虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)概論課程中的應(yīng)用

宋雪　張志勇

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)概論是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課程。掌握這門課程對學生在物聯(lián)網(wǎng)后續(xù)專業(yè)課程的學習和認識非常重要。這門課程內(nèi)容復(fù)雜多樣，并且很多抽象的概念不易理解，實驗操作的損耗較大。這些問題對廣大的教育單位都是一個巨大的挑戰(zhàn)。針對這一問題，本研究提出了使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來對物聯(lián)網(wǎng)概論實驗進行建模仿真，讓學生在創(chuàng)設(shè)的情境環(huán)境中和教師交互學習，既可以實際解決上述問題，還可以提高學生學習興趣，讓學生在探索中完成對課程的學習。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)概論;虛擬現(xiàn)實技術(shù);課程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.179

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念及發(fā)展

隨著信息技術(shù)的廣泛發(fā)展，人們的生活方式也在不斷的改變，人們的思維方式和學習方式也都在提高和進步。進入21世紀，信息化是社會發(fā)展的必然趨勢，信息化發(fā)展是推動經(jīng)濟社會變革的重要力量[1]。由此，信息技術(shù)開始不斷推動不同領(lǐng)域的發(fā)展，如政治領(lǐng)域、經(jīng)濟領(lǐng)域和教育領(lǐng)域等?，F(xiàn)如今，信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)越來越完善，各方面都有著飛一般的進步，尤其在虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是通過計算機來模擬出一些需要展現(xiàn)的立體空間場景。VR技術(shù)是當前模擬仿真技術(shù)的最高點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)要借助計算機硬件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件等信息技術(shù)手段，來有效的模擬人在自然環(huán)境中認識和感知世界的交互性行為，通過人們豐富的想象力來創(chuàng)造需要進入的虛擬空間，使人們可以在虛擬空間中進行溝通、學習和重新創(chuàng)造?，F(xiàn)如今虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用，并且某些領(lǐng)域都有了相對成熟的應(yīng)用成果，在游戲方面更是有了很深入的研究，但是VR技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)趨于極限，在此之上還可以將AR、MR技術(shù)加入到教育領(lǐng)域進行研究，會給學生帶來更加生動逼真的場景互動，增強學生的學習體驗，讓學生對知識的掌握與理解達到我們預(yù)期的標準。

2 VR在高校物聯(lián)網(wǎng)概論課程中的應(yīng)用

2.1 在國內(nèi)學校教育VR技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)引起了有關(guān)部門和科學家們的高度重視，并根據(jù)我國的國情制定了虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究，在學校教育培訓(xùn)中也發(fā)揮了級其重要的作用。北京自動化工程學校于2017年9月與北京知感科技有限公司合作，建設(shè)知感VR虛擬現(xiàn)實實訓(xùn)教學中心，推進VR智慧教學;錦州師范高等專科學校于2018年12月參與學前教育VR虛擬現(xiàn)實體驗實訓(xùn)項目;固原市特殊教育學校于2019年1月向政府申請VR超級教室設(shè)備采購;新東方學校于2015年創(chuàng)設(shè)實施虛擬教學英語教室;百度公司于2017年在貧困山區(qū)的學校內(nèi)創(chuàng)設(shè)了VR虛擬教室。從上面的內(nèi)容看來，國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在教育研究上主要還是學前教育和部分職業(yè)教育，在大學科目上應(yīng)用還是極少的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展只是其中的一部分，游戲領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域方面的發(fā)展更加深遠，并且會獲得越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今社會的多樣性和互通性導(dǎo)致了其他領(lǐng)域的發(fā)展都可以加入叫教育中，如，地理上的虛擬建模就可以應(yīng)用到地理教學中，歷史中的建模還原可以應(yīng)用到歷史教學中，這些都意味著VR技術(shù)可以在教育領(lǐng)域中有著更廣闊的研究發(fā)展空間。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)概論課程在VR情境教學對比傳統(tǒng)教學的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)教學中，最初講物聯(lián)網(wǎng)課程時，很多學生對這門課程的內(nèi)容是不了解的，并且認為學習物聯(lián)網(wǎng)概論是一件很難的事情。這由于在之前的學習中，他們沒有進行過系統(tǒng)的學習，或者因為教育水平不同，使得學生接受的教育不同，學習掌握的知識也就不同。不僅如此，物聯(lián)網(wǎng)概論中有些內(nèi)容教學很抽象，理論知識和實踐內(nèi)容相差較大，導(dǎo)致很多學生掌握了理論知識卻無法完成實踐操作。在以往的教學中，教師在實驗室使用實驗器材教學生來掌握實驗內(nèi)容，教師在講臺演示一遍，讓學生直觀的掌握所學的知識。可是根據(jù)實驗室的實際情況，會使一部分學生接收困難，并且在看過一遍后，自己進行實驗的時候出現(xiàn)諸多問題，并且實驗器材會有損耗，也會影響實踐操作。而且從具身認知的角度出發(fā)，傳統(tǒng)灌輸式的教學方式與人類認識的基本規(guī)律相違背，不能幫助學生將所學知識內(nèi)化，學生自然也就無法真正理解和掌握所學知識[2]。

然而，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，可以給學生提供更加精確的指導(dǎo)，也可以輔助教師教學。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)沉浸式的特點和直觀的臨場感可以讓學生自主投入到學習中，將被動換為主動學習。情境式學習理論認為，知識是學習者在特定情境下主動構(gòu)建的，強調(diào)知識與情境之間的動態(tài)互動。虛擬現(xiàn)實技術(shù)正好適合這一理論，利用VR技術(shù)創(chuàng)建一個虛擬空間，我們有教師VR授課系統(tǒng)和學生的VR頭顯，學生戴上VR頭顯就可以進入到這個虛擬教學空間中，我們可以將這個環(huán)境設(shè)計成一個可以吸引學生學習的環(huán)境，并將實驗器材都展現(xiàn)在這個空間內(nèi)，教師可以將實驗內(nèi)容清晰的展示給所有的學生，并對學生的實驗內(nèi)容隨時檢查、糾正，可以細致的查找出實驗動作的規(guī)范性和準確性。當實驗結(jié)束后，可以將學生的實驗結(jié)果定期向教師反饋，便于教師對學生對整學期的實驗進行控制與規(guī)劃。學生在這樣的教學環(huán)境中，比較容易產(chǎn)生學習興趣，提高學習的積極性、主動性，有利于學生對各種元器件以及實驗的工作方式掌握和理解，并且對今后物聯(lián)網(wǎng)概論課程有著一定的指導(dǎo)意義。

3 按鍵切換LED等變換實驗操作實例

3.1 實驗操作內(nèi)容

本次實驗?zāi)康氖菍R虛擬教學和傳統(tǒng)的實驗教學分別在17級、18級物聯(lián)網(wǎng)概論課程中進行實驗應(yīng)用，對學生學習情況進行分析。

本次案例目的是使學生掌握按鍵切換LED工作原理及方法，使用Arduino編寫程序、編譯和下載程序。實驗器材需要UNO開發(fā)板一套，三色燈，按鍵，LED220歐電阻，連線若干，C++程序設(shè)計開發(fā)環(huán)境，ArduinoIDE集成開發(fā)環(huán)境。VR技術(shù)需要HTC VIVE Rro專業(yè)版VR頭盔，曼恒VR開發(fā)環(huán)境。

首先，使用VR技術(shù)軟件和硬件將實驗器材掃描建模，然后設(shè)計相應(yīng)的C++程序設(shè)計開發(fā)環(huán)境連接到VR虛擬環(huán)境中。

其次，教師演示實驗內(nèi)容，并教會學生掌握按鍵切換LED工作原理。

最后，驗收學生實驗效果，是每次按下LED按鍵都會切換一種顏色，依次為紅、綠、藍、黃、紫、青、白。

3.2 實驗實施結(jié)果分析

在17級物聯(lián)網(wǎng)概論課程教學中，未使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學環(huán)境時，班級共計80人，實驗掌握程度48人、實驗完成程度50人、錯誤程度60人、學生參與程度70人、簽到率76人，其中實驗掌握率為60%、實驗完成率為62%、錯誤率為75%、學生參與率為87%、簽到率為95%。

在18級物聯(lián)網(wǎng)概論課程教學中，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學環(huán)境時，班級共計86人，實驗掌握程度70人、實驗完成程度76人、錯誤程度40人、學生參與程度86人、簽到率86人，其中實驗掌握率為81%、實驗完成率為88%、錯誤率46%、學生參與率為100%、簽到率為100%。對比如圖1所示：

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，給教育領(lǐng)域提供了一種新的打開方式，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)概論課程的教學中在國內(nèi)外都極少應(yīng)用，這種虛擬環(huán)境教學的上課模式，及有利于學生對知識的學習與掌握，探索學生對學習的興趣與愛好，發(fā)展學生的學習主動性，可以給更多對想學習物聯(lián)網(wǎng)概論卻又毫無頭緒的學生提供有效的幫助。虛擬現(xiàn)實技術(shù)必將成為教育領(lǐng)域的先進技術(shù)之一，能夠進一步推進教育的改革發(fā)展，全面提高教育教學質(zhì)量。

參考文獻：

[1]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.2006-2020年國家信息化發(fā)展攻略[M].

[2]殷明，劉電芝.身心融合學習：具身認知及其教育意蘊[J].課程·教材·教法，2015，35（07）：57-65.

作者簡介：宋雪（1994-），女，吉林長春人，研究生，研究方向：職業(yè)技術(shù)教育。