物聯網虛擬化仿真教學項目設計與實施

范君，荀磊，胡為民，嵇波

(江蘇工程職業技術學院，江蘇南通226007)

1 引言

隨著國民經濟的發展，新一代信息化技術在國民經濟發展中的地位和比重愈發重要。國家在“十四五”規劃中指定了物聯網技術作為數字經濟七大重點產業之一。強調了物聯網技術創新領域涵蓋了傳感器、網絡切片、高精度定位等技術領域，對于物聯網相關的云服務與邊緣計算考慮協同發展，培育車聯網、醫療物聯網、家居物聯網產業。國家對物聯網產業的規劃和布局，對物聯網人才的培養也提出了新的要求。

根據《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》的建設要求，在開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作中，教育部指出虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物，以此確立了虛擬仿真實驗教學的重要地位。

2 虛擬化教學現狀

2.1 電子信息大類課程虛擬化實踐教學現狀分析

在虛擬化仿真領域，運用成熟度較高和使用范圍較廣的是計算機網絡虛擬化仿真。目前，國內外網絡制造商推出了一系列仿真實驗平臺，如美國思科公司推出了Packet Tracer 仿真平臺[2]，華為公司推出了eNSP 仿真平臺，H3C 公司推出了HCL 實驗平臺，這些實驗平臺能夠成功實現多種任務下的網絡設備配置和故障排除的模擬，學生通過網絡設備選型、拓撲的設計、設備方案配置、網絡性能測試，有效實現了班級、小組或個人為單位的實驗教學工作開展。且上述設備能夠有效在PC機環境下運行，可支持課前課后學生實驗的開展，使得實驗教學的開展體現了教學過程中學生的主導地位。

2.2 物聯網類課程虛擬化實踐教學現狀分析

物聯網人才培養，以具備物聯網技術應用層面的實施能力為目標，其中包含了軟硬件設計、編程、軟硬件聯調、故障排除等技術技能，這一培養目標的實現需要依賴于有效的實踐環節。目前高校物聯網現有的實驗平臺以實驗箱為主，通過實驗箱器件搭建完成規定的實驗實訓教學。而物聯網的實際應用場景，往往包含了感知層、傳輸層、應用層這三個層面。因此，實驗項目需要能夠涵蓋感知層傳感器件選型應用、傳輸層環境構建、應用層軟件編程，這對實驗室建設投入費用、教師實驗指導能力都提出了較高的要求。

從目前國家虛擬仿真實驗教學中心現有的建設數據來看，雖然很多高校在物聯網工程仿真實驗建設方面都得了很大的進展[3-5]，但物聯網虛擬仿真實驗在已建教學仿真中心所占比例較小，物聯網虛擬化仿真建設中依然還存在許多待克服的問題，具體包括：

1)物聯網專業具有多學科交叉融合的特點，從許多高校現有物聯網專業建設情況來看，不同高校建設內容往往依賴或圍繞于高校某個傳統優勢專業而展開，使得物聯網仿真實驗易側重專業層面而缺乏通用性。

2)部分學校物聯網仿真實驗依托已有的實驗平臺開展，學生的課前與課后的實驗操作均要在學校特定的云平臺中進行，限制了其使用的靈活性，即物聯網仿真實驗離不開實驗室特定平臺或設備，無法像網絡公開課、MOOC 課具備大規模推廣效應。加之學校的物聯網平臺往往依托特定技術，使得物聯網仿真實驗應用范圍受限。

3)部分高校的物聯網綜合實驗不足。綜合性仿真實驗一方面數量較少，一方面已開發的仿真實驗缺乏較強的可擴展性，從而限制了學生對物聯網綜合項目的了解和掌握，弱化了綜合能力的訓練和培養。

2 物聯網教學項目設計

隨著國家在信息技術課程與教材改革的深入和人工智能技術的發展，當前國內很多省份已經在中小學階段，開展跨學科學習(STEAM 教育)、創客教育等新的教學模式，通過引入開源硬件Arduino平臺、基于圖形化Scratch編程工具，以友好的界面、動畫、游戲、故事形式通過趣味性培養學生基礎硬件設計和編程能力。由此可知，部分的高職學生在中小學階段就已經具備硬件應用和編程基礎，因此高校在開展物聯網教學案例設計和實驗平臺建設過程中需要考慮學生已有知識與技能的銜接。

高職院校物聯網項目設計的整體規劃，需要遵循技術人員崗位成長經歷，需要遵循學生的認知規律，按照由簡單到復雜、由單一到綜合的特性，同時也要考慮到每個項目應具有可實施性、可操作性、可考核性，項目與項目之間保持相對獨立性和延展性，不同項目其內部的知識和技能之間應具有一定的關聯性。在虛擬化和真實實驗環境的結合方面，可以先虛擬化實驗后實際環境操作，做到虛中有實，實中有虛，最終達到虛實銜接相互融合目標。

2.1 專業基礎課教學項目設計

高職的物聯網專業基礎課程階段包含電子電路、模擬電路、數子電路等課程，這一階段課程項目設計以感知層為基礎，引入Linkboy、Proteus 仿真平臺。課程實施過程中，以Linkboy官方站點的技術手冊案例和教師自行編制的案例為項目載體，教師將課程資料、編程需求、相關視頻提供給學生，學習電子元器件、基本電路設計、基本軟件編程知識，這一自主學習過程由學生在課前通過課堂翻轉完成。在線下課堂教學中，教師通過討論的形式對相關知識點進行總結，并對學生提交實驗中的錯誤內容進行糾正。課程項目化的教學在具體中，在學生已完成相關虛擬化實驗平臺使用的基礎上，進行綜合性稍強的實驗項目，如在Proteus pro 仿真環境中使用NE555 實現方波發生器，訓練硬件電路規范設計和信號控制；在Linkboy 仿真環境中使用ArduinoUNO結合ULN2003、步進電機等器件，完成電梯控制系統設計實現多樓層電梯運行；在Linkboy 仿真環境中通過DS18B20 采集溫度并通過I2C 總線和LCD1602，顯示溫度實現智能家居溫控設計。

Linkboy 圖形化工具，提供了對應的C語言代碼編程，教師在項目化講解過程中可同步開展C語言編程知識講解，對系統的代碼進行優化后再過渡到更為專業化的Keil C 編譯器中開展編程實驗。進一步通過Keil C的編譯成的hex文件在Proteus中搭建硬件仿真環境并運行代碼以達到與真實環境更為接近的效果。學生完成上述實驗內容后，將進一步開展實物環境下的驗證實驗。

2.2 專業核心課程教學項目設計

專業核心課程階段的項目設計中，進一步對物聯網的網絡設計和應用層軟件設計功能提出了需求。我們在該階段課程中引入Packet Tracer 仿真平臺，基于平臺原有的硬件器件，開展基于物聯網傳感器硬件設計、網絡傳輸設計、應用軟件設計三個層次全面的仿真。設計的教學案例融合路由器、無線網關、應用服務器網關，使得傳感器的數據可以傳輸到遠程網絡環境，以此提升學生物聯網整體項目實施能力。

教學中充分利用Packet Tracer 平臺支持三種類型編程(圖形界面、JavaScript、Python)功能優勢，在項目實施中對教師教學的開展給予了極大的靈活性，給學生學習給予極大的適應性，即教師可以根據不同學生的專業背景和學習基礎選擇開展編程教學工作，以此有效實現課程銜接：對于電子信息工程專業的學生，在具備C 語言的基礎上可以選擇Python 的編程環境；物聯網專業學生在學習Java 編程后可以選擇JavaScript 或Py‐thon編程環境。

教師通過在課程中借助Packet Tracer 平臺開發新的物聯網器件，可以極大拓展物聯網實驗內容，為項目化課程開展提供極大便捷。同時，這一擴展性還體現在通過Packet Tracer 提供的API函數接口，教師設計項目中的物聯網設備可以從中國氣象站、中國移動的真實網站點讀取標準JSON 格式的氣象數據并在Packet Tracer 平臺的圖形化的界面中實時顯示，完全具有實際數據采集后的展示效果，這是其他仿真軟件都不具備的。

以Packet Tracer 平臺設計的園區道閘仿真系統項目[6]為例，該項目整體融合物聯網硬件設計、通信設計、UML 設計、軟件設計和測試、文檔編制，實現物聯網虛擬仿真實驗，為教師在虛擬環境下開展教學過程展示完整物聯網項目全貌提供了翔實案例。教學團隊以道閘仿真系統為基礎進行擴展，設計了智能家居、智能電網等多個類似的項目。與前一階段教學類似，在完成虛擬化實驗后將進一步開展真實產品環境的項目設計。

2.3 專業綜合實踐類課教學項目設計

專業綜合實踐類課程階段的項目設計應以真實的硬件設備、軟件平臺為基礎，這就需要教師以企業一線的實踐項目為載體，經過數據的脫敏處理，對項目進行課堂適應性改造，為課程設計真實場景的項目，如智慧家居、智慧農業、智慧公交等。

在該階段項目教學過程中，學生可以先使用基礎與核心課程階段的虛擬化平臺進行硬件和軟件仿真設計，初步確定了軟硬件設計方案后，再開展實物平臺設計。通過先虛擬，后實物的兩階段實施過程，可以全面培養學生的設計、編程、運維等綜合實踐技能。

這一階段的項目設計，需要教師積極參與企業一線的項目開發實踐，優化專業知識、更新技術技能，從而為這一階段的教學項目不斷更新、升級提供必備的源泉。

3 總結思考

高職物聯網專業課程實施過程中，借助多種有效的虛擬化仿真工具平臺，通過教學項目案例合理地規劃和設計，實現了學生能夠在課前、課中和課后開展學習和進行專業實驗，有效推進了課堂翻轉的實效，為物聯網專業循序漸進開展項目化教學提供了有效的實踐模式，促進了學生學習的自主性，提升了學生實踐能力。借助虛實結合的項目開展，也極大緩解實驗室設備不足矛盾，并為項目化實踐教學創新思路提供了新的方法和途徑。

教育部在2020年《高等學校課程思政建設指導綱要》中提出專業課程融入思政元素目標，如何在項目設計過程中結合項目的特征、學生當前的認知基礎引入思政元素，應是今后項目建設過程中需要思考的內容。

隨著“1+X”證書制度試點工作深入推進，如何在物聯網課程的項目設計中與X認證進行融合，是物聯網課程建設中需要思考和落實的。同時，如何將高職技能大賽項目融入課程中，也是需要專業教師在項目實施過程中進一步關注和思考。