虚拟现实技术在物联网概论课程中的应用

宋雪　张志勇

摘 要：物联网概论是物联网工程专业的一门重要的专业必修课程。掌握这门课程对学生在物联网后续专业课程的学习和认识非常重要。这门课程内容复杂多样，并且很多抽象的概念不易理解，实验操作的损耗较大。这些问题对广大的教育单位都是一个巨大的挑战。针对这一问题，本研究提出了使用虚拟现实技术来对物联网概论实验进行建模仿真，让学生在创设的情境环境中和教师交互学习，既可以实际解决上述问题，还可以提高学生学习兴趣，让学生在探索中完成对课程的学习。

关键词：物联网概论;虚拟现实技术;课程

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

1 虚拟现实技术的概念及发展

随着信息技术的广泛发展，人们的生活方式也在不断的改变，人们的思维方式和学习方式也都在提高和进步。进入21世纪，信息化是社会发展的必然趋势，信息化发展是推动经济社会变革的重要力量[1]。由此，信息技术开始不断推动不同领域的发展，如政治领域、经济领域和教育领域等。现如今，信息技术的发展已经越来越完善，各方面都有着飞一般的进步，尤其在虚拟现实技术方面。虚拟现实技术就是通过计算机来模拟出一些需要展现的立体空间场景。VR技术是当前模拟仿真技术的最高点。虚拟现实技术的实现要借助计算机硬件、网络技术和软件等信息技术手段，来有效的模拟人在自然环境中认识和感知世界的交互性行为，通过人们丰富的想象力来创造需要进入的虚拟空间，使人们可以在虚拟空间中进行沟通、学习和重新创造。现如今虚拟现实技术已经在各个领域都有应用，并且某些领域都有了相对成熟的应用成果，在游戏方面更是有了很深入的研究，但是VR技术的开发已经趋于极限，在此之上还可以将AR、MR技术加入到教育领域进行研究，会给学生带来更加生动逼真的场景互动，增强学生的学习体验，让学生对知识的掌握与理解达到我们预期的标准。

2 VR在高校物联网概论课程中的应用

2.1 在国内学校教育VR技术的应用现状

随着虚拟现实技术的飞速发展，已经引起了有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情制定了虚拟现实技术及其相关技术领域的研究，在学校教育培训中也发挥了级其重要的作用。北京自动化工程学校于2017年9月与北京知感科技有限公司合作，建设知感VR虚拟现实实训教学中心，推进VR智慧教学;锦州师范高等专科学校于2018年12月参与学前教育VR虚拟现实体验实训项目;固原市特殊教育学校于2019年1月向政府申请VR超级教室设备采购;新东方学校于2015年创设实施虚拟教学英语教室;百度公司于2017年在贫困山区的学校内创设了VR虚拟教室。从上面的内容看来，国内的虚拟现实技术应用在教育研究上主要还是学前教育和部分职业教育，在大学科目上应用还是极少的。虚拟现实技术在教育领域的发展只是其中的一部分，游戏领域、航空航天领域和医药领域方面的发展更加深远，并且会获得越来越广泛的应用。现如今社会的多样性和互通性导致了其他领域的发展都可以加入叫教育中，如，地理上的虚拟建模就可以应用到地理教学中，历史中的建模还原可以应用到历史教学中，这些都意味着VR技术可以在教育领域中有着更广阔的研究发展空间。

2.2 物联网概论课程在VR情境教学对比传统教学的优势

在传统教学中，最初讲物联网课程时，很多学生对这门课程的内容是不了解的，并且认为学习物联网概论是一件很难的事情。这由于在之前的学习中，他们没有进行过系统的学习，或者因为教育水平不同，使得学生接受的教育不同，学习掌握的知识也就不同。不仅如此，物联网概论中有些内容教学很抽象，理论知识和实践内容相差较大，导致很多学生掌握了理论知识却无法完成实践操作。在以往的教学中，教师在实验室使用实验器材教学生来掌握实验内容，教师在讲台演示一遍，让学生直观的掌握所学的知识。可是根据实验室的实际情况，会使一部分学生接收困难，并且在看过一遍后，自己进行实验的时候出现诸多问题，并且实验器材会有损耗，也会影响实践操作。而且从具身认知的角度出发，传统灌输式的教学方式与人类认识的基本规律相违背，不能帮助学生将所学知识内化，学生自然也就无法真正理解和掌握所学知识[2]。

然而，通过虚拟现实技术的应用，可以给学生提供更加精确的指导，也可以辅助教师教学。在虚拟现实技术沉浸式的特点和直观的临场感可以让学生自主投入到学习中，将被动换为主动学习。情境式学习理论认为，知识是学习者在特定情境下主动构建的，强调知识与情境之间的动态互动。虚拟现实技术正好适合这一理论，利用VR技术创建一个虚拟空间，我们有教师VR授课系统和学生的VR头显，学生戴上VR头显就可以进入到这个虚拟教学空间中，我们可以将这个环境设计成一个可以吸引学生学习的环境，并将实验器材都展现在这个空间内，教师可以将实验内容清晰的展示给所有的学生，并对学生的实验内容随时检查、纠正，可以细致的查找出实验动作的规范性和准确性。当实验结束后，可以将学生的实验结果定期向教师反馈，便于教师对学生对整学期的实验进行控制与规划。学生在这样的教学环境中，比较容易产生学习兴趣，提高学习的积极性、主动性，有利于学生对各种元器件以及实验的工作方式掌握和理解，并且对今后物联网概论课程有着一定的指导意义。

3 按键切换LED等变换实验操作实例

3.1 实验操作内容

本次实验目的是将VR虚拟教学和传统的实验教学分别在17级、18级物联网概论课程中进行实验应用，对学生学习情况进行分析。

本次案例目的是使学生掌握按键切换LED工作原理及方法，使用Arduino编写程序、编译和下载程序。实验器材需要UNO开发板一套，三色灯，按键，LED220欧电阻，连线若干，C++程序设计开发环境，ArduinoIDE集成开发环境。VR技术需要HTC VIVE Rro专业版VR头盔，曼恒VR开发环境。

首先，使用VR技术软件和硬件将实验器材扫描建模，然后设计相应的C++程序设计开发环境连接到VR虚拟环境中。

其次，教师演示实验内容，并教会学生掌握按键切换LED工作原理。

最后，验收学生实验效果，是每次按下LED按键都会切换一种颜色，依次为红、绿、蓝、黄、紫、青、白。

3.2 实验实施结果分析

在17级物联网概论课程教学中，未使用虚拟现实技术教学环境时，班级共计80人，实验掌握程度48人、实验完成程度50人、错误程度60人、学生参与程度70人、签到率76人，其中实验掌握率为60%、实验完成率为62%、错误率为75%、学生参与率为87%、签到率为95%。

在18级物联网概论课程教学中，使用虚拟现实技术教学环境时，班级共计86人，实验掌握程度70人、实验完成程度76人、错误程度40人、学生参与程度86人、签到率86人，其中实验掌握率为81%、实验完成率为88%、错误率46%、学生参与率为100%、签到率为100%。对比如图1所示：

4 结束语

虚拟现实技术的出现，给教育领域提供了一种新的打开方式，而虚拟现实技术在物联网概论课程的教学中在国内外都极少应用，这种虚拟环境教学的上课模式，及有利于学生对知识的学习与掌握，探索学生对学习的兴趣与爱好，发展学生的学习主动性，可以给更多对想学习物联网概论却又毫无头绪的學生提供有效的帮助。虚拟现实技术必将成为教育领域的先进技术之一，能够进一步推进教育的改革发展，全面提高教育教学质量。

参考文献：

[1]中华人民共和国工业和信息化部.2006-2020年国家信息化发展攻略[M].

[2]殷明，刘电芝.身心融合学习：具身认知及其教育意蕴[J].课程·教材·教法，2015，35（07）：57-65.

作者简介：宋雪（1994-），女，吉林长春人，研究生，研究方向：职业技术教育。