基于Packet Tracer的中職物聯網實訓教學研究

藍魏

摘 要：文中介紹了思科公司Packet Tracer 7.1的IoE新組件在實現萬物互聯時的作用，及在中職物聯網仿真實驗實訓教學，提高實訓教學質量進行了探討和研究。

關鍵詞：Packet Tracer；物聯網；實訓教學；職業教育

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-0-03

0 引 言

2009年8月7日，溫家寶總理在無錫傳感網工程技術研究中心視察中指出：在國家重大科技專項中，加快推進傳感網發展，盡快建立中國的傳感信息中心，或稱為“感知中國”中心[1]。傳感網即物聯網，被預言為繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮，是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡[2]。

近幾年，越來越多的中高職院校都增設了物聯網專業，有些也增加了相關的物聯網方面課程；省市教育局等部門也開設了物聯網類的相關項目比賽，如何有效進行物聯網課程的教學及實訓問題顯得愈加嚴峻。在物聯網綜合實訓方面，老師們普遍發現物聯網的實訓設備較缺乏，現在國內大多數學校采用的都是物聯網綜合實訓裝置、智能家居工程實訓平臺、編程實驗箱等成形實訓系統，有的僅讓學生進行簡單布線或一些基本編程的操作配置及觀看演示效果。這些實訓設備不能直觀地演示一些原理問題，學生也只能獲取一點感性的物聯網系統知識，缺少實際動手實訓機會，學生在進行過一兩次的實驗后就會很快失去學習興趣，不利于培養學生的工程意識及創新型思維。針對以上問題，本文基于思科公司的Packet Tracer 7.1實現中職物聯網仿真實驗實訓教學，提高實訓教學質量進行探討和研究。

1 中職學校的物聯網現狀

國家“十三五”規劃綱要明確提出“加強現代信息基礎設施建設，推進大數據和物聯網發展，建設智慧城市”。同時，國家加大了對中等職業教育的投入，大量示范院校紛紛通過選拔，進入建設階段。各類學校為提升專業建設水平不斷引進專業人才，購置實驗設備等方式來加大投入物聯網專業的建設。

中職物聯網專業的培養目標是培養企業所急需的一線應用型技術人才[3]，主要培養學生實踐與創新的綜合能力。能夠依據規范選擇適當的設備設計簡單的物聯網應用系統；能設計、安裝調試應用系統；能對系統進行維護和管理。學生應初步具備計算機知識、電子技術知識、網絡知識、傳感器知識、信息處理知識、通信知識和物聯網系統工程等基礎知識，了解物聯網系統的傳輸層、傳感層與應用層關鍵設計等專業知識。在教學中應以工學結合項目驅動為依托，重視學習與實際工作的一致性，在課堂中引進實際工作情境，讓學生感受真實的工作任務，提高學生的動手操作能力，培養出實用性的行業人才。

各院校在開設物聯網專業時都投入了大量的軟硬件資源，但如果辦不下去，會出現大量的實驗、實訓設備閑置。因此，目前很多學校在建設實驗室時猶疑不決，怎樣才能將理論和實踐更好的結合，怎樣才能降低投入成本，怎樣才能不受硬件的桎梏，如何提高學生的實驗效率，更好地把學生創造能力和動手能力培養起來是一個重要課題。

根據目前物聯網實訓教學在學校的現狀和特點，把思科模擬器Packet Tracer引入到課堂中，讓學生在一個仿真的實驗環境中學習，這樣就不用考慮硬件故障，同時減少實驗成本的投資，對學生實驗的完成效率以及提高學生的動手、創新能力，把學生培養成為具備理論與實踐知識的高素質人才，實際意義上還能提高教師的理論、教研水平。

2 思科模擬器Packet Tracer 7.1的新功能

思科公司免費發布的Packet Tracer 是學習思科網絡課程的一個仿真模擬器，學生在網絡模擬環境中學習組網、配置網絡、排除網絡故障。軟件界面圖形化，方便學生拖曳組件來建立網絡拓撲。網絡實時運行時的數據包在網絡中是如何行進的，學生可通過軟件觀察到詳細的處理過程。思科提出IoE概念后就在Packet Tracer 7.1中加入了實現IoE的各種仿真設備、編程接口，在新版本中不但可以進行網絡專業的教學實驗，對于物聯網專業的教學實驗也十分方便。這些新加入物聯網的仿真設備使物聯網教學的直觀性、趣味性和實用性都得以

提高。

從IoT到IoE，不僅僅是一個單詞，一個字母的變化，更是代表人類的認知上升到了一個新的臺階，開啟一個全新的萬物互聯時代。將有數以萬億計配備智能功能的新設備，如：家電、個人穿戴設備、機器人、汽車等接入網絡，產生海量數據的各種應用，使人們的生活和城市智能管理方面更加具有網絡性，也將更加高效地帶動社會經濟發展及智能城市的發展。第五代移動通信技術（5G）、窄帶物聯網（NB-IoT）等新技術為萬物互聯提供了強大的基礎設施支撐能力[4]。

思科 Packet Tracer 7.1中增加的新特性和新設備能針對物聯網的各種應用。物聯網家庭網關可改成無線配置、服務器則增加了新的“虛擬機管理”及“萬物互聯”選項、物聯網設備可直接注冊到服務器上、MCU（單片微型計算機）、SBC（類似于樹莓派）。把新的IoE設備分成家庭、智能城市、工業、電力四大類，基本包括了各種傳感器及智能設備，另外還有太陽能電池板、舊汽車（可用于產生廢氣）、功率計、溫度傳感器、運動檢測器、聲響檢測器、氣體檢測器、風力檢測器等，以及各種設備、傳感器連接的物聯網專用連接線，在智能設備配置框中還新增了可用Python，JS，Visual語言進行程序設計的編程選項卡，從而進行智能設備的編程，還新增加了無線RFID標簽傳感器、無線RFID讀卡器。

為了實現智能化特性，思科在Packet Tracer 7.1網絡組件選項中提供了擁有網絡接口且可連接到服務器或家族網關各種各樣的智能物件及作動器（components），還提供了無網絡接口但具有模擬或數學接口簡單設備組件，它們可以通過連接到微控制單元（MCU）或類似于Raspberry Pi的單板計算機

（SBC）進行與服務器或家庭網關的網絡通信。這些組件被放在三個不同的子類別中：

單板（Boards）：主要有微控制單元（MCU），類似于Raspberry Pi的單板計算機（SBC）和自定義各種物品的設備（Thing）。

執行器（Actuators）：主要有LCD、智能LED、報警器、制冷設備、加熱設備、聲音設備等元件。

傳感器（Sensors）：主要有溫度傳感器、光電探測器、金屬傳感器、RFID以及電位器、按扭等。

3 Packet Tracer在實訓教學中的優點

Packet Tracer不同于其它物聯網實驗設備，設計只針對傳統學科理論培養體系，以對教材知識的演示為實驗目的。利用Packet Tracer進行實訓教學，能把物聯網數據、網絡與通信、射頻識別、嵌入式系統、傳感器及檢測以及管理技術和學科恰當的結合在一起，在課堂上不僅僅是對已有的案例欣賞，而是深入研究清楚， 一步一步實現傳統模式下的發明的運作，在必修課程的教學活動中體現“做中學、玩中學”的精神，把傳統課堂與創意作品的創新實踐活動結合起來，鼓勵學生充分利用開源技術的“口袋”實驗，不斷創作出由簡單逐步過渡到復雜的設計模式的作品。學生充分體驗到一個真實的物聯網系統，貼近學生日后的工作崗位，增強就業信心。

3.1 借鑒自帶實驗包自我學習

Packet Tracer 7.1自帶60個物聯網實驗包，對物聯網的各種原理及了解各種物聯網設備的使用有著十分重要的學習意義。

學生的學習是一個積極主動的過程，教師引導學生充分利用這些實驗包進行學習，增強學生的合作互動性、積極主動性。通過實驗幫助學生從實際環境需求出發，構建良好的學習環境。

3.2 分層次實訓教學

可利用Packet Tracer進行分層次的綜合實驗實訓教學，適合不同層次的學生進行學習。智能城市綜合實驗，如圖1所示，包括了智能家居、智能電網、智能交通、智能停車、智能城市辦公室、ISP云。通過這個實驗讓學生理解智能城市的理念前提，即城市要利用軟件來監控和分析各種事件并做出改善居民生活的決策。這個實驗中的智能城市已被分解為多個集群，取決于應用，有些數據可遠程處理和監控，智能城市辦公室提供讓城市管理者可以監控整個城市的各種事件的功能，綜合實驗中，學生可根據自己的學習能力，進行分層學習。

在智能城市綜合實驗中分解出來的智能家居實驗，如

圖2所示，學生可清楚地了解智能家居所用到的各種設備：家庭網關、智能窗、警報器、煙霧傳感器、智能咖啡機、智能門、MCU、太陽能電板等。學生可根據需要自行添加其它設備，并可通過設定智能條件，或通過MCU編程，智能設備在達到條件時自行開啟或關閉。當煙霧檢測器檢測到有煙霧時，自動報警及打開窗戶，煙霧警報條件如圖3所示。圖4的部分代碼是利用Java語言（也可用Python語言）進行編程，當煙霧檢測器的值達到10時，自動把門、風扇等智能設備打開。

3.3 制作PKA文件方便考查

在物聯網實訓教學中，教師們最頭痛的是對實驗的考查，很多實驗平臺首先要求學生對設備及各種檢測器進行電源和數據線的連接，再用一定的語言進行編程，教師不但要檢查線路的正確性，還要檢查編程的正確性，而學生在實驗時，連線的損耗，設備的破壞性等都是比較常遇見的問題。在Packet Tracer中，教師可把需要考查學生的知識點做成一個PKA文件，把這個文件發給學生進行考查，自動判斷學生的成績。

4 結 語

思科公司Packer Tracer設計為物聯網專業的教學提供良好的平臺，能調動學生學習的主動性、積極性。中職學校的物聯網實訓是培養應用型人才的核心，必須以良好理念為先導，緊密結合人才培養目標，打破學生只知其名、不知其所謂的情況，構建起符合學生就業崗位需要的實訓教學體系。通過近兩年的探索與實踐，在教學中取得了較好的效果，使用Packer Tracer能提高學生自主學習能力和效率，更能培養學生的實際動手能力、解決問題的能力。不僅使培養出來的學生具有真正的物聯網應用能力，還能提高學生就業競爭力[5]。

參考文獻

[1]馬忠梅，孫娟，李奇，等.物聯網工程專業課程體系與實踐探討[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，11（10）：1-4.

[2]劉去浩.物聯網導論[M].北京：科學出版社， 2013.

[3]黃永前，劉凌.中職計算機網絡技術專業物聯網技術課程設置探索[J].物聯網技術，2016.

[4]物聯網的十三五規劃（2016—2020年）：物聯網. [2016-7-9]. http：//www.ciotimes. com.

[5]胡文輝，王麗.談物聯網專業課堂教學的幾點思考[J].教育信息，2015（1）：22.

[6] Cisco system，Packet tracer 7.0-IoT devices configuration [EB/OL] [2015-10-21]. http：//www. packettracernetwork. com.

[7]譚強. 基于現代職業教育體系的中高職課程銜接研究[D]. 重慶：西南大學，2016：17-19.

[8]卜錫濱. 高職院校特色專業建設研究與實踐[M] 北京：中國水利水電出版社，2013：89-95.