VR技术开发传感网复杂实验项目的教学改革

赵立辉，杨红喆，项鸣，古斌

VR技术开发传感网复杂实验项目的教学改革

赵立辉1，杨红喆2，项鸣1，古斌1

(1.上海应用技术大学 电气与电子工程学院，上海 201418；2. 上海应用技术大学 计算机科学与信息工程学院，上海 201418)

为了提高应用型本科院校的教学质量，更大程度地吸引学生的学习兴趣，发挥学生的学习主动性，打造本科金课，一种应用计算机技术实现信息化融合的教学方法—— VR技术虚拟仿真教学应运而生。本文把VR技术引入到传感网课程中，通过与上海曼恒公司开展实验课程开发，采用IdeaVR开发传感网VR课程教学方案，实现网络架构和感知层的虚拟仿真，并开展教学改革与探索。实践表明，通过开发VR课程，提高了学生对网络知识的理解能力，学生能更好地融入教学环境，取得了较好的改革效果。

VR技术；传感网；实验项目；教学改革

2018年5月教育部下发了关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知，明确要求“为适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系等发生革命性变化的要求，深化信息技术与教育教学深度融合，决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作”[1]。这标志着我国高等教育的教学方法和手段发生了重大转变，以信息化为代表的虚拟仿真技术融入高等教育教学改革中。为此，要拓展实验课程的深度与广度，延伸实验教学时间和空间，提升实验教学的质量[2,3]。通知下达以来，部属院校和省属院校积极开展教育教学改革，提升教学的信息化水平，充分利用计算机技术、图像图形学技术开展课程教学，一批具有代表性的虚拟仿真项目不断涌现[4]。

教育部自2018年开始了三批虚拟仿真实验示范中心的评选和公示。2020年1月疫情暴发，面对这突如其来的疫情，高等学校如何开展教学活动是摆在教育工作者面前的重大课题。国家要求教育部门要停课不停教、不停学，开展在线课程教学，这是对教育教学方法的考验，也是促使进一步开展教育改革的契机。其中，虚拟仿真在这场网络教学中发挥了重要作用，不论身处何地都可以通过网络体验虚拟仿真实验，开展高度贴近实物的虚拟教学，取得了良好的教学效果和学习体验。

传感网实验课程是主要面向电气、电子信息、物联网专业开设的专业课程，该课程将网络技术、传感器技术、计算机技术融合，实现物理信息的检测和通信。传感网实验应用感知层网络构建网络平台，利用传感器实现对物理空间信息的检测和远程传输。在传统的课程实验过程中，存在着如下问题：

1. 传感器的精度随着时间变化大，实验效果不理想。2. 传感器的硬件成本高，学生在操作过程中容易损坏，实验损耗大，难以达到一人一组。3. 网络技术和电子技术发展快，实验的硬件设备难以做到及时更新，陈旧过时的硬件不能取得满意的实验效果。4. 实验效果不直观，学生的主动性和兴趣性不强。

综上，充分利用现代信息技术，融合图像图形，实现虚拟网上实验教学，是高教实验教学改革的趋势。上海应用技术大学是应用型本科高校，培养的人才为复合型应用技能型人才。为达到学以致用，提高学习效果和学生学习的主动性，笔者对所讲授的传感网课程进行VR技术实验改革，对提高学生的动手能力和学生的技术水平具有实际意义。

一、虚拟现实系统的特点和构成

（一）虚拟现实系统的特点

虚拟现实技术即VR技术是当今热门的技术，融合了计算机、电子、图像图形学、嵌入式技术，能够通过声、光、触等感觉给人以直观的感觉，带来良好的交互效果，在以VR技术为代表的消费电子产品中得到了大量的应用。虚拟技术以计算机接口的形式提供给人机交互。VR技术归纳有3个特征，即沉浸性、交互性和想象性[5]。

1. 沉浸性：这是VR技术最重要的特征，之所以VR吸引人，是通过模仿出的真实世界给人以真实的体验，使用户处在虚拟世界中，所体验到的、听到的、看到的、触摸到的与真实环境一样，实现虚拟世界的真实漫游。这个特征是VR融入教学中的重要之处。

2. 交互性：VR技术创造的环境可以通过人机接口与身处其中的用户交互；环境能够感知用户的存在，用户可以通过交互工具与虚拟环境进行互动。交互性是否友好决定用户的体验。

3. 想象性：用户处在虚拟环境中，感受到环境的感官冲击，并与环境交互，可以促进用户想象力的提升。通过虚拟环境想象到更深层的意境，达到感性的升华。

VR具有的以上3个特征，满足了用户丰富的感官，利用了最先进的计算机技术，如果与教学环境良好地融合，将提高学习者的兴趣，继而促进知识的传达和技能的锻炼。

（二）虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统由计算机系统、VR软件、虚拟世界、输入和输出设备构成。其中计算机系统采用高性能的计算机，主机性能越高处理的速度越快，主要实现信息的处理、虚拟世界的生成。VR软件是专门为构建VR世界所开发的软件，它是构成虚拟世界的基础。虚拟世界是模仿真实环境由计算机生成的虚拟环境，并可以交互。具体的交互由输入和输出设备实现。

本文开发的虚拟教学环境如图1所示。

图1 虚拟教学环境

系统激活准备就绪后，用户进入虚拟环境中，佩戴头盔或3D眼镜，通过交互设备对世界进行漫游或交互。系统接收用户的操作指令，处理分析后变换环境，通过交互设备与用户完成及时的反馈。

图1采用的是3D-LED显示系统，用户通过VR激光定位系统等设备完成与VR场景的各种交互，如自由漫游、旋转查看交互操作等。

二、VR课程设计

针对课程的特点，考虑VR软件，虚拟项目实用性、面向应用型人才培养的特点，本文开发的VR项目通过与行业技术领先企业合作方式，使用成熟的VR软件，达到预期的实现效果。具体实现如下：

（一）利用IdeaVR实现虚拟仿真

1. 开发公司选择：上海曼恒数字，成立于2007年，是国内VR虚拟现实行业高科技企业，也是国内较早从事VR技术研究的企业之一。公司聚焦VR产品，开发有自主知识产权的VR软件产品IdeaVR，已经开发了多项面向教育领域的VR项目。

2. IdeaVR：IdeaVR (创世) 是一款为教育、医疗、商业等行业领域打造的虚拟现实引擎，能够协助教师制作专业教学课件，进行多人VR授课、科研验证。软件支持行业应用、第三方插件、场景搭建等功能，运行稳定成熟。

3. 虚拟教学环境：上海应用技术大学VR虚拟教学中心有头盔小组多人协同VR教学平台、沉浸式VR洞穴交互显示平台。通过技术对比，沉浸式VR洞穴交互显示平台采用大屏幕3D立体显示，具有分辨率高、成像质量好、用户视野大的特点，通过虚拟现实技术呈现真实场景，立体显示完美世界。交互上采用红外跟踪、手柄操作方式捕捉用户的动作，实现沉浸感体验。考虑到本项目主要开发VR场景交互，为了实现多人同时虚拟，方便实验讲授，项目采用学校已有的沉浸式VR洞穴交互显示平台。经过与开发方联系、商讨，传感网VR实验采用成熟的3D-LED洞穴交互显示，利用IdeaVR开发。

（二）建立仿真的具体对象

VR技术需要创造虚拟场景，针对传感网的特点及应用场合，选用智能家居为交互场景。虚拟场景以智能家居为背景，实现智能设备的万物互联。设计的虚拟场景为家居场景，实现家居内环境参数的检测，如亮度、温湿度、空气质量等；具有房屋的门禁管理、屋内防盗、停车管理等功能。多种传感器放置于各个不同功能的房间中，通过安装射频系统实现对人员和车辆的管理，创造熟悉的智能家居，如当屋内有人自动开启空调和照明设施，家人离开房间自动开启防盗措施等。整个场景构建空间包括客厅、厨房、书房、起居室、车等。各种检测和控制设备放在各个房屋内，考虑方便操作、环境美观等因素合理布置。

（三）实验项目功能

智能家居场景能够提供监测和控制两种类型实验，学生以用户身份进入虚拟场景，漫游体验智能家居，并可配置交互设备，实现实验效果。功能举例：

1. 自动窗帘功能：通过判断屋内的环境亮度和早晚时间段来开启关闭窗帘。

2. 照明自动开启功能：判断房间光照度及是否有人自动开启照明设施。

3. 当用户进入房间时，可以对房间的设备进行相关设置。

4. 当角色准备离开时，若判断出整个智能房间已经处于无人状态，此时需要关闭空调、通风口、电灯，并开启所有的电动窗帘。

5. 门禁操作功能。

6. 车库自动停车功能等。

（四）授课、考核方式

VR系统开发授课演示和学生实操两种模式。授课演示模式以方便教学讲解为主，通过教师动画演示和交互实现知识点的讲解以及具体技术实现。教师在大屏前讲解演示，知识点和操作过程以人机交互方式呈现。学生实操模式是实验项目闯关模式，学生以用户身份进入VR系统，体验真实场景时，按照提示以闯关游戏式实现实验过程，比如让你输入程序指令，完成门禁的设置和读写操作；通过IP及网关等实现网络的设置等。如果操作、输入正确可以进入下一步，画面呈现正确结果；若完成有误，则没有结果。另外，系统通过学生的操作会以评分的形式给出考核结果，如操作几次完成任务，指令输入正确次数等，以便学生反复练习。

图2、图3给出运行画面。分别为演示读卡、网关测试操作。

图2 读卡指令

图3 网关测试

三、项目成效

笔者对所讲授的传感网课程实验开展实践教学。经过一次的教学可知，通过考查学生的结课论文、实验报告及学生反馈情况，学生对VR课程中涉及的知识点掌握熟练，对家居传感器原理、家居环境、实验过程、网络设置、通信测试、网络命令等掌握较好。学生对VR技术的应用比较满意，如课程趣味性提高、场景类似游戏较真实等。另外，提出建议，如增加一些功能和新的实验项目，使操作交互更友好一些，减少画面抖动，解决部分模型细节不清楚等问题。

四、结束语

通过采用先进的VR技术，对传感网课程实验进行VR改革，开发逼真的虚拟环境，实现课程项目功能。采用闯关式实验步骤，电脑评分考核等方式，实现了VR课程实验案例。案例在经过教学实践和总结，分析项目成效表明，这种利用信息化、3D化的教学方式能够提高学生的学习主动性和自觉性，提升学生对专业知识的理解和运用能力，取得了较满意的教学改革效果。

[1] 徐新新. 虚拟现实技术VR在计算机教学中的应用 [J]. 信息与电脑(理论版)，2018(21): 254-256.

[2] 隋文涛, 王峰, 李玉胜, 等. VR 开发在传感器课程设计中的应用[J]. 教育现代化, 2019,2(16): 141-144.

[3] 黄永福, 季六祥. 基于VR技术的物流管理虚拟仿真实验教学中心建设探索[J]. 实验技术与管理, 2020(8): 238-242.

[4] 夏路遥, 丁红海，陆剑锋，等. 基于Unity的分布式协同虚拟实验VR环境的实现[J].高校实验室科学技术, 2019(1): 57-60.

[5] 钟正, 陈丽，史会芳，等. 基于触觉反馈的沉浸式虚拟仿真实验设计[J]. 实验科学与技术, 2019(6): 73-76.

10.15916/j.issn1674-327x.2021.06.030

G642.44

B

1674-327X (2021)06-0112-03

2020-11-26

上海市教委教师发展工程项目(20210146)；上海市教委本科重点课程项目(20190246)；上海应用技术大学重点课程建设项目(2019010)

赵立辉(1979-)，男，辽宁黑山人，副教授。

(责任编辑：付春玲)