AIOT虛擬仿真實訓中心建設探索

魯邦定

（1.江蘇聯合職業技術學院通州分院，江蘇 南通 226300；2.江蘇省通州中等專業學校，江蘇 南通 226300）

1 引言

隨著AI、VR/AR等技術的發展和普及，新技術在教育領域的廣泛應用，不斷推動教育教學的現代化、智能化、多樣化和互動化，有效推進教育教學改革，為學生提供更為多元、更適合不同個體需求的學習體驗。2020 年10 月，教育部職成司印發《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設工作的通知》，指出“隨著信息技術的發展，建設職業教育虛擬仿真實訓基地，既是改革傳統教學育人手段，推進人才培養模式創新的迫切需要，也是強化教學、學習、實訓相融合的教育教學活動，有效彌補職業教育實訓中看不到、進不去、成本高、危險性大等特殊困難的重要措施”[1]。在適應數字經濟發展要求和產業轉型升級的背景下，許多職業院校都在積極謀劃和建設虛擬仿真實訓中心。建設智能化虛擬仿真實訓中心，可以大大促進職業院校的人才供給、技術創新和服務供給，將人才培養真正融入企業的生產進程，從而跟上各行業數字化、網絡化、智能化的發展趨勢。

虛擬仿真實訓中心的建設，既是改革傳統教學育人手段的迫切需要，也是推動人才培養模式創新的必要手段。它有效地融合了教學、學習、實訓等教育活動，增強了教育教學的效果，使得實訓教學手段和教學模式更加多元化，將有力拓寬學生的學習途徑。通過虛擬仿真實驗教學培養學生的創新意識和創業能力，提升專業素養，使學生成為適應數字經濟時代需要的應用型、創新型人才[2]。

2 建設的必要性和目標

2.1 必要性

近年來，隨著信息技術的迅猛發展以及國家教育部門的積極推動，虛擬仿真實訓在職業教育領域中的應用已經變得日益廣泛，成為實訓教學不可或缺的組成部分和提高教學質量的重要推動力。實訓作為職業教育教學過程中的重要一環，能有效增強學生的實操動手能力，拉近學生與職業崗位之間的距離，減少就業過程中人與崗不匹配的矛盾。然而，長期以來，實訓教學都面臨高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題。而物聯網是戰略性新興產業，物聯網應用技術專業是一個綜合性學科專業，融合了微電子、電子信息、計算機、軟件、通信等各個學科的知識點，同時還具有眾多本學科的專有知識點，對實訓要求更高。

虛擬仿真實訓，是指借助虛擬仿真軟件或機器，模擬真實的工作場景，從而訓練學生的相關職業操作技能。這一新模式的出現，提升了學生的知識學習和技能學習，也為實訓“三高三難”問題提供解決思路。虛擬仿真實訓是當前培養高素質技能型人才的迫切要求，也是職業院校現代化建設的必然趨勢。

2.2 主要目標

AIOT 虛擬仿真實訓中心建設密切對接地方物聯網、區塊鏈、大數據等新一代信息技術主導產業，對接物聯網典型應用場景和崗位，結合物聯網應用技術專業發展的需要，以人工智能運用、創新思維培養和人的可持續發展為目標，對傳統課程體系進行升級改造。主要目標：一是建設創新型實踐教學中心。以物聯網實驗項目為核心，虛實結合，構建集教學、實訓、培訓、競賽、科普、體驗等多功能于一體的實踐教學中心，注重各種技術之間的融合與靈活應用，滿足專業（技能）課程實訓需要，滿足學生自主、個性化的泛在學習需求，以啟發學生的創新思維，提升學生創新能力。二是改善專業人才培養模式。通過實訓演練和智能化考核，改善傳統實驗教學的專業人才培養模式，使學習者能夠便捷、靈活地獲取優質教學資源，通過學習過程中的交流、互動、自主實驗，完成高效、低耗、多樣的實驗項目[3]。三是建設校企混編特色教學團隊。全面打造一支“教學+服務”的教師團隊，利用學校和企業的各自優勢，對接崗位，導入學科專業前沿知識，建設優質教學資源，努力造就一支師德高、結構優、業務精的教師隊伍。

3 建設的基本思路

為了解決職業院校實訓中心建設滯后、數字化實訓資源缺乏、服務教學能力不足和“三教改革”推動難等問題，同時滿足地方產業發展和行業典型應用的需求，職業院校正在探索物聯網虛擬仿真實訓中心建設的有效路徑。其基本建設思路如下：

3.1 科技引領，虛實結合

基于人工智能和虛擬現實等新興信息技術，將物聯網實訓設備與信息技術高度交叉融合，通過虛實結合的方式，構建并開發虛擬仿真實訓系統。學生可以靈活選擇實驗內容，對自己完成的綜合設計性實驗方案進行檢驗，有效拓展了實踐渠道，其次大大節省了傳統實驗室建設中人力、物力、財力的投入，降低了實驗教學成本。打破了傳統教育的時空限制，優化教學資源配置和促進教育公平，有利于教育個性化發展。

3.2 校本特色，服務創新

通過校企合作，在實踐教學體系中融入物聯網職業資格標準，有針對性地制定建設規劃和虛擬仿真實訓中心實施方案，探索符合學校實際需要和當地新一代信息技術產業需求的創新路徑與方法。鼓勵跨校及校企共建實訓基地聯合體，建立區域共建共享機制，實現優質虛擬仿真實訓資源的開放共享和持續應用，拓展服務面向，提升實訓中心服務能力。

3.3 立足行業，貼近應用

立足行業，對接人才培養方案和崗位需求，整合考慮專業基礎學習、崗位技能培訓、行業應用實訓、項目綜合實戰等不同階段的教學需求，構建虛擬真實職業崗位生產設備的工作原理、運動仿真分析、人機交互的自主實驗遠程實訓環境。盡可能地貼近或提供真實的行業應用，以確保學生所學內容能夠無縫銜接地運用在真實的相關行業工作中。

4 建設的內容

將各個階段的教學特點與虛擬仿真技術相融合打造“基礎理論可視化+物聯網工程快速開發部署+行業應用3D 仿真+數字孿生技術”為主的虛擬仿真工程模式；遵循“以虛補實、以實為主、能實不虛、虛實結合”的原則，將虛擬仿真技術與核心課程教學目標相結合，實現教學理念科學化、實訓內容智能化。

AIOT 虛擬仿真實訓中心，包含四大板塊：VR 虛擬現實體驗平臺、AIOT在線工程實訓平臺、物聯網基礎教學仿真平臺、3D行業仿真應用實訓平臺，旨在打造開放的在線實訓平臺，為參訓的老師、學生、社會人員提供虛實結合的實訓環境。平臺配套豐富的實訓資源，通過系統的線上公共實訓課程的學習，解決實訓教學中“三高三難”的問題。

4.1 VR虛擬現實體驗平臺

VR 虛擬現實互動體驗平臺，模擬物聯網真實的行業典型應用場景，不僅可以讓學生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽、觸、覺獲取外界的反應；還可以引導學生思想上發生改變，感受動手實踐對人類發展的推動作用，熟悉現代工程的真實工作場景和特殊工作要求，形成正確的職業認識，同時提高對物聯網行業應用的整體認知。

VR 虛擬現實互動體驗平臺，由VR 虛擬現實體驗系統和VR體驗套件構成。產品架構圖如圖1。

圖1 VR虛擬現實體驗平臺架構

圖2 物聯網工程仿真實驗

圖3 物聯網基礎教學虛擬仿真平臺

圖4 智慧農業3D仿真套件

圖5 智能家居3D仿真系統平臺

4.2 AIOT在線工程實訓平臺

AIOT 在線工程實訓平臺涵蓋了物聯網實訓方案設計、設備安裝和調測、應用系統部署、項目運行管理與維護等教學內容，沿用了信息行業典型應用的模式架構，以完整的軟硬件項目生命周期的模式培養學生的綜合能力，同時根據課程教學實驗與實訓的要求，打造出以“線下項目實施+線上工程仿真實訓+遠程系統部署”為主的虛擬仿真暨在線實驗工程模式，強化教學、學習、實訓相融合，更能滿足廣大院校人才培養需求和各行業企業用人需求[4]。

AIOT在線工程實訓平臺的工程仿真模塊提供豐富的實物仿真資源，要求學生通過對項目的理解結合自己的構思設計出符合要求的仿真電路并自行驗證；自主實驗模塊結合學生在系統部署、數據源信息采集、物聯網平臺架構、代碼開發等各方面的知識，完成項目整體方案設計及功能實現。該模塊可支持物聯網工程實施與運維、物聯網系統部署、物聯網項目規劃與實施等專業課程。

4.3 物聯網基礎教學仿真平臺

物聯網基礎教學仿真平臺為學生的仿真實訓提供了一套組態開發模式，該平臺包括圖形化組態應用和硬件數據源仿真兩大模塊，同時可進行二次開發、在線編程以及云平臺應用，并且仿真設備與實驗設備的數據可進行同步，達到虛實結合。平臺承載“物聯網行業實訓仿真”“物聯網RFID實訓仿真”等課程資源，包含物聯網設備的特性、應用、開發以及調試維護等，用來支撐學生對物聯網行業基礎知識的理解。根據物聯網知識體系層層遞進的關系以及學習過程由易到難的規律，設置物聯網認知學習、關鍵技術學習、行業基礎知識學習、行業應用實訓、最后綜合應用實訓的學習安排[5]。

4.4 3D行業仿真應用實訓平臺

物聯網技術在不同行業中應用各具特點，需要工程技術根據現場環境和客戶需求進行設計和施工。3D物聯網行業應用項目實訓，為師生提供了“構想性、沉浸化、強交互”的獨特教學模式。本課程內容主要應用于在項目實訓教學過程中，能夠激發學生學習興趣，擴展思維，引導學生主動創新、解決問題，增強動手能力，實現綜合素質全面發展。

（1）智慧農業3D虛擬仿真

物聯網行業應用3D 仿真系統，選取智慧農業行業應用中典型的農業大棚作為實訓的課題，讓老師、學生等充分了解智慧農業各個設備的工作原理、連接配置，熟悉智慧農業應用的各種技術，通過實際的行業應用開發實訓，提升編程水平，在此基礎上，進一步升級調整，不僅使智慧農業實訓套件更加符合現代農業大棚的行業應用，而且增加了真實的農業大棚的3D 仿真場景，并且能與智慧農業實訓套件進行聯動，通過采集真實的傳感設備的數據直接作用于仿真場景。而仿真場景中環境的變化也可直接作用于智慧農業套件。

智慧農業物聯網種植實訓系統，是由智慧農業3D 仿真套件和智慧農業3D 仿真系統組成，兩者可相互通信、相互驗證。

（2）智慧家居3D虛擬仿真

智能家居場景的3D仿真平臺分為知識學習、情景體驗、實景實驗、綜合實訓四大板塊。知識學習讓學生通過理論知識學習、設備學習由淺入深地掌握仿真設備的基礎知識；情景體驗讓學生通過各種家居情景的動畫引導模擬體驗，提前感知家居模式的智能化與人性化；實景實驗設計了由簡至難的實訓實驗，引導學生穩扎穩打，夯實技術能力；綜合實訓則是在前面三個板塊的基礎上，做了一個綜合靈活的智能家居項目實訓。

結合智能家居真實設備的配置情況，智能家居3D 仿真系統構建了虛擬的行業應用場景，讓學生在開始行業應用實訓之前，先進行物聯網3D仿真實訓，通過虛擬仿真的教學實訓，使學生掌握智能家居工程實訓內容與規范實訓操作標準后，再進行物理硬件設備的實操實訓，做到虛實結合，進一步提供學生的整體實訓能力與智能家居知識。

5 師資團隊建設

多元化、高素質、雙師型的混編師資團隊是實踐教學的重要保障。產教深度融合，校企雙方共同遴選并組建校企師資團隊，通過學校學科帶頭人、骨干教師和企業骨干技術力量組成團隊，通過崗位調研制訂人才培養方案、課程標準、校本教材等，在建設針對性的校本教材上通過虛擬實訓基地來幫助學生完善專業學科學習，同時在建設虛擬實訓基地的同時使得校企團隊相互學習、相互培訓，掌握行業最前沿的新技術、新工藝、新材料。

打造“雙師型”教師隊伍，將“做中學、學中教”的職業教育的理念全面融入到教育教學的全過程中，實現理論教學與實踐教學的深度融合，以提高教學質量和效果。通過虛擬仿真公共實訓基地，為教師提供豐富的教學資源，同時也促進教師根據學校專業特色和學生情況，總結整理自己的知識體系，輸出更多的教學資源并實現區域共享，從而提升教師的上課效率、教學質量、業務實踐水平與師資水平。

6 結語

通過產教融合、協同育人、校企合作共同推進本項目四大平臺的建設，依托VR 虛擬現實體驗平臺、AIOT 在線工程實訓平臺、物聯網基礎教學仿真平臺、3D行業仿真應用實訓平臺，運用虛擬仿真現代化教學手段，引入真實項目，強化學生就業競爭力和職業能力，項目著力于改革創新，打破傳統辦學和教學模式，培養智慧行業方向高素質技能型人才，加速推進學校專業建設內涵發展，全面實現人才培養模式的新突破。