滕振宇

摘要：隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各種先進的科學技術(shù)被應(yīng)用到實訓教學領(lǐng)域，虛擬仿真平臺就是其中重要的一種，其應(yīng)用可以有效提高教學質(zhì)量、解決職業(yè)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(yīng)用效果，在應(yīng)用過程中遵循了教學系統(tǒng)逼真性原則、系統(tǒng)研發(fā)中的模塊化原則、系統(tǒng)多功能與易操作控制原則、內(nèi)容的真實與規(guī)范原則和符合教學應(yīng)用要求原則。此外，在系統(tǒng)研發(fā)過程中，需要根據(jù)教學要求開展軟件系統(tǒng)研發(fā)，研發(fā)后的平臺軟件系統(tǒng)具有多元化的功能，且環(huán)境適用性較強，能夠滿足教學的需要。應(yīng)用結(jié)果表明，Web的綜合布線虛擬仿真平臺的應(yīng)用效果極為顯著，為此，建議相關(guān)院校借鑒Web綜合布線虛擬仿真平臺的應(yīng)用經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：Web;綜合布線;虛擬仿真平臺;平臺開發(fā)

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(shù)仿真教學工作，提高教學實訓課程質(zhì)量，解決當前實訓教學過程中存在的部分問題，教學技術(shù)研究人員結(jié)合基于web網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)資源開展了綜合布線虛擬仿真平臺研究，并將其應(yīng)用到教學工作中。該平臺的開發(fā)一方面優(yōu)化了理論課程與虛擬實訓、實踐操作之間的關(guān)系，實現(xiàn)了教學中教學理論與實操的有效結(jié)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(jié)合技術(shù)與理論研究成果開展了平臺從研制到實際應(yīng)用的研究。

1 平臺開發(fā)在教學中的作用

在教學中，仿真平臺可以發(fā)揮以下作用。

1.1 有效地提高教學質(zhì)量

在仿真教學過程中，仿真平臺的應(yīng)用可以有效地提高教學質(zhì)量。這主要是由于仿真平臺在教學中具有以下的幾點優(yōu)勢：一是仿真平臺可以有效提高學生對布線系統(tǒng)的感知性;二是會使學生產(chǎn)生對學習的沉浸感;三是系統(tǒng)可以與學生產(chǎn)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(yè)教學工位不足問題

傳統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可以自動恢復，重復使用。這種教學模式的應(yīng)用在學生完成實訓內(nèi)容、充分了解操作流程與規(guī)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(tǒng)自身的成本優(yōu)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(shè)備，系統(tǒng)更新?lián)Q代所需的投資較小。同時平臺軟件系統(tǒng)可以通過系統(tǒng)更新，實現(xiàn)實訓工作虛擬環(huán)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(shù)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(tǒng)的布線教學實訓中，其內(nèi)容較為簡單枯燥，難以引發(fā)學生的學習興趣。而仿真平臺在教學中采用了計算機系統(tǒng)布線中的模擬真實環(huán)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(huán)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(tǒng)研發(fā)的主要原則

為確保仿真平臺系統(tǒng)在教學中起到應(yīng)有的教學作用，系統(tǒng)研發(fā)人員在研發(fā)之前需確定研發(fā)遵循的主要原則。根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)研發(fā)中需要確保仿真呈現(xiàn)場景、設(shè)備、工具等形象逼真，保證學生對教學內(nèi)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(tǒng)研發(fā)中的模塊化原則

平臺中各模塊間具有既相互關(guān)聯(lián)又相對獨立的特征，這決定了研發(fā)者在平臺框架研發(fā)中，應(yīng)秉承模塊化與開放性的技術(shù)原則。其一可以保證平臺后期教學系統(tǒng)的可擴充性，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的增容與維護管理;其二通過模塊化提高了系統(tǒng)的兼容性。

2.3 系統(tǒng)多功能與易操作控制原則

在系統(tǒng)研發(fā)中，技術(shù)人員應(yīng)在確保仿真效果的情況下，實現(xiàn)教學、管理等界面功能的多樣化及系統(tǒng)易操作等性能。如在研發(fā)中，技術(shù)人員應(yīng)實現(xiàn)人與系統(tǒng)的交互操作體驗;系統(tǒng)操作界面的導航系統(tǒng)應(yīng)簡潔明了，內(nèi)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(nèi)掌握系統(tǒng)操作的目標。

2.4 內(nèi)容的真實與規(guī)范原則

在平臺研發(fā)中，技術(shù)人員應(yīng)從布線工作中的真實情況、操作規(guī)程以及工作流程等實際情況出發(fā)，嚴格遵守國家規(guī)定的操作與技術(shù)規(guī)范，充分體現(xiàn)平臺教學內(nèi)容的真實與規(guī)范性，讓學生在學習中體驗真實的工作環(huán)境與規(guī)范要求，為實際操作的開展提供技術(shù)支持。

2.5 符合教學應(yīng)用要求原則

平臺研發(fā)中的軟件系統(tǒng)與教學內(nèi)容設(shè)計應(yīng)貼合教材與教學實踐內(nèi)容，并符合教學應(yīng)用的要求。確保教師演示的授課內(nèi)容與學生平臺中的學習內(nèi)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(tǒng)研發(fā)

在系統(tǒng)研發(fā)過程中，研發(fā)者首先需要根據(jù)教學要求開展軟件系統(tǒng)研發(fā)。主要工作集中在以下幾點。

3.1 軟件主要架構(gòu)系統(tǒng)

在平臺軟件系統(tǒng)研發(fā)中，技術(shù)人員需利用信息化虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR-Virtual Reality），為使用者構(gòu)建與實際操作空間逼真的三維環(huán)境，讓學生利用平臺輸入輸出設(shè)備與虛擬系統(tǒng)中仿真性內(nèi)容（如環(huán)境、工具、材料等）實現(xiàn)信息交換，完成仿真學習過程。系統(tǒng)研發(fā)的軟件主要包括基礎(chǔ)支持層、數(shù)據(jù)庫與模型庫層、系統(tǒng)仿真層和系統(tǒng)應(yīng)用層。其主要的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）平臺基礎(chǔ)支持層系統(tǒng)功能

平臺基礎(chǔ)支持層的主要作用是保障系統(tǒng)安全可靠運行。其在運行中主要包括了基礎(chǔ)軟件（如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)等）與網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)（如服務(wù)器、路由器等）兩個主要組成部分。在實際的應(yīng)用中，其主要的兩個運行體系包括了教學中應(yīng)遵循的標準體系與環(huán)境體系。

2）平臺數(shù)據(jù)與模型庫系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與模型庫層是仿真教學開展的基礎(chǔ)層。主要功能包括以下兩個部分：一是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用字符形式，為平臺存儲各類信息文件，如平臺各類系統(tǒng)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(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于存儲仿真虛擬場景中用到的各類模型數(shù)據(jù)，其存儲方式為文件的形式。平臺教學過程中，交易系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)索引與元數(shù)據(jù)形式與數(shù)據(jù)庫鏈接，提取模型數(shù)據(jù)。

3）平臺軟件仿真層系統(tǒng)功能

系統(tǒng)仿真層是用于仿真教學的核心層面，也是系統(tǒng)研發(fā)的重點內(nèi)容。系統(tǒng)的訪問界面，為系統(tǒng)提供了與外界數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)的接口，且具有與功能服務(wù)接口交換數(shù)據(jù)的功能。其主要功能包括實訓平臺與教學應(yīng)用平臺，同時為教學與學生提供認知、練習、考核等各項服務(wù)。此外，該平臺還可以通過支持系統(tǒng)預(yù)留的服務(wù)接口，實現(xiàn)擴充教學數(shù)據(jù)、用戶與權(quán)限管理等操作。

4）平臺系統(tǒng)應(yīng)用層功能

系統(tǒng)的應(yīng)用層為學生提供實訓教學服務(wù)，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(tǒng)設(shè)計應(yīng)具備的主要功能

在軟件系統(tǒng)研發(fā)中，研發(fā)者應(yīng)根據(jù)仿真教學需求設(shè)計以下的幾個主要功能。

1）系統(tǒng)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(tǒng)中的三維模型，將其發(fā)布至投影系統(tǒng)，完成教學內(nèi)容的立體展示。

2）系統(tǒng)可在運行時將各類設(shè)計軟件在最短時間內(nèi)同步到投影系統(tǒng)，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等問題造成延遲現(xiàn)象。

3）系統(tǒng)可在運行中導入教學中常用的fbx、obj等三維格式數(shù)據(jù)。

4）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有完善的數(shù)據(jù)壓縮格式，可實現(xiàn)工程、項目等文件的存儲功能。

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

6）系統(tǒng)須有效支持模型設(shè)計與編輯功能，如在教學應(yīng)用中教師可以根據(jù)教學內(nèi)容完成模型姿態(tài)、紋理、材質(zhì)屬性等內(nèi)容的修改。

7）系統(tǒng)應(yīng)具備較好的燈光系統(tǒng)，使教師在教學中可以根據(jù)教學內(nèi)容進行實時陰影渲染。

3.3 仿真系統(tǒng)使用環(huán)境

在系統(tǒng)研發(fā)中，設(shè)計者應(yīng)重視系統(tǒng)的使用環(huán)境設(shè)計，使用戶可以完成以下工作：一是學生使用環(huán)境。學生在仿真教學環(huán)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(guī)范的完成接線作業(yè)流程;二是教師使用環(huán)境。教師在仿真教學環(huán)境中可以對學生實訓過程進行觀察，同時通過系統(tǒng)后臺查看學生實訓成績等信息。

系統(tǒng)研發(fā)中主要包括PC與VR頭盔兩個使用環(huán)境。其中PC環(huán)境主要功能是實現(xiàn)教學系統(tǒng)與平臺管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)將學生學習過程信息反饋到后臺管理系統(tǒng)，為后期查閱與分析提供服務(wù)。

3.4 軟件應(yīng)用功能模塊設(shè)計

在平臺系統(tǒng)研發(fā)中，研發(fā)者利用模塊化設(shè)計理念設(shè)計出系統(tǒng)主要應(yīng)用功能。其主要的應(yīng)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(yīng)模塊的選擇，完成跳線、光纖熱熔、大對數(shù)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(nèi)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(jù)系統(tǒng)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(cè)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(jié)果進行判斷與提示，如操作正確，系統(tǒng)直接進入下一訓練內(nèi)容;操作錯誤系統(tǒng)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(yù)設(shè)三套綜合考題，考生通過UI界面進入考核模塊。 考核前，系統(tǒng)隨機選擇一套作為考核內(nèi)容。考核中，學生根據(jù)考核系統(tǒng)提供的施工圖流程規(guī)范化的完成實操步驟。

與練習模式不同，考核模式在實際應(yīng)用中不對操作進行提示，當前步驟操作結(jié)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(tǒng)。當學生全部操作均完成后，系統(tǒng)直接給出考核成績。同時，教師可通過系統(tǒng)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(tǒng)，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(shè)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(zhuǎn)或動畫模擬等功能開展設(shè)備與工具的使用學習。

在實際的學習過程中，這一模式的應(yīng)用主要是利用VR版完成。方式一是進入認知系統(tǒng)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(fā)中的主要軟件系統(tǒng)技術(shù)

在平臺研發(fā)中，設(shè)計時需要實現(xiàn)以下功能：一是支持系統(tǒng)中三維設(shè)計建模系統(tǒng)、虛擬協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的融合，同時確保各系統(tǒng)模塊和設(shè)備設(shè)計與平臺設(shè)計數(shù)據(jù)有效兼容;二是為教學中的多平臺間大數(shù)據(jù)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(xiàn)上述功能，此次研發(fā)軟件系統(tǒng)主要采用DVS3D系統(tǒng)。

3.6 虛擬頭盔選擇

平臺研發(fā)中VR頭盔選擇的是HTC Vive。其主要的技術(shù)參數(shù)如下：屏幕刷新率90Hz;系統(tǒng)的組合分辨率2160×1200;支持360°移動追蹤功能;設(shè)備自帶2臺激光定位器與交互控制器;具有32個頭戴式設(shè)備感應(yīng)器與24個操控手柄感應(yīng)器;支持兩個軸線方向上精確定位頭部旋轉(zhuǎn);旋轉(zhuǎn)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(yīng)用效果

4.1 學生在平臺應(yīng)用中的效果

教學過程中，平臺的應(yīng)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(chǎn)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(tǒng)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(jié)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(yīng)用中的效果

在教學實踐中，教師利用平臺教學應(yīng)用模式，起到以下效果：

1）通過模型與實訓現(xiàn)場設(shè)計，提高了教師對教學環(huán)境的掌控能力。

2）利用平臺信息化優(yōu)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(lián)編輯：朱寶貴】