛擬仿真實驗順利開展、實現課程實踐教學目標的重要功能模塊，包含虛擬仿真實驗功能和實驗流程控制功能兩部分。

（1）虛擬現實仿真實驗功能是平臺實現仿真實驗的核心功能。通過對物聯網應用技術專業使用對象的調研與結果分析，結合設備、鏈路、功能等多維度進行綜合考量，制定運行邏輯規則，內容包括用戶交互、虛擬仿真交互、仿真鏈路鏈接、仿真數據傳輸等功能邏輯的實現[8-9]。用戶交互邏輯包含用戶與UI界面的交互以及用戶與仿真對象的交互功能；虛擬仿真交互包含仿真設備之間的交互邏輯；仿真鏈路連接功能包含仿真設備之間的內部鏈路關聯；仿真數據傳輸包含仿真設備與平臺之間的內部數據傳遞。

（2）仿真實驗流程控制功能用于控制實訓項目的生命周期，包含仿真對象初始化和實驗項目運行狀態管理。仿真對象初始化是在實訓流程開始前按系統設置創建項目相關仿真應用程序實例；實驗項目運行狀態管理為用戶提供實訓項目流程控制功能，包括實訓項目的暫停、重置、終止等。

3.3.2 平臺管理模塊

平臺管理模塊實現平臺資源的調配，包括用戶管理、仿真項目管理、仿真資源管理3個模塊。

（1）用戶管理功能實現管理員、教師、學生3種不同類型用戶的管理，包括用戶賬戶的添加、刪除、修改，用戶賬戶類型、權限、信息維護等功能。

（2）仿真項目管理功能在包含項目添加、修改、刪除等功能的基礎上，還包括項目虛擬場景、項目仿真資源、項目描述、項目任務目標等功能。

（3）仿真資源管理功能實現仿真設備、仿真鏈路、虛擬場景等仿真資源的分類與管理，包含仿真資源類別管理、仿真資源文件管理、仿真資源內容管理、資源導入等功能。

3.3.3 教學管理模塊

教學管理模塊為教學活動中的組織、管理、監測提供功能支撐。該模塊主要包括教學班級管理、實訓任務管理、教學統計分析等功能。

（1）教學班級管理包括教學班級管理與學生管理，教師可通過該模塊管理教學班級以及班級內的學生用戶，通過該功能實現教學班級與學生用戶之間的關聯。

（2）實訓任務管理包括任務內容、任務起止、任務發布、任務報告、任務成績等相關業務管理。教師通過該功能部署實訓任務，仿真設備、仿真鏈路、虛擬場景、實訓文檔等組成教學任務，并按照教學班級進行任務分配和任務結果的查看與批改。

（3）教學統計分析包括實訓任務相關數據的查看與統計。教師用戶可以邏輯教學班級為單位，對班級內學生實訓任務的完成情況、實訓成績、課堂參與度等進行數據查詢與統計，便于教師及時掌握教學過程中的學情，為調整和改進教學細節，實現精準教學目標提供數據支撐[10]。

4 結 語

高職教育的特點決定了物聯網專業課程具有較強的實踐性，在面對設備不足、內容受限、成本高昂、使用不便等問題時，建設基于虛擬現實技術的仿真實訓平臺是解決專業課程實訓教學資源不足的有效手段。學生通過平臺生動的虛擬現實場景提升物聯網整體架構認知；通過平臺仿真的物聯網設備，可有效完成專業實訓任務與技能訓練；通過平臺便捷的訪問架構，可充分利用課余時間進行自主學習，實現實訓參與度與技能熟練度同步提升的目標。教師通過平臺可擴展的資源管理功能，可快速導入自定義虛擬仿真資源，實現教學內容與行業發展相匹配；通過平臺成熟的教學管理功能，可快速部署教學任務，高效管理實驗項目與實驗成績，促進教師實驗管理水平與效率的提升，引導教師用戶將更多精力投入到實訓內容設計與過程指導中。實驗教學平臺的建設是一個長期的過程，伴隨著通信、人工智能、圖形渲染引擎等技術的迅猛發展，適用于物聯網應用技術專業的虛擬仿真平臺將日趨完善，應用場景也將更加廣泛。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-28 修回日期：2023-08-29

基金項目：2020年江蘇經貿職業技術學院教改研究課題（2020 JMJG07）；2021年江蘇經貿職業技術學院科研基金項目（JSJM21020）；2021江蘇經貿職業技術學院“領軍人才”培養對象項目階段性成果；2023全國高等院校計算機基礎教育研究會計算機基礎教育教學研究項目（2023-AFCEC-311）

作者簡介：王 亮（1982—），男，碩士，講師，研究方向為物聯網技術、教育教學改革。

韓玉君（1979—），女，碩士，副教授，研究方向為物聯網技術。