應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)融合中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程

林劍輝

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，國家正在積極推進虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》指出，虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實驗教學(xué)可實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，在專業(yè)建設(shè)中以此開設(shè)專業(yè)課程。在傳統(tǒng)教學(xué)實踐中，應(yīng)用層課程所選的教材和上課的內(nèi)容與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系不緊密，教學(xué)效果不理想，特別是學(xué)生在學(xué)完這些課程后，再學(xué)物聯(lián)網(wǎng)的綜合實踐課（綜合三層架構(gòu)）時，知識結(jié)構(gòu)脫節(jié)，嚴重影響到這些課程的教學(xué)效果。

為此，筆者開發(fā)了“智能家居仿真系統(tǒng)”，學(xué)生可以在仿真系統(tǒng)中搭建自己的家居設(shè)備，充分體驗智能家居系統(tǒng)運行，理解物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的工作原理。在程序設(shè)計教學(xué)過程中，以學(xué)習(xí)開發(fā)“智能家居管理”作為貫穿整個課程的教學(xué)項目，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點，在開發(fā)管理系統(tǒng)中學(xué)習(xí)程序設(shè)計知識點，在調(diào)試過程中可直觀形象地控制 “仿真系統(tǒng)”，就像真實控制自己的家居，在學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的綜合實踐課程使用真實硬件設(shè)備時可以無縫對接，將物聯(lián)網(wǎng)核心課程融合，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更適合的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)環(huán)境。

一、中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程教學(xué)現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)尚處于初創(chuàng)階段，雖其應(yīng)用前景非常廣闊，未來將成為我國新型戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，但其標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、商業(yè)模式以及配套政策等還遠遠沒有成熟。作為國家倡導(dǎo)的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)備受各界重視，并成為就業(yè)前景廣闊的熱門領(lǐng)域，2018年教育部已審批中職學(xué)校開置物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)，使得物聯(lián)網(wǎng)成為各中職學(xué)校爭相申請的一個新專業(yè)，畢業(yè)學(xué)生主要就業(yè)于與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的企業(yè)、行業(yè)，從事物聯(lián)網(wǎng)的安裝、調(diào)試、開發(fā)、管理與維護等工作。

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層（如圖1所示），感知層開設(shè)課程有電子電工技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)等； 網(wǎng)絡(luò)層課程有計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝與調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等；應(yīng)用層課程有C#程序設(shè)計、微網(wǎng)站設(shè)計、動態(tài)網(wǎng)站、App Inventor、人工智能等；物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的綜合實踐課程有智能家居安裝與調(diào)試、物聯(lián)網(wǎng)工程實訓(xùn)等。

中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是新興專業(yè)，目前還沒有統(tǒng)一的課程體系，缺少適合中職學(xué)生的教材，科任教師通常會根據(jù)自己的喜好在網(wǎng)上選定教材，物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)開設(shè)的課程嚴重脫節(jié)，教學(xué)項目缺少關(guān)聯(lián)。比如程序設(shè)計課程，中職學(xué)生的英語和數(shù)學(xué)比較薄弱，程序設(shè)計對于他們是一門非常難學(xué)的課程，現(xiàn)在非常缺乏適合中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的C#程序設(shè)計教材，如果按傳統(tǒng)的程序設(shè)計教學(xué)模式，實訓(xùn)的項目與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用沒有聯(lián)系，只學(xué)習(xí)枯燥的基本語法很容易失去學(xué)習(xí)興趣，等學(xué)生學(xué)習(xí)完應(yīng)用層程序設(shè)計再學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的綜合實訓(xùn)課時，學(xué)生根本就不能設(shè)計出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的程序，無法完成綜合實訓(xùn)課。

二、物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為教育教學(xué)帶來有存在感、沉浸感的學(xué)習(xí)，高成本、危險、困難、難以實現(xiàn)的學(xué)習(xí)，實踐學(xué)習(xí)，高關(guān)注度與參與感的學(xué)習(xí)，互動和視覺學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)條件和環(huán)境。通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以在跟崗、頂崗之前進行反復(fù)模擬，對學(xué)過的知識點進行鞏固，為崗前的工作做好準(zhǔn)備（如圖2所示）。中職物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)設(shè)備種類繁雜價格昂貴，學(xué)生在實訓(xùn)過程中使用不規(guī)范，設(shè)備損耗非常大。特殊時期學(xué)生在家沒有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，有些課程無法開展。因此，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)顯得尤為必要（如圖3所示）。

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)在生活中的一個非常重要的應(yīng)用，因此在許多學(xué)校作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的綜合實訓(xùn)課。筆者任教智能家居安裝與調(diào)試課程多年，由于教學(xué)設(shè)備使用頻率高，造成設(shè)備損耗非常大，故障率高，從而影響教學(xué)。由于在學(xué)習(xí)程序設(shè)計時，學(xué)生沒有設(shè)計過物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，所以學(xué)生在安裝好感知層和網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備后，卻沒能設(shè)計好應(yīng)用層的程序，這是因為程序設(shè)計課程對物聯(lián)網(wǎng)項目設(shè)計沒有針對性。因此筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗，自主開發(fā)了“智能家居仿真系統(tǒng)”（圖4）。

該系統(tǒng)采用B-S架構(gòu)，用戶登錄后可以創(chuàng)建自己的家居系統(tǒng)，在家居系統(tǒng)中可以自由添加客廳、臥室、廚房等空間，在空間中添加各種設(shè)備并設(shè)置好設(shè)備的云變量（標(biāo)識），各種設(shè)備數(shù)據(jù)既可以上傳于阿里云，也可以通過httpPost方式與C#、Java、Python開發(fā)的程序交互數(shù)據(jù)。開發(fā)與虛擬仿真系統(tǒng)通訊類庫，方便學(xué)生調(diào)用，函數(shù)調(diào)用如下：（1）ldzz.Iot.userId="http：//192.168.22.7";//;當(dāng)userId為學(xué)號時，數(shù)據(jù)來源于仿真系統(tǒng)；當(dāng)userId為網(wǎng)關(guān)網(wǎng)址時，數(shù)據(jù)來源于硬件設(shè)備。（2）ldzz.Iot.GetDeviceValue（ string device）;? // 獲取設(shè)備的值，device參數(shù)為設(shè)備標(biāo)識（云變量），跟自己在仿真系統(tǒng)自定義的傳感器標(biāo)識一致。（3）ldzz.Iot.SetDeviceValue（string device，string value）；// 控制設(shè)備的開與關(guān)，device參數(shù)為被控制設(shè)備的標(biāo)識（云變量），value為設(shè)備值，比如，設(shè)備為燈，當(dāng)value為1時開燈，0則關(guān)燈。

三、融合核心專業(yè)課程

融合課程是把有內(nèi)在聯(lián)系的不同學(xué)科合并成新學(xué)科，可以打破學(xué)科壁壘，通過教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容的融合、教材的融合、教師教研與教學(xué)方式的融合等實現(xiàn)學(xué)科的統(tǒng)整與融合，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更適合的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)環(huán)境。融合課程使教師徹底改變了長期以來的“學(xué)科本位、各自為戰(zhàn)”的工作方式，緊密組合為一個“全能部隊”式的研究整體。下面以C#程序設(shè)計、智能家居安裝與調(diào)試為例闡述物聯(lián)網(wǎng)核心專業(yè)課程的融合。

C#程序設(shè)計可以開發(fā)各種系統(tǒng)為教學(xué)項目，如“智能家居管理系統(tǒng)”，物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)課教學(xué)涉及物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)學(xué)科知識，其中應(yīng)用層是設(shè)計“智能家居管理系統(tǒng)”。因此，這二類學(xué)科是有內(nèi)在聯(lián)系的，但在一般的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中，任教這二門課的教師并不會將這二類課程聯(lián)系融合，主要原因是擔(dān)任C#程序設(shè)計課的教師可能對物聯(lián)網(wǎng)智能家居了解不深刻，所以只能引用書本例題項目講解；物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)設(shè)備并非時刻已安裝好，開發(fā)的程序不能進行功能性調(diào)試；沒有合適的虛擬仿真系統(tǒng)程序調(diào)試環(huán)境。

因此，可以基于虛擬仿真系統(tǒng)，以“智能家居管理系統(tǒng)”為教學(xué)項目，設(shè)計出C#程序設(shè)計、動態(tài)網(wǎng)站、微網(wǎng)站、App的應(yīng)用模板。在教學(xué)過程中，以學(xué)習(xí)開發(fā)“智能家居管理”作為貫穿整個課程的教學(xué)項目，將枯燥乏味的程序設(shè)計知識點分解到這個項目中，改變傳統(tǒng)程序設(shè)計按教材講授語法的講練教學(xué)模式，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點，在開發(fā)管理系統(tǒng)中學(xué)習(xí)程序設(shè)計知識點，在調(diào)試過程中可直觀形象地控制 “仿真系統(tǒng)”，就像真實控制自己的家居。既培養(yǎng)了學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)思維，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生程序設(shè)計技能。通過該模式的教學(xué)，學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層有比較深刻的認識，在學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的綜合實踐課程時可以無縫對接。

課程融合應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)，很好地解決了線上教學(xué)設(shè)備缺乏帶來的問題，同時可以解決教學(xué)硬件資源短缺、設(shè)備損耗大、學(xué)生數(shù)量大帶來的實驗設(shè)備設(shè)施捉襟見肘的難題，而且還能增加學(xué)生的實踐機會，提升解決實際問題的能力。學(xué)生能更好地與企業(yè)接軌為基本點，更好地理解物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，掌握傳感器知識，了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的要求，有效地培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)思維。因此，本研究方案可以在一般的中職學(xué)校推廣應(yīng)用，優(yōu)化課程體系與教學(xué)內(nèi)容，從而全面提升教育教學(xué)質(zhì)量。

責(zé)任編輯 陳春陽