數字孿生虛擬仿真平臺在高職物聯網實踐教學中的探索

摘? 要：高職物聯網專業實踐教學是人才培養中必不可少的環節，在有些場景下實訓室無法滿足實訓要求。文章合理利用數字孿生虛擬仿真平臺，將數字化技術與線下教學融合，借助虛擬仿真平臺對智慧農業實踐教學進行探索，全過程展示智慧大棚的認知、物聯網系統認知、系統設備學習、智慧農業系統模擬搭建以及系統應用模擬。研究表明，數字孿生虛擬仿真平臺有助于物聯網實踐教學，提高學生學習興趣與實踐能力。

關鍵詞：物聯網；實踐教學；數字孿生；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字化[1]。教育數字化是數字中國的重要組成部分，國家高度重視教育的數字化轉型，近年來的新冠病毒感染疫情也加速了職業教育數字化轉型的步伐，推動了職業教育的教育教學變革。

為切實保證課堂教學的有序開展，持續提高職業教育課堂教學質量，以及激發學生的學習興趣與學習主動性，許多高職院校將數字化教學技術融入教育教學全過程。職業教育實踐類課程在引入數字技術服務教學方面通常面臨更高的挑戰，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。為提升課程教學質量，促進其與各類數字化資源的有效整合，國內外都做出了諸多討論。Ronzhina等人[2]對俄羅斯國立職業師范大學的475名學生和118名教師進行了問卷調查，結果顯示，參與者一致認為數字技術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，數字化對學業成績的貢獻高于平均水平。

推動職業教育數字化轉型以提升教學質量除了受經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。國外學者對于數字技術如何助力職業教育教學質量提升也提出了諸多觀點。K?nig等人[3]的研究發現，信息和通信技術（ICT）工具，尤其是數字教師能力和教師教育學習數字技術能力的機會，對新冠疫情學校關閉期間的網絡教學具有重要的適應性。此外，Algaraady等人[4]通過調查研究發現，孩子和父母對網絡教育持積極態度，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展與數字教育能力的提升有一定的關系。Giorgio等人[7]認為，在新冠大流行期間成功實施數字學習的關鍵之一是適當使用虛擬學習環境。

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

1? 數字孿生虛擬仿真平臺架構

虛擬仿真最早起源于工科類基礎課程的教學[8]。數字孿生虛擬仿真平臺因其實驗資源豐富、建設成本低[9]、能豐富學生學習方式、培養學生的創新能力等優點[10-12]而越來越受到歡迎。文章以安徽商貿職業技術學院物聯網專業教學中的智慧農業系統為例，數字孿生虛擬仿真平臺架構如圖1所示。

物聯網數字孿生虛擬仿真平臺硬件數據源仿真系統為上層軟件工程師提供虛擬的硬件數據，通過選擇不同的硬件組件單元，并設置數據屬性，即可按照用戶設定的邏輯為上層應用提供數據支撐，通過仿真平臺可以直觀的觀察底層的工作原理、數據傳輸等，同時結合硬件實訓產品即可實時的展現實驗流程與效果；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品進行實訓，是一種創新的教學資產形態，同時可以讓老師和學生避免實際設備產生的不必要的意外和事故。

2? 數字孿生虛擬仿真平臺應用

平臺應用以智慧農業系統教學為例。在現實中，智慧農業的應用大多在郊區農田中，學生無法現場體驗與學習[13]。因此，借助數字孿生虛擬仿真平臺模擬智慧農業系統學習與搭建，使各位同學都能參與其中。

2.1? 基于2D虛擬仿真系統的智慧農業構建

虛擬仿真有2D仿真和3D仿真兩種，在智慧農業實訓教學中，首先使用2D虛擬仿真平臺進行，通過2D仿真系統中所配備的各種物聯網相關設備，如傳感器、執行器、網關、電源、RFID射頻設備、終端、其他外設等，使學生在未接觸到硬件實物設備之前，就可以從仿真系統中認識、了解和熟悉這些常見的物聯網設備，為實訓做好認知基礎。通過2D仿真系統進行虛擬物聯網設備虛擬連線以及物聯網場景的仿真實訓，作為物理真實設備實訓前的一種先行實訓，為今后學生在物聯網基礎實訓仿真套件上的真實設備實訓打下良好的基礎，避免學生直接在真實設備上進行實訓，因自身知識掌握度不夠、操作熟悉度不強等而對設備造成人為的損耗。基于2D虛擬仿真系統的智慧農業整體構建如圖2所示，學生依據前期的原理圖在2D仿真軟件中選擇相應的設備并連接，模擬搭建智慧農業系統。

上述仿真平臺中，所涉及的智慧農業系統仿真設備包含風向傳感器、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個模擬量采集設備；還包含煙霧傳感器、風扇、電子霧化器、水泵、補光燈等數字量控制設備；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。上述設備在實踐操作前，學生可以模擬練習。

2D仿真智慧農業系統配置如圖3所示，在2D仿真中，可以雙擊模擬設備進行相關配置操作，以此來模擬真實設備中的設備配置操作。圖3（a）中是對基于ZigBee的溫濕度傳感設備進行配置，可以根據需求設置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置，以此來模擬溫濕度數據；圖3（b）是對中心網關的配置，其配置決定了將2D仿真系統中的各種模擬傳感數據實時上傳至物聯網云平臺，配置包含了序列號、平臺地址以及端口三個核心參數，同時還需要設置ZigBee的相關參數，使其處于同一Channel和PANID，以便網關接收ZigBee傳感設備數據。

2D仿真智慧農業系統物聯網中心網關數據可視化展示如圖4所示，雙擊物聯網中心網關可以展示智慧農業系統中所用到的各類模擬設備傳感數據值，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值，更直觀的展示傳感數據。開關0～7分別控制不同的執行設備的啟停操作，如水泵、補光燈、風扇等。

物聯網中心網關與物聯網云平臺相連，可以將虛擬仿真平臺產生的模擬數據實時上傳至云平臺，便于后期的軟件開發教學，學生也可以通過云平臺獲取數據進而進行智慧農業軟件的開發操作。云平臺實時數據展示如圖5所示，左側是傳感設備數據，右側是執行設備狀態。

2.2? 基于3D虛擬仿真系統的智慧農業構建

智慧農業3D仿真系統共有四個模塊構成，分別是“大棚認知”“物聯網系統認知”“系統搭建”以及“系統應用”，每個模塊又有三個子模塊。3D智慧農業仿真系統可通過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

物聯網專業學生在進行智慧農業系統學習前，要先對農業大鵬架構有大致的認知。在大棚認知界面單擊鼠標，系統會自動導覽大棚應用到的設備結構及應用的介紹說明，如圖7所示。

2.2.2? 物聯網系統認知模擬

在3D智慧農業仿真系統中，可以對所涉及的模擬設備進行操作前的認知學習，如圖8所示。控制鍵盤進行移動，每到一個設備前都會彈出介紹說明，學習完成后右下方會有相應圖標點亮已表示學習完成（如圖a）。完成后還有相應的知識競答進行測試掌握情況（如圖b）。

2.2.3? 智慧農業系統搭建模擬

高職物聯網專業接觸硬件較多，為了保證學生安全和減少設備損耗，在實操前，借助3D虛擬仿真系統完成智慧農業系統的搭建、連接與調試操作，操作界面如圖9所示。智慧農業系統中需要安放的有12個模擬設備（如圖a），學生單擊某個設備，系統會提示模擬設備的安裝位置；安裝好后，某些設備需要對其進行配置操作，網關配置調試（如圖b）中包含了對類型、是否啟用、服務器地址、端口、用戶名、密碼以及更新周期的配置設置；整個智慧農業仿真系統搭建完成后，可以進行智慧農業系統中所涉及的模擬量設備（如圖c）與數字量設備（如圖e）的調試操作，模擬量設備調試包含了風向、風速、大氣壓力、二氧化碳、土壤溫度、土壤濕度6個方面，數字量設備調試包含了外遮陽、內遮陽、補光燈、電子霧化器、風機以及水泵6個模擬設備；ZigBee組網配置（如圖d）主要對溫濕度和光照進行調試。

2.2.4? 智慧農業系統應用模擬

在以上任務完成后，可以進行整個智慧大棚的模擬運轉，學生在3D虛擬仿真平臺中可以更直觀地感受整個智慧農業系統的運作流程以及模擬數據的變化。大棚應用如圖10所示。圖中展示的是水泵操作，水泵按鈕負責開關智慧大棚的水泵，上方按鈕可以實現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閉操作；當上方按鈕處于自動模式時，水泵的狀態則由系統監控軟件自動控制。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、下按鈕實現手動與自動的切換。

3? 結? 論

對于目前高職物聯網專業部分實踐教學內容不便的問題，借助數字化技術進行了探討，并在此基礎上結合智慧農業系統實踐教學進行了探索。運用數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容的認識，加強對物聯網專業應用的理解，進而達到更好的教學效果，提升教學質量，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、職業教育。

收稿日期：2023-04-05

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