房忠东

（江苏省邗江中等专业学校，江苏 扬州225124）

为了解决《网络综合布线技术》课程实训教学过程中的一系列问题，我校与上海曼恒数字技术股份有限公司合作开发了网络综合布线虚拟仿真系统。该平台通过虚拟仿真方式，根据专业发展趋势与国家职业标准，优化了课程与虚拟实训、实践操作相结合的教学体系，让学生可以突破时空局限从真实的视角和情境去认识和了解网络布线所使用到的各种工具、耗材，切身体验各模块的完整操作流程，详细了解并掌握操作要点，培养学生按照国家行业标准进行操作的习惯，记录学生的学习过程，并对学生的学习情况进行分析汇总。

一、开发目的

1.有利于解决工位不足的问题

过去实训时几个学生共用一台设备，学生操作的工位严重不足，实训效率大打折扣，教学效率得不到提高。

采用网络综合布线虚拟仿真平台进行教学时，每位学生均在计算机上进行模拟实训操作，不受时间、空间的限制，实训效率大大提高。

2.有利于降低实训成本

采用网络综合布线虚拟仿真平台进行实训教学时，无需消耗任何工具和材料，且可以不受时空限制，多次反复模拟实训，让学生充分了解实训内容、掌握操作流程、熟悉操作规范。虚拟仿真实训具有其真实性、丰富性、交互性和易更新性等特点，不需要大量硬件设备的投入以及硬件设备的更新换代，教学内容可以在虚拟环境中随着新技术的发展进行不断更新，满足不断变化的教学需求。

3.有利于激发学生学习兴趣

学生对简单机械、枯燥乏味的实训教学提不起兴趣，绝大多数学生不愿意学、不想学，没有学习兴趣。虚拟仿真实训教学环境可以模拟真实的环境、形象逼真的三维动画、丰富的色彩和音乐，有利于提前熟悉实训的真实环境，熟悉掌握操作技能，了解操作规范，大大激发了学生的学习兴趣。

4.有利于解决安全性问题

综合布线实操时，在杂乱无章的工地上，仿真“墙上爬高”、“打线”等许多操作，均有一定的危险性。采用仿真教学时，学生完全是在计算机前进行操作，有效避免安全事故的发生。

二、开发原则

1.高度逼真性原则

平台内的场景、设备、工具等形象逼真，使用者有身临其境之感，能够提高学生的专业意识、使用热情和学习兴趣。

2.模块化设计原则

本平台框架设计上遵循模块化、开放性原则，平台先期开发了17个模块，这些模块之间有关联也相互独立，以保证本仿真系统后期的可扩充性，便于软件后期的增容和维护。

3.多功能性、易操作性原则

采用恰当的功能设计，增强用户的交互操作体验；用户操作界面友好，导航简洁、清晰、明确，学生可在简单培训后自主学习使用。

4.严格按照国家操作规范原则

仿真内容的实现形式、操作方式、工作流程等，严格遵循国家网络综合布线相关的操作规范和专业技术要求。学生通过学习即可掌握这些操作规范，为实际操作打下坚实基础。

5.切合教学应用原则

软件设计贴合教学实际，可用于教师的演示授课，也可用于学生的课堂练习，还可以对学生进行教学考核。

三、平台介绍

1.系统软件架构

计算机网络综合布线虚拟仿真实训系统采用虚拟现实技术（VR-Virtual Reality）构建出一个逼真的三维环境，学生通过计算机输入输出设备跟虚拟世界中的实体进行信息交换，产生仿真结果。让学生在三维环境中学习网络综合布线作业。按照应用软件的架构层级，本系统总体分为 “系统支撑层”、“数据库及模型库层”、“系统仿真层”和“系统应用层”四大层级。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

（1）基础支撑层

基础支撑层是系统安全可靠运行的支撑与保障，包括与系统建设相关的法规及标准体系和运行环境体系两部分。运行环境体系包括机房基础设施、硬件及网络、系统软件、安防及备灾等。

（2）数据库与模型库

数据库与模型库是虚拟仿真实验项目的基础，它包括两部分的内容，其中数据库中主要以字段的形式存放相关属性信息、用户信息、模型信息、操作记录信息等数据；模型库中既包含了虚拟场景中所用到的模型数据，模型库中的信息通常以文件的形式进行存储，通过索引和元数据的形式与数据库相关联。

（3）系统仿真层

系统仿真层是虚拟仿真实验项目建设的核心内容，它以平台门户系统为统一访问界面，对外提供数据服务接口和功能服务接口。用户既可以通过支撑平台所提供的功能完成相关认知、练习、考核等工作，又可以利用支撑平台所保留的接口功能，完成数据添加、用户与权限管理等操作。

（4）系统应用层

系统应用平台建立在数据支撑平台之上，根据平台归纳，分为以下功能模块：

系统应用层整体来说可分为跳线制作、模块端接、配线架端接、测试链路制作、永久链路制作、大对数端接、机柜安装、管卡安装、线管制作、线槽制作、穿线操作、底盒安装、TV同轴线缆操作、大对数端接、FD-BDCD之间链接、光纤冷接、光纤热熔等17个模块。

2.使用环境

通过虚拟现实仿真系统，学生可以在虚拟环境中了解作业过程中的知识点，查看作业中所涉及的工具：在练习模式中体验17个实验知识点，掌握作业的基本技巧；在考核模式中完成整个作业流程。教师可以通过后台查看学生的成绩记录，系统包括两个版本：PC版和VR头盔版，其中PC版与平台管理系统进行数据通信，能够将用户信息及成绩信息反馈到后台管理系统，老师可查阅分析。

3.系统软件应用

平台使用时，学生、老师通过输入用户名和密码登录系统。登录后的主界面，包括了练习模式、考核模式、认知模式三大模块。

（1）练习模式

选择练习模式后，出现制作跳线、光纤热熔、大对数端接、模块端接、配线架端接等17个训练模块，如图2所示，每个训练模块有一套题目供学生练习。

图2 17个训练模块

学生在操作时，平台中间下方给出操作步骤，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。在每一步操作前，平台会给出下一步的操作提示，提示内容包含使用什么工具、材料或者采用什么方法等信息，帮助初学者快速掌握操作方法。平台还显示当前已经完成的进度状态，帮助学生从整体上掌握操作流程和操作步骤。

如果学生操作正确，则直接进入下一步操作。如学生操作不正确，系统将给出错误操作的提示，重新操作，直到操作正确方可进入下一步。如果实在不会操作，还可以求助于“帮助”功能再详细学习。

对于水晶头、配线架等立体感较强的设备或工具，在操作过程中，可以实现对其进行放大、上下左右查看、360度空间自由旋转等，查看操作过程中的各种状态，使学生全面、细致地了解每个操作步骤和过程。

（2）考核模式

在考核模式中，系统设置了三套考题。考核时系统随机抽选一套，学生会根据系统给出的施工图完成流程中的每个步骤，在VR版中也会有UI界面提供给学生进入考核模块。在考核模式中，学生每一步操作完成后，不论操作正确与错误都直接进入下一步操作，操作错误将不会再被提示，系统会自动记录下错误的故障点，直到全部操作完成后，才会公布考核成绩，PC端老师可以通过后台了解学生操作时的错误点以及总成绩。

（3）认知模式

认知模式是以三维模型和文字描述的形式呈现实训中所用的工具设备和所需耗材。学生可以进行文字学习，还可360度自由旋转查看,部分工具还可以采用动画演示。在VR版中，学生可以通过点击摆放在陈列柜里的工具，使用手柄交互360度查看工具模型。当然学生在练习模式下对于还不太熟悉的工具或耗材还可以临时单击来学习。

4.系统开发平台

该系统支持融合三维设计建模平台、虚拟协同设计平台在相关设备设计和实训室设计相关数据的完美兼容，解决了多平台间大数据的一体化立体显示，通过人机交互解决实训室与设备之间的运作布局、相互关系等，能够辅助教学，支持实时的交互漫游与操作，让学生能够带上头盔就达到亲临现场的效果。

系统软件部分主要由DVS3D（Design&Virtual Reality&Simulation，协同设计仿真交互平台）解决大数据的一体化立体显示和协同设计的交互。DVS3D可直接实时获取多种3D辅助设计软件数据内容，无需数据转化，减少数据损坏或丢失，可以自由地搭建3D虚拟场景，快速制作显示效果；结合3D立体沉浸式投影系统和交互设备，具备协同设计、可视管理、实时交互等特点。

5.虚拟现实头盔

我们采用的头盔是HTC Vive。屏幕刷新率为90Hz，搭配两个无线控制器，并具备手势追踪功能。

HTC Vive主要参数：组合分辨率为2160 x 1200；刷新率为90帧每秒；支持360°移动追踪；2台激光定位器；2台交互控制器；32个头戴式设备感应器；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 X 15英尺。

四、建设成效

1.学生在学习上取得的成效

（1）采用游戏式的场景，让学生能够身临其境地进入综合布线场景，并十分投入地完成全程各个环节，从而获得所需知识，形成相应技能。

（2）采用仿真系统和虚拟仿真头盔两种模式，解决学生批量实验实习的需求和高仿真度的场景模拟。

（3）学生在仿真实训操作时更有兴趣、更容易集中注意力，节约了学习时间，提高了学习效率。

2.教师在教学上取得的成效

（1）真实地展示了实践操作的全过程，加强了教师驾驭现场教学的能力。

（2）让学生充分掌握操作方法、理解操作规范，便于教师现场指导学生掌握技能。

（3）17个模块的建立，真实再现了综合布线的每一个环节，让学生了解了每个环节的内容及细节，让教学过程更灵活多样。

五、平台展望

下一步，我们将不断优化《网络综合布线技术》课程虚拟仿真实验实训平台，期望加入江苏省教育厅组织的中等职业学校信息化综合实训平台建设，将此平台作为中等职业学校学业水平考试计算机网络技术专业技能虚拟仿真考核平台。另外，我们将努力实现实训平台的网络化在线学习、考核，学生可以在校内外、课内外进行学习，突破时间、空间的限制，同时开发出更多的虚拟工具和场景，引领综合布线教学改革和资源建设，建立教学和资源融为一体的全面、系统的教学体系。