Web综合布线虚拟仿真平台的应用研究

滕振宇

摘要：随着科学技术的不断发展，各种先进的科学技术被应用到实训教学领域，虚拟仿真平台就是其中重要的一种，其应用可以有效提高教学质量、解决职业教学工位不足问题、减少布线教学成本、提升学生兴趣和教学安全性。为确保应用效果，在应用过程中遵循了教学系统逼真性原则、系统研发中的模块化原则、系统多功能与易操作控制原则、内容的真实与规范原则和符合教学应用要求原则。此外，在系统研发过程中，需要根据教学要求开展软件系统研发，研发后的平台软件系统具有多元化的功能，且环境适用性较强，能够满足教学的需要。应用结果表明，Web的综合布线虚拟仿真平台的应用效果极为显著，为此，建议相关院校借鉴Web综合布线虚拟仿真平台的应用经验。

关键词：Web;综合布线;虚拟仿真平台;平台开发

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）12-0226-03

为做好布线技术仿真教学工作，提高教学实训课程质量，解决当前实训教学过程中存在的部分问题，教学技术研究人员结合基于web网络系统，利用现有的网络与信息技术资源开展了综合布线虚拟仿真平台研究，并将其应用到教学工作中。该平台的开发一方面优化了理论课程与虚拟实训、实践操作之间的关系，实现了教学中教学理论与实操的有效结合;另一方面也为学生实际操作能力的提升提供了支持。因此，研究人员从实践教学着手，结合技术与理论研究成果开展了平台从研制到实际应用的研究。

1 平台开发在教学中的作用

在教学中，仿真平台可以发挥以下作用。

1.1 有效地提高教学质量

在仿真教学过程中，仿真平台的应用可以有效地提高教学质量。这主要是由于仿真平台在教学中具有以下的几点优势：一是仿真平台可以有效提高学生对布线系统的感知性;二是会使学生产生对学习的沉浸感;三是系统可以与学生产生实时交互，与学生形成互动学习理念;四是平台具有良好的真实性，便于学生理解能力的提升。

1.2 解决了职业教学工位不足问题

传统的布线实训教学中，工位不足，学生学习时间少、效率差是造成学生学习效果差的一个重要因素。使用虚拟仿真平台后，学生可以使用计算机完成模拟实训课程。这种教学方式有效地解决了实训教学工位不足的情况，有效确保每个学生有充足的时间完成实训课程。

1.3 有效地减少布线教学成本

仿真平台的应用有效地降低实训教学成本。其主要由以下两方面因素决定。

第一，有效地减少了实训材料与工具的成本。传统的综合布线教学实训中，需要提供大量的布线材料与工具，教学完成后还需完成后期的清理工作，教学成本较高。采用仿真平台后，计算机系统会模拟布线时使用的工具、材料以及布线空间，且其空间系统可以自动恢复，重复使用。这种教学模式的应用在学生完成实训内容、充分了解操作流程与规范的同时，有效地降低了教学中支出和管理成本。

第二，信息系統自身的成本优势。在仿真平台的推广中，可以使用院校自身的计算机硬件设备，系统更新换代所需的投资较小。同时平台软件系统可以通过系统更新，实现实训工作虚拟环境要求，达到满足院校与学生更多的教学需求。这种信息化技术的成本因素也是有效降低实训教学成本的重要因素。

1.4 有助于提升学生学习兴趣

传统的布线教学实训中，其内容较为简单枯燥，难以引发学生的学习兴趣。而仿真平台在教学中采用了计算机系统布线中的模拟真实环境，提供了形象逼真的三维动画、较多的色彩与教学背景音乐。这种信息化的教学方式，在为学生提供熟悉实训的真实环境、完成实训操作的同时，很好地提高了学生对实训的学习兴趣。

1.5 提高了教学中的安全性

实际布线工作中，需要完成“墙上爬高”“打线”等许多危险动作，给实训带来很多安全隐患。使用仿真教学平台，利用计算机模拟操作完成这些危险工作，提高了教学中的安全性。

2 系统研发的主要原则

为确保仿真平台系统在教学中起到应有的教学作用，系统研发人员在研发之前需确定研发遵循的主要原则。根据web综合布线教学需求以及实训课程特征，确定以下五个原则。

2.1 教学系统逼真性原则

为确保教学计划顺利完成以及学生实操水平的提升，系统研发中需要确保仿真呈现场景、设备、工具等形象逼真，保证学生对教学内容有身临其境的感觉，使其形成能力意识、使用热情以及实际操作兴趣。

2.2 系统研发中的模块化原则

平台中各模块间具有既相互关联又相对独立的特征，这决定了研发者在平台框架研发中，应秉承模块化与开放性的技术原则。其一可以保证平台后期教学系统的可扩充性，实现系统软件的增容与维护管理;其二通过模块化提高了系统的兼容性。

2.3 系统多功能与易操作控制原则

在系统研发中，技术人员应在确保仿真效果的情况下，实现教学、管理等界面功能的多样化及系统易操作等性能。如在研发中，技术人员应实现人与系统的交互操作体验;系统操作界面的导航系统应简洁明了，内容保证清晰、明确，操作简单，以达到学生能在较短的培训时间内掌握系统操作的目标。

2.4 内容的真实与规范原则

在平台研发中，技术人员应从布线工作中的真实情况、操作规程以及工作流程等实际情况出发，严格遵守国家规定的操作与技术规范，充分体现平台教学内容的真实与规范性，让学生在学习中体验真实的工作环境与规范要求，为实际操作的开展提供技术支持。

2.5 符合教学应用要求原则

平台研发中的软件系统与教学内容设计应贴合教材与教学实践内容，并符合教学应用的要求。确保教师演示的授课内容与学生平台中的学习内容相符，同时便于使用平台对学生进行考核。

3 平台软件系统研发

在系统研发过程中，研发者首先需要根据教学要求开展软件系统研发。主要工作集中在以下几点。

3.1 软件主要架构系统

在平台软件系统研发中，技术人员需利用信息化虚拟现实技术（VR-Virtual Reality），为使用者构建与实际操作空间逼真的三维环境，让学生利用平台输入输出设备与虚拟系统中仿真性内容（如环境、工具、材料等）实现信息交换，完成仿真学习过程。系统研发的软件主要包括基础支持层、数据库与模型库层、系统仿真层和系统应用层。其主要的结构如图1所示。

1）平台基础支持层系统功能

平台基础支持层的主要作用是保障系统安全可靠运行。其在运行中主要包括了基础软件（如操作系统、网络服务系统等）与网络硬件系统（如服务器、路由器等）两个主要组成部分。在实际的应用中，其主要的两个运行体系包括了教学中应遵循的标准体系与环境体系。

2）平台数据与模型库系统功能

系统的数据与模型库层是仿真教学开展的基础层。主要功能包括以下两个部分：一是系统数据库系统。该系统利用字符形式，为平台存储各类信息文件，如平台各类系统属性信息、教师与学生等用户信息、仿真教学使用的模型信息、教学中的各种操作记录信息等;二是平台模型库系统。该系统主要用于存储仿真虚拟场景中用到的各类模型数据，其存储方式为文件的形式。平台教学过程中，交易系统采用数据索引与元数据形式与数据库链接，提取模型数据。

3）平台软件仿真层系统功能

系统仿真层是用于仿真教学的核心层面，也是系统研发的重点内容。系统的访问界面，为系统提供了与外界数据服务和功能服务的接口，且具有与功能服务接口交换数据的功能。其主要功能包括实训平台与教学应用平台，同时为教学与学生提供认知、练习、考核等各项服务。此外，该平台还可以通过支持系统预留的服务接口，实现扩充教学数据、用户与权限管理等操作。

4）平台系统应用层功能

系统的应用层为学生提供实训教学服务，提供各类教学功能模块：如跳线制作、模块端接、配线架端接等各项教学模块。

3.2 软件系统设计应具备的主要功能

在软件系统研发中，研发者应根据仿真教学需求设计以下的几个主要功能。

1）系统可在教学与日常运行中获得仿真模型库中的3D素材以及OpenGL等系统中的三维模型，将其发布至投影系统，完成教学内容的立体展示。

2）系统可在运行时将各类设计软件在最短时间内同步到投影系统，完成教学过程中需要立体展示完成漫游、拆装、剖切、测量等实训动作，避免因格式另存、数据转换等问题造成延迟现象。

3）系统可在运行中导入教学中常用的fbx、obj等三维格式数据。

4）系统的数据库系统具有完善的数据压缩格式，可实现工程、项目等文件的存储功能。

5）模型库与基础支持系统可完成教学模型的复制与删除功能。同时系统还应具有控制显示模式（如教学平台应用中的网格實体、隐藏显示、居中显示等）功能。

6）系统须有效支持模型设计与编辑功能，如在教学应用中教师可以根据教学内容完成模型姿态、纹理、材质属性等内容的修改。

7）系统应具备较好的灯光系统，使教师在教学中可以根据教学内容进行实时阴影渲染。

3.3 仿真系统使用环境

在系统研发中，设计者应重视系统的使用环境设计，使用户可以完成以下工作：一是学生使用环境。学生在仿真教学环境中尽快掌握接线实训的知识点与实际操作能力，最快了解与掌握接线中主要工具，在实训过程中充分体验需要了解的知识点与接线过程中的基本技巧，在考核模式中，学生可以独立规范的完成接线作业流程;二是教师使用环境。教师在仿真教学环境中可以对学生实训过程进行观察，同时通过系统后台查看学生实训成绩等信息。

系统研发中主要包括PC与VR头盔两个使用环境。其中PC环境主要功能是实现教学系统与平台管理系统之间的数据通信，实现将学生学习过程信息反馈到后台管理系统，为后期查阅与分析提供服务。

3.4 软件应用功能模块设计

在平台系统研发中，研发者利用模块化设计理念设计出系统主要应用功能。其主要的应用模块如图2所示。

1）练习模式模块功能

在练习模式模块中，学生通过对应模块的选择，完成跳线、光纤热熔、大对数端接等实训的学习，并且每个教学模块都会存储一套实训教学内容供学生实训练习使用。该模块的主要操作方式包括以下几点：一是操作模拟功能。即在实训中，学生根据系统提示选择工具与耗材，完成实操练习。平台下方给出操作步骤，平台左右两侧给出本模块所有需要使用到的耗材和工具，供学生选择，并提供操作完成进度提示，确保学生训练工作的顺利完成。二是对学生的操作结果进行判断与提示，如操作正确，系统直接进入下一训练内容;操作错误系统提供提示信息，指导学生进行重新操作。三是对学生提供“帮助”功能，即在训练中切入认知模块，辅助学生完成训练过程。

2）考核模式模块功能

在考核模式模块中，共预设三套综合考题，考生通过UI界面进入考核模块。 考核前，系统随机选择一套作为考核内容。考核中，学生根据考核系统提供的施工图流程规范化的完成实操步骤。

与练习模式不同，考核模式在实际应用中不对操作进行提示，当前步骤操作结束，将直接进入下一步操作，同时将操作错误故障点录入系统。当学生全部操作均完成后，系统直接给出考核成绩。同时，教师可通过系统后台掌握学生操作错误点和考试成绩。

3）认知模式模块功能

认知模式模块是为教学练习与考核提供的辅助学习系统，主要是利用三维模型与文字描述方式为学生学习提供仿真的工具设备与所需耗材。在模块中，学生可通过文字性描述信息、360度模型自由旋转或动画模拟等功能开展设备与工具的使用学习。

在实际的学习过程中，这一模式的应用主要是利用VR版完成。方式一是进入认知系统模块，通过点击摆放在陈列柜中的工具模型，开展学习;方式二是在练习模式中，学生可以利用临时单击模式，切换模块进行工具与耗材使用学习。

3.5 平台研发中的主要软件系统技术

在平台研发中，设计时需要实现以下功能：一是支持系统中三维设计建模系统、虚拟协同设计系统的融合，同时确保各系统模块和设备设计与平台设计数据有效兼容;二是為教学中的多平台间大数据教学提供支持，形成实训中的一体化立体显示与人机互动，使学生形成良好的训练与学习体验。为实现上述功能，此次研发软件系统主要采用DVS3D系统。

3.6 虚拟头盔选择

平台研发中VR头盔选择的是HTC Vive。其主要的技术参数如下：屏幕刷新率90Hz;系统的组合分辨率2160×1200;支持360°移动追踪功能;设备自带2台激光定位器与交互控制器;具有32个头戴式设备感应器与24个操控手柄感应器;支持两个轴线方向上精确定位头部旋转;旋转精确度可达1/10度;追踪物理位置最大为15×15英尺。

4 平台在教学中的应用效果

4.1 学生在平台应用中的效果

教学过程中，平台的应用对学生的学习起到以下效果。

1）平台在学生训练过程中提供游戏式场景与操作模式，可让学生对实际的布线场景产生充分了解，并通过仿真模型进行模拟操作，为学生实际技能水平的提升提供了保障。

2）系统平台很好地解决了实际操作中人力物力支出大的问题，通过学生批量训练模式提高学生实际操作能力。

3）平台教学利用兴趣教学模式，节约了实训操作时间，有效地提高学生学习效率。

4.2 教师在平台应用中的效果

在教学实践中，教师利用平台教学应用模式，起到以下效果：

1）通过模型与实训现场设计，提高了教师对教学环境的掌控能力。

2）利用平台信息化优势，更好地掌握学生实际操作能力以及对知识点掌握情况。

3）可以对学生开展全面与多样化的实训教学过程，提高学生的整体实操能力。

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【通联编辑：朱宝贵】