摘? 要：高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學是人才培養(yǎng)中必不可少的環(huán)節(jié)，在有些場景下實訓室無法滿足實訓要求。文章合理利用數(shù)字孿生虛擬仿真平臺，將數(shù)字化技術(shù)與線下教學融合，借助虛擬仿真平臺對智慧農(nóng)業(yè)實踐教學進行探索，全過程展示智慧大棚的認知、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)認知、系統(tǒng)設(shè)備學習、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有助于物聯(lián)網(wǎng)實踐教學，提高學生學習興趣與實踐能力。

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

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：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，二十大報告中明確指出要推進教育數(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，推動了職業(yè)教育的教育教學變革。

為切實保證課堂教學的有序開展，持續(xù)提高職業(yè)教育課堂教學質(zhì)量，以及激發(fā)學生的學習興趣與學習主動性，許多高職院校將數(shù)字化教學技術(shù)融入教育教學全過程。職業(yè)教育實踐類課程在引入數(shù)字技術(shù)服務(wù)教學方面通常面臨更高的挑戰(zhàn)，這是因為實踐類課程主要采用了“做中學、學中做”的教學理念，對于學生的沉浸式體驗有更高的要求。為提升課程教學質(zhì)量，促進其與各類數(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]對俄羅斯國立職業(yè)師范大學的475名學生和118名教師進行了問卷調(diào)查，結(jié)果顯示，參與者一致認為數(shù)字技術(shù)在俄羅斯高等教育中的滲透程度較低，并且學生和教師對數(shù)字化帶來的學生認知能力的提高也有不同的評價，總體而言，數(shù)字化對學業(yè)成績的貢獻高于平均水平。

推動職業(yè)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型以提升教學質(zhì)量除了受經(jīng)濟社會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。國外學者對于數(shù)字技術(shù)如何助力職業(yè)教育教學質(zhì)量提升也提出了諸多觀點。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習數(shù)字技術(shù)能力的機會，對新冠疫情學校關(guān)閉期間的網(wǎng)絡(luò)教學具有重要的適應(yīng)性。此外，Algaraady等人[4]通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，孩子和父母對網(wǎng)絡(luò)教育持積極態(tài)度，但這種方式同樣有缺點，對父母們壓力巨大。Annamalai等人[5]研究表明，新冠病毒感染大流行導致了在線學習技術(shù)使用的某些改進，符合21世紀的學習技能，然而這項研究有一些局限性，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)字教育教學的準備，但在第二波疫情中，教師認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]認為，在新冠大流行期間成功實施數(shù)字學習的關(guān)鍵之一是適當使用虛擬學習環(huán)境。

以上觀點顯示，隨著社會數(shù)字經(jīng)濟的快速發(fā)展，教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是未來發(fā)展的趨勢，借助數(shù)字化手段在提升教師教學水平和學生學習興趣的同時，也能對教學質(zhì)量的改善起到積極的促進作用。隨著信息化時代的到來，數(shù)字技術(shù)手段對于職業(yè)教育的作用將會愈加明顯。

1? 數(shù)字孿生虛擬仿真平臺架構(gòu)

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

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生虛擬仿真平臺硬件數(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，通過仿真平臺可以直觀的觀察底層的工作原理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，同時結(jié)合硬件實訓產(chǎn)品即可實時的展現(xiàn)實驗流程與效果；仿真平臺在實踐教學過程中，師生可不受時間和空間限制，隨時方便地進行學習；并且，仿真平臺可脫離硬件實訓產(chǎn)品進行實訓，是一種創(chuàng)新的教學資產(chǎn)形態(tài)，同時可以讓老師和學生避免實際設(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應(yīng)用

平臺應(yīng)用以智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)教學為例。在現(xiàn)實中，智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用大多在郊區(qū)農(nóng)田中，學生無法現(xiàn)場體驗與學習[13]。因此，借助數(shù)字孿生虛擬仿真平臺模擬智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)學習與搭建，使各位同學都能參與其中。

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)實訓教學中，首先使用2D虛擬仿真平臺進行，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，使學生在未接觸到硬件實物設(shè)備之前，就可以從仿真系統(tǒng)中認識、了解和熟悉這些常見的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，為實訓做好認知基礎(chǔ)。通過2D仿真系統(tǒng)進行虛擬物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備虛擬連線以及物聯(lián)網(wǎng)場景的仿真實訓，作為物理真實設(shè)備實訓前的一種先行實訓，為今后學生在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實訓仿真套件上的真實設(shè)備實訓打下良好的基礎(chǔ)，避免學生直接在真實設(shè)備上進行實訓，因自身知識掌握度不夠、操作熟悉度不強等而對設(shè)備造成人為的損耗?；?D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)。

上述仿真平臺中，所涉及的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)仿真設(shè)備包含風向傳感器、風速傳感器、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個模擬量采集設(shè)備；還包含煙霧傳感器、風扇、電子霧化器、水泵、補光燈等數(shù)字量控制設(shè)備；同時外加兩個基于ZigBee的溫濕度傳感器和光照傳感器，多個繼電器和電源。上述設(shè)備在實踐操作前，學生可以模擬練習。

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)備進行相關(guān)配置操作，以此來模擬真實設(shè)備中的設(shè)備配置操作。圖3（a）中是對基于ZigBee的溫濕度傳感設(shè)備進行配置，可以根據(jù)需求設(shè)置Channel、PANID以及序列號，同時對溫度值和濕度值進行一定范圍的隨機值的生成設(shè)置，以此來模擬溫濕度數(shù)據(jù)；圖3（b）是對中心網(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)實時上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，配置包含了序列號、平臺地址以及端口三個核心參數(shù)，同時還需要設(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、補光燈、風扇等。

物聯(lián)網(wǎng)中心網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺相連，可以將虛擬仿真平臺產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)實時上傳至云平臺，便于后期的軟件開發(fā)教學，學生也可以通過云平臺獲取數(shù)據(jù)進而進行智慧農(nóng)業(yè)軟件的開發(fā)操作。云平臺實時數(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)共有四個模塊構(gòu)成，分別是“大棚認知”“物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)認知”“系統(tǒng)搭建”以及“系統(tǒng)應(yīng)用”，每個模塊又有三個子模塊。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，如圖6所示。

2.2.1? 大棚認知模擬

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生在進行智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)學習前，要先對農(nóng)業(yè)大鵬架構(gòu)有大致的認知。在大棚認知界面單擊鼠標，系統(tǒng)會自動導覽大棚應(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)認知模擬

在3D智慧農(nóng)業(yè)仿真系統(tǒng)中，可以對所涉及的模擬設(shè)備進行操作前的認知學習，如圖8所示?？刂奇I盤進行移動，每到一個設(shè)備前都會彈出介紹說明，學習完成后右下方會有相應(yīng)圖標點亮已表示學習完成（如圖a）。完成后還有相應(yīng)的知識競答進行測試掌握情況（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，為了保證學生安全和減少設(shè)備損耗，在實操前，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個模擬設(shè)備（如圖a），學生單擊某個設(shè)備，系統(tǒng)會提示模擬設(shè)備的安裝位置；安裝好后，某些設(shè)備需要對其進行配置操作，網(wǎng)關(guān)配置調(diào)試（如圖b）中包含了對類型、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；整個智慧農(nóng)業(yè)仿真系統(tǒng)搭建完成后，可以進行智慧農(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)試包含了風向、風速、大氣壓力、二氧化碳、土壤溫度、土壤濕度6個方面，數(shù)字量設(shè)備調(diào)試包含了外遮陽、內(nèi)遮陽、補光燈、電子霧化器、風機以及水泵6個模擬設(shè)備；ZigBee組網(wǎng)配置（如圖d）主要對溫濕度和光照進行調(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，可以進行整個智慧大棚的模擬運轉(zhuǎn)，學生在3D虛擬仿真平臺中可以更直觀地感受整個智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運作流程以及模擬數(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，水泵按鈕負責開關(guān)智慧大棚的水泵，上方按鈕可以實現(xiàn)手動與自動的切換功能，當上方按鈕處于手動模式時，下方按鈕才可以進行打開或關(guān)閉操作；當上方按鈕處于自動模式時，水泵的狀態(tài)則由系統(tǒng)監(jiān)控軟件自動控制。除此之外，還有風機按鈕、照明燈按鈕、補光燈按鈕、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、下按鈕實現(xiàn)手動與自動的切換。

3? 結(jié)? 論

對于目前高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)部分實踐教學內(nèi)容不便的問題，借助數(shù)字化技術(shù)進行了探討，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實踐教學進行了探索。運用數(shù)字孿生虛擬仿真平臺2D、3D虛擬仿真功能，能夠既提高學生對教學內(nèi)容的認識，加強對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)用的理解，進而達到更好的教學效果，提升教學質(zhì)量，也能夠在一定程度上提高學生解決實際問題的能力。

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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：計算機技術(shù)、職業(yè)教育。

收稿日期：2023-04-05

基金項目：安徽省職業(yè)與成人教育學會2022年度教育科研規(guī)劃課題（Azcj2022128）；安徽省高學校自然科學研究重點項目（2022AH052740）