AIOT虚拟仿真实训中心建设探索

鲁邦定

（1.江苏联合职业技术学院通州分院，江苏 南通 226300；2.江苏省通州中等专业学校，江苏 南通 226300）

1 引言

随着AI、VR/AR等技术的发展和普及，新技术在教育领域的广泛应用，不断推动教育教学的现代化、智能化、多样化和互动化，有效推进教育教学改革，为学生提供更为多元、更适合不同个体需求的学习体验。2020 年10 月，教育部职成司印发《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》，指出“随着信息技术的发展，建设职业教育虚拟仿真实训基地，既是改革传统教学育人手段，推进人才培养模式创新的迫切需要，也是强化教学、学习、实训相融合的教育教学活动，有效弥补职业教育实训中看不到、进不去、成本高、危险性大等特殊困难的重要措施”[1]。在适应数字经济发展要求和产业转型升级的背景下，许多职业院校都在积极谋划和建设虚拟仿真实训中心。建设智能化虚拟仿真实训中心，可以大大促进职业院校的人才供给、技术创新和服务供给，将人才培养真正融入企业的生产进程，从而跟上各行业数字化、网络化、智能化的发展趋势。

虚拟仿真实训中心的建设，既是改革传统教学育人手段的迫切需要，也是推动人才培养模式创新的必要手段。它有效地融合了教学、学习、实训等教育活动，增强了教育教学的效果，使得实训教学手段和教学模式更加多元化，将有力拓宽学生的学习途径。通过虚拟仿真实验教学培养学生的创新意识和创业能力，提升专业素养，使学生成为适应数字经济时代需要的应用型、创新型人才[2]。

2 建设的必要性和目标

2.1 必要性

近年来，随着信息技术的迅猛发展以及国家教育部门的积极推动，虚拟仿真实训在职业教育领域中的应用已经变得日益广泛，成为实训教学不可或缺的组成部分和提高教学质量的重要推动力。实训作为职业教育教学过程中的重要一环，能有效增强学生的实操动手能力，拉近学生与职业岗位之间的距离，减少就业过程中人与岗不匹配的矛盾。然而，长期以来，实训教学都面临高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”问题。而物联网是战略性新兴产业，物联网应用技术专业是一个综合性学科专业，融合了微电子、电子信息、计算机、软件、通信等各个学科的知识点，同时还具有众多本学科的专有知识点，对实训要求更高。

虚拟仿真实训，是指借助虚拟仿真软件或机器，模拟真实的工作场景，从而训练学生的相关职业操作技能。这一新模式的出现，提升了学生的知识学习和技能学习，也为实训“三高三难”问题提供解决思路。虚拟仿真实训是当前培养高素质技能型人才的迫切要求，也是职业院校现代化建设的必然趋势。

2.2 主要目标

AIOT 虚拟仿真实训中心建设密切对接地方物联网、区块链、大数据等新一代信息技术主导产业，对接物联网典型应用场景和岗位，结合物联网应用技术专业发展的需要，以人工智能运用、创新思维培养和人的可持续发展为目标，对传统课程体系进行升级改造。主要目标：一是建设创新型实践教学中心。以物联网实验项目为核心，虚实结合，构建集教学、实训、培训、竞赛、科普、体验等多功能于一体的实践教学中心，注重各种技术之间的融合与灵活应用，满足专业（技能）课程实训需要，满足学生自主、个性化的泛在学习需求，以启发学生的创新思维，提升学生创新能力。二是改善专业人才培养模式。通过实训演练和智能化考核，改善传统实验教学的专业人才培养模式，使学习者能够便捷、灵活地获取优质教学资源，通过学习过程中的交流、互动、自主实验，完成高效、低耗、多样的实验项目[3]。三是建设校企混编特色教学团队。全面打造一支“教学+服务”的教师团队，利用学校和企业的各自优势，对接岗位，导入学科专业前沿知识，建设优质教学资源，努力造就一支师德高、结构优、业务精的教师队伍。

3 建设的基本思路

为了解决职业院校实训中心建设滞后、数字化实训资源缺乏、服务教学能力不足和“三教改革”推动难等问题，同时满足地方产业发展和行业典型应用的需求，职业院校正在探索物联网虚拟仿真实训中心建设的有效路径。其基本建设思路如下：

3.1 科技引领，虚实结合

基于人工智能和虚拟现实等新兴信息技术，将物联网实训设备与信息技术高度交叉融合，通过虚实结合的方式，构建并开发虚拟仿真实训系统。学生可以灵活选择实验内容，对自己完成的综合设计性实验方案进行检验，有效拓展了实践渠道，其次大大节省了传统实验室建设中人力、物力、财力的投入，降低了实验教学成本。打破了传统教育的时空限制，优化教学资源配置和促进教育公平，有利于教育个性化发展。

3.2 校本特色，服务创新

通过校企合作，在实践教学体系中融入物联网职业资格标准，有针对性地制定建设规划和虚拟仿真实训中心实施方案，探索符合学校实际需要和当地新一代信息技术产业需求的创新路径与方法。鼓励跨校及校企共建实训基地联合体，建立区域共建共享机制，实现优质虚拟仿真实训资源的开放共享和持续应用，拓展服务面向，提升实训中心服务能力。

3.3 立足行业，贴近应用

立足行业，对接人才培养方案和岗位需求，整合考虑专业基础学习、岗位技能培训、行业应用实训、项目综合实战等不同阶段的教学需求，构建虚拟真实职业岗位生产设备的工作原理、运动仿真分析、人机交互的自主实验远程实训环境。尽可能地贴近或提供真实的行业应用，以确保学生所学内容能够无缝衔接地运用在真实的相关行业工作中。

4 建设的内容

将各个阶段的教学特点与虚拟仿真技术相融合打造“基础理论可视化+物联网工程快速开发部署+行业应用3D 仿真+数字孪生技术”为主的虚拟仿真工程模式；遵循“以虚补实、以实为主、能实不虚、虚实结合”的原则，将虚拟仿真技术与核心课程教学目标相结合，实现教学理念科学化、实训内容智能化。

AIOT 虚拟仿真实训中心，包含四大板块：VR 虚拟现实体验平台、AIOT在线工程实训平台、物联网基础教学仿真平台、3D行业仿真应用实训平台，旨在打造开放的在线实训平台，为参训的老师、学生、社会人员提供虚实结合的实训环境。平台配套丰富的实训资源，通过系统的线上公共实训课程的学习，解决实训教学中“三高三难”的问题。

4.1 VR虚拟现实体验平台

VR 虚拟现实互动体验平台，模拟物联网真实的行业典型应用场景，不仅可以让学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应；还可以引导学生思想上发生改变，感受动手实践对人类发展的推动作用，熟悉现代工程的真实工作场景和特殊工作要求，形成正确的职业认识，同时提高对物联网行业应用的整体认知。

VR 虚拟现实互动体验平台，由VR 虚拟现实体验系统和VR体验套件构成。产品架构图如图1。

图1 VR虚拟现实体验平台架构

图2 物联网工程仿真实验

图3 物联网基础教学虚拟仿真平台

图4 智慧农业3D仿真套件

图5 智能家居3D仿真系统平台

4.2 AIOT在线工程实训平台

AIOT 在线工程实训平台涵盖了物联网实训方案设计、设备安装和调测、应用系统部署、项目运行管理与维护等教学内容，沿用了信息行业典型应用的模式架构，以完整的软硬件项目生命周期的模式培养学生的综合能力，同时根据课程教学实验与实训的要求，打造出以“线下项目实施+线上工程仿真实训+远程系统部署”为主的虚拟仿真暨在线实验工程模式，强化教学、学习、实训相融合，更能满足广大院校人才培养需求和各行业企业用人需求[4]。

AIOT在线工程实训平台的工程仿真模块提供丰富的实物仿真资源，要求学生通过对项目的理解结合自己的构思设计出符合要求的仿真电路并自行验证；自主实验模块结合学生在系统部署、数据源信息采集、物联网平台架构、代码开发等各方面的知识，完成项目整体方案设计及功能实现。该模块可支持物联网工程实施与运维、物联网系统部署、物联网项目规划与实施等专业课程。

4.3 物联网基础教学仿真平台

物联网基础教学仿真平台为学生的仿真实训提供了一套组态开发模式，该平台包括图形化组态应用和硬件数据源仿真两大模块，同时可进行二次开发、在线编程以及云平台应用，并且仿真设备与实验设备的数据可进行同步，达到虚实结合。平台承载“物联网行业实训仿真”“物联网RFID实训仿真”等课程资源，包含物联网设备的特性、应用、开发以及调试维护等，用来支撑学生对物联网行业基础知识的理解。根据物联网知识体系层层递进的关系以及学习过程由易到难的规律，设置物联网认知学习、关键技术学习、行业基础知识学习、行业应用实训、最后综合应用实训的学习安排[5]。

4.4 3D行业仿真应用实训平台

物联网技术在不同行业中应用各具特点，需要工程技术根据现场环境和客户需求进行设计和施工。3D物联网行业应用项目实训，为师生提供了“构想性、沉浸化、强交互”的独特教学模式。本课程内容主要应用于在项目实训教学过程中，能够激发学生学习兴趣，扩展思维，引导学生主动创新、解决问题，增强动手能力，实现综合素质全面发展。

（1）智慧农业3D虚拟仿真

物联网行业应用3D 仿真系统，选取智慧农业行业应用中典型的农业大棚作为实训的课题，让老师、学生等充分了解智慧农业各个设备的工作原理、连接配置，熟悉智慧农业应用的各种技术，通过实际的行业应用开发实训，提升编程水平，在此基础上，进一步升级调整，不仅使智慧农业实训套件更加符合现代农业大棚的行业应用，而且增加了真实的农业大棚的3D 仿真场景，并且能与智慧农业实训套件进行联动，通过采集真实的传感设备的数据直接作用于仿真场景。而仿真场景中环境的变化也可直接作用于智慧农业套件。

智慧农业物联网种植实训系统，是由智慧农业3D 仿真套件和智慧农业3D 仿真系统组成，两者可相互通信、相互验证。

（2）智慧家居3D虚拟仿真

智能家居场景的3D仿真平台分为知识学习、情景体验、实景实验、综合实训四大板块。知识学习让学生通过理论知识学习、设备学习由浅入深地掌握仿真设备的基础知识；情景体验让学生通过各种家居情景的动画引导模拟体验，提前感知家居模式的智能化与人性化；实景实验设计了由简至难的实训实验，引导学生稳扎稳打，夯实技术能力；综合实训则是在前面三个板块的基础上，做了一个综合灵活的智能家居项目实训。

结合智能家居真实设备的配置情况，智能家居3D 仿真系统构建了虚拟的行业应用场景，让学生在开始行业应用实训之前，先进行物联网3D仿真实训，通过虚拟仿真的教学实训，使学生掌握智能家居工程实训内容与规范实训操作标准后，再进行物理硬件设备的实操实训，做到虚实结合，进一步提供学生的整体实训能力与智能家居知识。

5 师资团队建设

多元化、高素质、双师型的混编师资团队是实践教学的重要保障。产教深度融合，校企双方共同遴选并组建校企师资团队，通过学校学科带头人、骨干教师和企业骨干技术力量组成团队，通过岗位调研制订人才培养方案、课程标准、校本教材等，在建设针对性的校本教材上通过虚拟实训基地来帮助学生完善专业学科学习，同时在建设虚拟实训基地的同时使得校企团队相互学习、相互培训，掌握行业最前沿的新技术、新工艺、新材料。

打造“双师型”教师队伍，将“做中学、学中教”的职业教育的理念全面融入到教育教学的全过程中，实现理论教学与实践教学的深度融合，以提高教学质量和效果。通过虚拟仿真公共实训基地，为教师提供丰富的教学资源，同时也促进教师根据学校专业特色和学生情况，总结整理自己的知识体系，输出更多的教学资源并实现区域共享，从而提升教师的上课效率、教学质量、业务实践水平与师资水平。

6 结语

通过产教融合、协同育人、校企合作共同推进本项目四大平台的建设，依托VR 虚拟现实体验平台、AIOT 在线工程实训平台、物联网基础教学仿真平台、3D行业仿真应用实训平台，运用虚拟仿真现代化教学手段，引入真实项目，强化学生就业竞争力和职业能力，项目着力于改革创新，打破传统办学和教学模式，培养智慧行业方向高素质技能型人才，加速推进学校专业建设内涵发展，全面实现人才培养模式的新突破。