虛擬仿真技術在物聯網工程專業實踐教學中的應用

馬滿增 張銳銳

摘 要：針對目前物聯網工程專業實踐教學中出現的共性問題，結合網絡技術、虛擬技術、多媒體技術等信息化手段，構建物聯網工程專業虛擬仿真實驗教學體系。建設虛擬仿真教學平臺，形成“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學體系。探索高校物聯網工程專業創新復合型人才培養的教學模式和方法。

關鍵詞：虛擬仿真；實踐教學；教學改革

一、物聯網工程專業教學中存在的問題

教育部于2010 年批準設置物聯網工程專業，截至目前，全國已有150 所本科院校開辦了該專業，預計辦學規模還將繼續擴大。物聯網工程專業是一個集計算機、控制、電子、通信等學科為一體的綜合性交叉專業。對于這個新興專業，許多高校在建設過程中，存在著“穿新鞋走舊路”的問題，特別是對實踐教學重視不夠，缺乏系統思考與設計，在實驗課程設置、授課內容、實踐平臺、師資培養和管理制度等多方面沒有形成科學完善的教學體系[1]。為此，結合當前高校物聯網工程專業辦學實際，積極探索構建物聯網專業創新型人才實踐教學新模式，就成為值得我們研究的重要課題。

作為新興專業，物聯網工程專業教學中存在如下問題：

1.培養方案缺乏規范性，專業特色不鮮明

物聯網工程作為新興專業，其培養目標如何定位、課程體系如何設置、教學過程如何開展，國內外尚無先例可供借鑒，在實驗室建設、工程實踐基地和師資準備等方面也沒有成熟完善的教學條件。目前各高校的專業培養方案參差不齊，課程設置對基礎性課程、實驗性課程、工程實訓和綜合知識等幾大模塊的架構不協調，沒有體現出物聯網工程的綜合性、交叉性與應用性特點，就導致了培養的學生與其他信息類相關專業畢業生同質化。

2.多學科交叉，知識繁雜

物聯網工程專業專業課程的開設還不夠科學完善，教師對于物聯網教學模式的認識一定程度上也還處于探索階段。按照教育部規定，除傳統計算機類專業課程外，我院物聯網工程專業開設的專業課程有：物聯網信息融合、傳感器與檢測技術、無線傳感器網絡、RFID、嵌入式開發、物聯網控制技術、物聯網前沿技術講座、物聯網應用開發、Web 程序設計、射頻技術與應用、移動通信、視頻語音處理技術、物聯網系統綜合設計等。涵蓋了通訊工程、網絡工程和計算機科學與技術等眾多專業課程。這樣，就形成了物聯網工程專業知識繁雜的特點

3.課程枯燥，教學模式封閉單一

物聯網的應用無處不在，這樣的特點非常適合通過項目創新驅動這種綜合性的實踐教學方法來調動學生的興趣和積極性，從而達到學以致用的目的。然而目前的課程教學在這方面還是很欠缺，仍然是以教師為中心，程式化的內容多，導向性的環節少，這種單一接受式教學模式阻礙了學生創新思維和動手能力的養成。

二、傳統物聯網實驗室與虛擬仿真技術的結合

物聯網工程學科具有較強的實踐性，完備的實驗室配套設備是必不可少的，但限于實際條件，現實實驗室設備在教學中存在一定的局限性，例如設備數量有限，無法滿足學生人手一套的需求；硬件設備可擴展性差，難以進行復雜度較高的實驗實訓；實驗室硬件設備購置成本高，設備更新周期長，難以滿足飛速發展的專業課程需求。

虛擬仿真技術是利用計算機技術、網絡通信技術、人工智能技術、自動化控制技術儀器儀表與測量技術等交叉產生的一種現代信息技術，是用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統的技術，能夠創造一種高端的人機接口。利用虛擬仿真技術建設實驗實踐平臺，可以有效解決傳統現實實驗室設備存在的不足。

在實際教學過程中，學生先通過體驗式教學對實際的物理設備產生感性認識，后續的實驗實訓環節都可以轉換到虛擬仿真平臺進行，學生可不受設備種類、數量限制，通過軟件模擬所需的實驗設備，自由組合，完成復雜系統的設計與搭建。將虛擬仿真平臺與互聯網連接，學生可在任何地點訪問實驗平臺，極大的擴展了實驗教學的覆蓋范圍，并在此基礎上構建了一套“模塊化、層次化、多元化”的實驗教學體系[2]。該實驗教學體系的建設不僅有助于學生對信息系統相關知識的深入了解和掌握，培養實踐技能，提高自主創新能力[3] 。

三、基于虛擬仿真技術的物聯網實驗平臺設計

（一）平臺要求概述

1.本平臺對常用物聯網設備進行模擬，用計算機軟件的方式來實現硬件設備的功能。

2.上位機程序可以操作真實的硬件設備，也可以操作虛擬仿真設備。針對物聯網專業的教學，大大節省了硬件采購費用。

3.不用占用很大的實驗室面積來擺放設備，可以讓每個有電腦的學生更充分的學習。

4.可以結合開發實驗和操作實驗。

（二）仿真功能要求

1.工程管理：提供新建、關閉、另存、導入的功能。

2.通過拖拽的方式進行工程內容的編輯（類似Viso的編輯方式）。

3.每個模擬的設備模塊化處理，將設備的所有接口進行仿真。

4.將RFID設備的內部運行機制進行仿真，包括接口指令、信令交互方式，卡的存儲結構等等。

5.將WSN設備的網關及各種傳感器的功能進行仿真，并提供環境模擬器來保證實驗的進行。

（三）實驗管理功能要求

1.學生管理功能

要求學生賬號按班級管理，具備增加、刪除、修改用戶信息功能。

2.教師管理

要求具備教師賬號添加功能，具備修改教師信息功能，重置密碼功能。具備用戶注銷功能。

3.實驗資源管理

要求提供實驗資源添加、刪除功能，教師端具備開始試驗功能，讓教師能夠在本機進行實驗操作，查看實驗指導書。實驗功能需要包含實驗要求、實驗指導、實驗操作功能。

4.實驗任務管理

要求教師發布實驗任務給學生，教師具有刪除編輯任務的功能，并查看學生的實驗結果。教師發布實驗功能需要根據提供添加的實驗資源選擇實驗進行發布，要求可以按班級選擇學生進行試驗，也可以單獨選擇某個學生進行試驗。

四、結束語

物聯網虛擬仿真實踐教學體系依托虛擬仿真技術，以培養大學生自主創新精神和工程實踐能力為目標，引入虛擬技術、仿真技術、多媒體技術，探索“模塊化、層次化、多元化”的教學模式，從教學方法和手段上突破傳統模式，實現實驗仿真案例的模式互動教學；與此同時，注重學生自主性和創新性培養，在物聯網工程專業人才隊伍建設的道路上邁出了重要的一步，為學生的實踐學習和實習就業提供了有效的教學平臺[4]。

參考文獻

[1]朱軍，熊聰聰，張賢坤.物聯網工程專業實踐教學體系探究[J].天津市教科院學報.2014，3（6）：36-38.

[2]馬文頂，吳作武，萬志軍，等.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31（9）：14-18.

[3]鄭春龍，邵紅艷.以創新實踐能力培養為目標的高校實踐教學體系的構建與實施[J].中國高教研究，2007（4）：85-86.

[4] 王競，吳響，黃怡鶴，等. 醫學院校物聯網工程專業虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐[J]. 高教學刊，2017（21）：35-37.