数字孪生虚拟仿真平台在高职物联网实践教学中的探索

摘  要：高职物联网专业实践教学是人才培养中必不可少的环节，在有些场景下实训室无法满足实训要求。文章合理利用数字孪生虚拟仿真平台，将数字化技术与线下教学融合，借助虚拟仿真平台对智慧农业实践教学进行探索，全过程展示智慧大棚的认知、物联网系统认知、系统设备学习、智慧农业系统模拟搭建以及系统应用模拟。研究表明，数字孪生虚拟仿真平台有助于物联网实践教学，提高学生学习兴趣與实践能力。

关键词：物联网；实践教学；数字孪生；虚拟仿真

中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：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年党的二十大胜利召开，二十大报告中明确指出要推进教育数字化[1]。教育数字化是数字中国的重要组成部分，国家高度重视教育的数字化转型，近年来的新冠病毒感染疫情也加速了职业教育数字化转型的步伐，推动了职业教育的教育教学变革。

为切实保证课堂教学的有序开展，持续提高职业教育课堂教学质量，以及激发学生的学习兴趣与学习主动性，许多高职院校将数字化教学技术融入教育教学全过程。职业教育实践类课程在引入数字技术服务教学方面通常面临更高的挑战，这是因为实践类课程主要采用了“做中学、学中做”的教学理念，对于学生的沉浸式体验有更高的要求。为提升课程教学质量，促进其与各类数字化资源的有效整合，国内外都做出了诸多讨论。Ronzhina等人[2]对俄罗斯国立职业师范大学的475名学生和118名教师进行了问卷调查，结果显示，参与者一致认为数字技术在俄罗斯高等教育中的渗透程度较低，并且学生和教师对数字化带来的学生认知能力的提高也有不同的评价，总体而言，数字化对学业成绩的贡献高于平均水平。

推动职业教育数字化转型以提升教学质量除了受经济社会变迁和宏观政策影响之外，近几年的新冠病毒感染疫情也是重要的催化因素。国外学者对于数字技术如何助力职业教育教学质量提升也提出了诸多观点。K?nig等人[3]的研究发现，信息和通信技术（ICT）工具，尤其是数字教师能力和教师教育学习数字技术能力的机会，对新冠疫情学校关闭期间的网络教学具有重要的适应性。此外，Algaraady等人[4]通过调查研究发现，孩子和父母对网络教育持积极态度，但这种方式同样有缺点，对父母们压力巨大。Annamalai等人[5]研究表明，新冠病毒感染大流行导致了在线学习技术使用的某些改进，符合21世纪的学习技能，然而这项研究有一些局限性，可以在未来的研究中加以解决。Erika等人[6]的一项研究显示，匈牙利在第一阶段的新冠大流行中，师生都未做好数字教育教学的准备，但在第二波疫情中，教师认为自己的能力得到了较大的发展与数字教育能力的提升有一定的关系。Giorgio等人[7]认为，在新冠大流行期间成功实施数字学习的关键之一是适当使用虚拟学习环境。

以上观点显示，随着社会数字经济的快速发展，教育的数字化转型是未来发展的趋势，借助数字化手段在提升教师教学水平和学生学习兴趣的同时，也能对教学质量的改善起到积极的促进作用。随着信息化时代的到来，数字技术手段对于职业教育的作用将会愈加明显。

1  数字孪生虚拟仿真平台架构

虚拟仿真最早起源于工科类基础课程的教学[8]。数字孪生虚拟仿真平台因其实验资源丰富、建设成本低[9]、能丰富学生学习方式、培养学生的创新能力等优点[10-12]而越来越受到欢迎。文章以安徽商贸职业技术学院物联网专业教学中的智慧农业系统为例，数字孪生虚拟仿真平台架构如图1所示。

物联网数字孪生虚拟仿真平台硬件数据源仿真系统为上层软件工程师提供虚拟的硬件数据，通過选择不同的硬件组件单元，并设置数据属性，即可按照用户设定的逻辑为上层应用提供数据支撑，通过仿真平台可以直观的观察底层的工作原理、数据传输等，同时结合硬件实训产品即可实时的展现实验流程与效果；仿真平台在实践教学过程中，师生可不受时间和空间限制，随时方便地进行学习；并且，仿真平台可脱离硬件实训产品进行实训，是一种创新的教学资产形态，同时可以让老师和学生避免实际设备产生的不必要的意外和事故。

2  数字孪生虚拟仿真平台应用

平台应用以智慧农业系统教学为例。在现实中，智慧农业的应用大多在郊区农田中，学生无法现场体验与学习[13]。因此，借助数字孪生虚拟仿真平台模拟智慧农业系统学习与搭建，使各位同学都能参与其中。

2.1  基于2D虚拟仿真系统的智慧农业构建

虚拟仿真有2D仿真和3D仿真两种，在智慧农业实训教学中，首先使用2D虚拟仿真平台进行，通过2D仿真系统中所配备的各种物联网相关设备，如传感器、执行器、网关、电源、RFID射频设备、终端、其他外设等，使学生在未接触到硬件实物设备之前，就可以从仿真系统中认识、了解和熟悉这些常见的物联网设备，为实训做好认知基础。通过2D仿真系统进行虚拟物联网设备虚拟连线以及物联网场景的仿真实训，作为物理真实设备实训前的一种先行实训，为今后学生在物联网基础实训仿真套件上的真实设备实训打下良好的基础，避免学生直接在真实设备上进行实训，因自身知识掌握度不够、操作熟悉度不强等而对设备造成人为的损耗。基于2D虚拟仿真系统的智慧农业整体构建如图2所示，学生依据前期的原理图在2D仿真软件中选择相应的设备并连接，模拟搭建智慧农业系统。

上述仿真平台中，所涉及的智慧农业系统仿真设备包含风向传感器、风速传感器、液位传感器、水温传感器、大气压力传感器、土壤湿度水分传感器、有线二氧化碳传感器以及土壤温度水分传感器等8个模拟量采集设备；还包含烟雾传感器、风扇、电子雾化器、水泵、补光灯等数字量控制设备；同时外加两个基于ZigBee的温湿度传感器和光照传感器，多个继电器和电源。上述设备在实践操作前，学生可以模拟练习。

2D仿真智慧农业系统配置如图3所示，在2D仿真中，可以双击模拟设备进行相关配置操作，以此来模拟真实设备中的设备配置操作。图3（a）中是对基于ZigBee的温湿度传感设备进行配置，可以根据需求设置Channel、PANID以及序列号，同时对温度值和湿度值进行一定范围的随机值的生成设置，以此来模拟温湿度数据；图3（b）是对中心网关的配置，其配置决定了将2D仿真系统中的各种模拟传感数据实时上传至物联网云平台，配置包含了序列号、平台地址以及端口三个核心参数，同时还需要设置ZigBee的相关参数，使其处于同一Channel和PANID，以便网关接收ZigBee传感设备数据。

2D仿真智慧农业系统物联网中心网关数据可视化展示如图4所示，双击物联网中心网关可以展示智慧农业系统中所用到的各类模拟设备传感数据值，包含2D仿真中用到的风速、水位、水温、大气压力、土壤温度、土壤湿度以及二氧化碳等参数值，更直观的展示传感数据。开关0～7分别控制不同的执行设备的启停操作，如水泵、补光灯、风扇等。

物联网中心网关与物联网云平台相连，可以将虚拟仿真平台产生的模拟数据实时上传至云平台，便于后期的软件开发教学，学生也可以通过云平台获取数据进而进行智慧农业软件的开发操作。云平台实时数据展示如图5所示，左侧是传感设备数据，右侧是执行设备状态。

2.2  基于3D虚拟仿真系统的智慧农业构建

智慧农业3D仿真系统共有四个模块构成，分别是“大棚认知”“物联网系统认知”“系统搭建”以及“系统应用”，每个模块又有三个子模块。3D智慧农业仿真系统可通过W、S、A、D控制上下左右的移动，如图6所示。

2.2.1  大棚认知模拟

物联网专业学生在进行智慧农业系统学习前，要先对农业大鹏架构有大致的认知。在大棚认知界面单击鼠标，系统会自动导览大棚应用到的设备结构及应用的介绍说明，如图7所示。

2.2.2  物联网系统认知模拟

在3D智慧农业仿真系统中，可以对所涉及的模拟设备进行操作前的认知学习，如图8所示。控制键盘进行移动，每到一个设备前都会弹出介绍说明，学习完成后右下方会有相应图标点亮已表示学习完成（如图a）。完成后还有相应的知识竞答进行测试掌握情况（如图b）。

2.2.3  智慧农业系统搭建模拟

高职物联网专业接触硬件较多，为了保证学生安全和减少设备损耗，在实操前，借助3D虚拟仿真系统完成智慧农业系统的搭建、连接与调试操作，操作界面如图9所示。智慧农业系统中需要安放的有12个模拟设备（如图a），学生单击某个设备，系统会提示模拟设备的安装位置；安装好后，某些设备需要对其进行配置操作，网关配置调试（如图b）中包含了对类型、是否启用、服务器地址、端口、用户名、密码以及更新周期的配置设置；整个智慧农业仿真系统搭建完成后，可以进行智慧农业系统中所涉及的模拟量设备（如图c）与数字量设备（如图e）的调试操作，模拟量设备调试包含了风向、风速、大气压力、二氧化碳、土壤温度、土壤湿度6个方面，数字量设备调试包含了外遮阳、内遮阳、补光灯、电子雾化器、风机以及水泵6个模拟设备；ZigBee组网配置（如图d）主要对温湿度和光照进行调试。

2.2.4  智慧农业系统应用模拟

在以上任务完成后，可以进行整个智慧大棚的模拟运转，学生在3D虚拟仿真平台中可以更直观地感受整个智慧农业系统的运作流程以及模拟数据的变化。大棚应用如图10所示。图中展示的是水泵操作，水泵按钮负责开关智慧大棚的水泵，上方按钮可以实现手动与自动的切换功能，当上方按钮处于手动模式时，下方按钮才可以进行打开或关闭操作；当上方按钮处于自动模式时，水泵的状态则由系统监控软件自动控制。除此之外，还有风机按钮、照明灯按钮、补光灯按钮、外遮阳按钮、内遮阳按钮以及喷灌按钮等，原理和水泵按钮控制相同，均通过上、下按钮实现手动与自动的切换。

3  结  论

对于目前高职物联网专业部分实践教学内容不便的问题，借助数字化技术进行了探讨，并在此基础上结合智慧农业系统实践教学进行了探索。运用数字孪生虚拟仿真平台2D、3D虚拟仿真功能，能够既提高学生对教学内容的认识，加强对物联网专业应用的理解，进而达到更好的教学效果，提升教学质量，也能够在一定程度上提高学生解决实际问题的能力。

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作者简介：孙廨尧（1993—），男，汉族，河南鹤壁人，讲师，硕士研究生，研究方向：计算机技术、职业教育。

收稿日期：2023-04-05

基金项目：安徽省职业与成人教育学会2022年度教育科研规划课题（Azcj2022128）；安徽省高学校自然科学研究重点项目（2022AH052740）