基于GPL開源軟件的醫學院校物聯網工程專業實驗教學改革研究

吳響+胡俊峰+俞嘯+王換換

摘要：依托GPL（GNU General Public License，通用性公開許可證）開源軟件，結合網絡技術、虛擬技術等信息手段構建與醫學院校物聯網工程專業實驗課程體系高度結合的虛擬仿真實驗平臺；平臺符合物聯網三層體系架構，感知層與傳輸層對硬件進行虛擬，應用層引入GPL開源軟件系統，打通三層之間的數據通信，實現數據的采集、傳輸、存儲和分析為一體的虛擬仿真實驗平臺。通過構建這一特色虛擬仿真實驗平臺實現實驗教學改革研究，探索和實踐有利于醫學院校物聯網工程專業創新人才培養的有效實驗教學方法。該虛擬仿真實驗教學平臺已在徐州醫科大學物聯網工程專業實驗教學中使用并取得良好的教學效果。

G642；TN929.5-4；TP391.44-4

一、引言

2009年，溫總理在考察無錫物聯網產業研究院時提出“感知中國”概念。2010年初，政府工作報告中明確將“加快物聯網的研發應用”納入戰略性新興產業發展任務。同年，教育部下達高校可以申報物聯網工程專業[1]。作為一個起步階段的新專業，物聯網工程專業在專業課開設、實驗教學、學生實踐等教學模式上還處于探索階段，許多高校在開設物聯網相關課程方面沒有足夠完善的實驗設備及實訓計劃，存在實驗器材不夠先進、跟不上教學水平等問題，不利于學生創新能力的培養[2]。此外，醫學院校物聯網工程專業還具有其特殊性，要求實驗條件具備HIS、LIS、PACS等醫學信息系統來支撐物聯網工程專業的實踐技能培養，在實際教學過程中，由于各類醫學信息系統價格昂貴、可擴展性較差等因素，不利于實驗課程的開展。

因此，在現有實驗條件不足的情況下，徐州醫科大學物聯網工程專業借助虛擬仿真技術，開發了一套基于GPL開源軟件的虛擬仿真實驗平臺。該平臺具有良好的開放性、擴展性和交互性，教師可以在虛擬學習環境中進行線上教學活動，學生完全不受時間和地域的限制就可以進入虛擬環境開展學習[3]。在實際的實施過程中，形成了分層次、模塊化的虛擬仿真與實驗課程體系，實現了學校資源的優化配置與開放共享，有利于科研成果向教學資源的轉化，為高水平本科生培養和創新能力塑造打下了堅實基礎。

二、虛擬仿真實驗平臺設計方案

（一）虛擬仿真實驗平臺體系結構設計

應用層虛擬節點將采集數據通過Zigbee、藍牙等形式傳輸至虛擬智能網關進行數據格式轉化，虛擬網絡層設備轉發數據至搭建的應用層開源系統軟件[4]。虛擬仿真實驗平臺體系架構如圖1所示。

平臺可以實現移動終端、PC機等多種設備通過Internet或VPN撥號方式登錄前端服務器。在前端服務器中，提供各種基礎服務器，包括Web服務器、VPN服務器、FTP服務器、開源HIS系統服務器、開源LIS系統服務器等。由于HIS，LIS等應用系統運行需要較大的網絡資源，因此在后端應用服務器中構建分布式協作環境，通過服務器分配調度算法，實現多機并行計算，提高系統整體處理效率。

（二）結合專業知識體系對專業課程進行分類

根據知識類型結合醫學與物聯網專業課程體系對專業課程進行分類，并對課程所屬知識類型有針對性的設計課程實驗，保證虛擬仿真實驗平臺滿足各課程所需實驗環境[5]。物聯網工程專業課程分類如圖2所示。

（三）虛擬仿真實驗平臺功能模塊設計

虛擬仿真實驗平臺主要實現：學生使用計算機進行仿真實驗；教師能夠利用教師機開展實驗教學、組織管理學生實驗，并實現網上考試和評價。

功能模塊主要包含：用戶管理模塊：主要實現對于各種身份用戶的基本信息維護、管理和權限分配；學生模塊：實現學生參與實驗的各種功能；教師模塊：實現教師組織實驗、管理學生的各種功能；管理員模塊：負責對學生、教師以及整個系統的維護工作。具體功能模塊組成如圖3所示。

三、虛擬仿真實驗平臺特色及成效

虛擬仿真實驗平臺的構建體現了醫學院校物聯網工程專業與醫學信息技術的深度融合，平臺具體特色如下：

在設備利用方面，虛擬設備成本低，種類全、零損耗，節省空間，升級維護簡單，功能全，無需搬運，可統一管理和調配，實現設備共享，提高利用率。模擬真實實驗過程，減少實驗誤操作帶來的設備損壞，解決教學資金、資源緊張的問題[6]。表1為傳統實驗設備與虛擬仿真實驗平臺的優缺點對比，體現了虛擬仿真實驗平臺相較于傳統實驗平臺的優越性。

在實驗組織和管理方面，對實驗進行預編排管理，實現實驗室24小時開放，學生可隨時隨地參與實驗；教師通過在線輔導和監管學生的實驗過程，減少教師的工作強度；整合計算機教學資源、實現資源共享。

在教學模式方面，實現兼顧理論與實踐，以學生為主體，課程面授的同時可通過遠程客戶端進行虛擬實驗演示。師生還可不受時空限制參與實驗，初步實現“任何時間、任何地點、任何設備”的泛在學習環境構建，滿足遠程教育的需求。

在實驗過程方面，虛擬仿真實驗平臺能滿足學生構建任何規模、任何類型的實驗環境需求，也為高端網絡設備、高端醫學信息系統實驗提供可能，真正實現醫學物聯網實驗的綜合性、設計性、規范性、復雜性和真實性；通過配置文件的保存、實驗過程實時監控，保存過程數據，控制實驗進展，實現“過程式”實驗，保證實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。

在教學效果方面，突出以學生為中心，為學生提供一個集學習、開發、研究為一體的虛擬仿真實驗環境。良好的人機交互界面，實現學生與計算機、教師、學習者的“交互式”操作訓練；可視化的實驗操作界面，形象直觀，符合學生認知特點；學生能夠自行設計和創新實驗，充分擴展學生的思維空間和發揮余地；提高學生參與實驗的興趣。虛擬仿真實驗平臺的建立提高了學生實踐能力，徐州醫科大學醫學物聯網工程專業成立已有4年，學生在學生競賽方面碩果累累，以第一屆2013級醫學物聯網班級為例，班級36人近三年共獲得25個獎項，其中國家級4項、省級8項、市級5項、院級8項。

四、小結

醫學物聯網虛擬仿真實驗平臺是對醫學院校物聯網工程專業實驗教學的探索，平臺通過對硬件的高仿真虛擬，能夠有效改善實驗環境、簡化實驗操作、擴展實驗規模、優化實驗教學過程、提升實驗效率，為學生們的實踐實習提供了良好的實驗環境。對GPL開源軟件的首次引入，避免以往應用層可用軟件數量少、種類單一、功能局限的尷尬局面，提供豐富的實踐項目，學生可根據實際需要來選擇實驗內容，為學生的的實踐學習及畢業設計提供了有效的平臺支持，實現物聯網實驗設計與醫學背景的高度結合，具有巨大的使用和推廣價值。

參考文獻

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[3]呂強，高慧敏，吳晨曦等.基于物聯網的遠程實驗系統[J].實驗室研究與探索，2016，35（5）：114-117，122.

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[6]肖迎元，溫顯斌，王法玉等.面向物聯網工程專業的工程實訓平臺的構建[J].教育教學論壇，2015，（9）：256-257.