基于虛擬仿真平臺的《物聯網項目規劃與實施》課程項目化教學改革探索

戚戀 馬雪亮 胡俊

摘要：在“新工科”建設背景下，物聯網工程專業在人才培養和課程建設方面仍需要不斷革新。通過剖析以往《物聯網項目規劃與實施》課程中出現的教學效果不理想等問題，探索基于虛擬仿真平臺的項目化教學模式改革，重新構建了項目化的課程學習內容以及全過程評價考核機制。結合學生在課程學習中的反饋和對比可知，這些教學改革探索在培養學生的學習能力、學習效果等方面取得了不錯的成效，提高了課程教學質量。

關鍵詞：教學模式改革；虛擬仿真；項目化教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）06-0102-03

0 引言

《物聯網項目規劃與實施》是物聯網應用技術專業的核心課程，是教育部“1+X”職業技能等級證書“物聯網工程實施與運維”與專業人才培養對接實現課證融通的模塊課程之一。作為是一門綜合性、應用性較強的課程，要求學生能掌握感知層、網絡層和應用層等物聯網關鍵層面的知識，對實際物聯網項目做出需求分析及方案設計，熟練進行網絡、嵌入式系統、傳感設備的選型、系統集成和性能測試，最終實現可承擔一般的物聯網工程項目[1]。

隨著“新工科”專業建設的逐步深入，如何滿足新工科對人才培養的要求，不斷探索優化教學模式，提高課程目標達成度，培養出社會需要的能夠解決復雜工程問題與實踐創新能力的專業技能人才，是課程教學模式改革過程中的關鍵問題[2]。本文以安徽國際商務職業學院物聯網應用技術專業為例，探究基于虛擬仿真平臺的《物聯網項目規劃與實施》課程項目化教學改革，總結出實施過程中的經驗。

1課程教學中存在的問題

通過近幾年的《物聯網項目規劃與實施》課程教學實踐來看，目前的課程教學存在以下幾個方面的問題：

1.1 教學模式缺乏創新

教師的課堂創新性不夠，多采用傳統的知識講授法進行教學，由教師講解理論知識，學生完成教師布置的作業，學生學習積極性不高，不能很好地激發學生的學習興趣、主動性以及創造性。

1.2 課程難度較大

本課程需要以多門專業課為基礎才能系統掌握，如傳感器原理，無線傳感網絡，計算機網絡、嵌入式系統等課程，實踐性和工程性較強。學生普遍反映課程內容學習難度大，與前序課程的學習基礎關系緊密；學完理論知識之后，實踐時還是無從下手。高職學生的學習基礎比較薄弱，使得不少學生有畏難心理，影響了學習積極性。

1.3 受到實訓條件限制

在物聯網項目規劃與實施課程中，包含大量的實際應用項目案例，需要學生擁有較強的工程實踐能力。實訓教學是幫助學生理解專業知識，增強實踐動手能力的重要教學手段，但工科技能教學長期面臨實訓場地不夠、設備短缺的問題。物聯網的設備基本都是電子元器件，接口復雜，精密度高，耗材價格高，學生在實訓過程中，很容易造成元器件損壞，影響正常的實驗教學。因此物聯網實訓室的維護相對其他實訓室來說難度較大，成為開展實訓教學的主要問題之一。受到實訓場地、設備量、消耗量、成本、課時時長等限制，物聯網實訓室目前只能為部分參加技能大賽的學生服務，不能夠支撐所有班級同學一次性同時進行安裝調試等實訓。學生分析問題、解決問題以及實操技能亟待加強。

1.4 教學考核方式單一片面

傳統教學通常采用總結性評價來評定學生的學習，經常是“一卷定終身”，即期末以編制物聯網項目設計方案和實施文檔，或理論知識測試試卷的形式考核。但這樣的評價方式過于單一和片面，缺乏過程性評價。考核內容重理論、輕實踐，不能真實反映學生學習成效，很難考查學生的解決實際問題的綜合實踐能力，難以全面反映學生的學習狀況和存在的問題。

2 課程教學改革與實踐

為了解決目前課程教學中所存在的問題，迫切需要對現有的課程體系進行改革。安徽國際商務學院“物聯網項目規劃與實施”課程教學團隊以適應“新工科”為指引，進行了針對學生實際情況的教學改革研究與探索[3]。借助虛擬仿真平臺，并對課程進行項目化教學設計，實現立體化教學體系的整合，推進當前物聯網教學研究工作。主要的教學改革舉措如下：

2.1修訂完善課程體系

針對物聯網工程實施類崗位，實際工作任務所需要的知識、能力、素質要求，開發課程的項目化教學方案。選用典型的物聯網系統設計與實施案例，根據物聯網應用技術專業國家教學標準以及本專業人才培養方案，參照1+X 職業技能等級標準，確定課程標準和教學內容。

2.2 采用項目化案例教學

基于真實物聯網項目規劃與實施項目，采用“項目→任務→子任務→技能點”的“金字塔”結構，自頂向下重構教學內容，將一學期64課時形成四個教學項目：智能物流倉儲管理設備檢測與安裝（12課時）、智慧社區安防系統設計與實施（16課時）、智慧體育館環境監控系統設計與實施（16課時）、智慧農業生態園系統設計與實施（20課時）；同時按照項目所涉及的場景復雜度及學習順序，序化教學項目。

基于項目化實施的工作過程開展教學，合理設置項目案例的難度，由淺入深、由易到難、由簡到繁，合理設計難易梯度，讓學生進行漸進式的學習。在項目化的教學設計中，把虛擬仿真平臺融入到項目案例教學之中，兩者深度融合，實現了教中學、學中做、做中學，教、學、做合一。使學生學習后能夠輕松掌握物聯網實際工程項目的相關知識，并具有初步設計、維護的能力，從而提升學生分析實際問題、解決實際問題的能力，最終實現知識到能力的遷移，沉浸式培養綜合職業素養。

2.3 將虛擬仿真平臺融入實訓教學

2.3.1 虛擬仿真平臺的構建意義

借助物聯網虛擬仿真平臺，可以解決物聯網實訓設備緊缺、綜合實驗室管理困難、專業建設成本高等問題。所以，物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設具有重要意義。

虛擬仿真平臺包含了常用行業應用設備，學生可隨意組合，組成不同場景物聯網技術行業應用，發揮創新思維，構想新案例，創新行業應用。虛擬實驗設備儀器與實際設備儀器功能和操作方法大致相同，可以利用軟件模擬實驗設備自由組合，完成比較復雜的實驗實訓設備搭建[4]。虛擬仿真平臺豐富配套實驗資源，每個實訓任務都有對應的真實應用場景，為學生提供更直觀的實訓環境，具有良好的交互性，學生能獲得較好的實驗體驗，并進行自主學習。

虛擬仿真平臺在教學過程中，老師和學生可不受時間和空間限制，隨時進行學習和實訓。在涉及危險環境、高成本、高消耗等情況，不可及或不可逆的操作時，可以讓老師和學生避免操作實際設備，以免產生不必要的意外和事故，從而可靠、安全和經濟地進行實訓。

以此為基礎開展實驗實訓教學工作，方便學生根據專業課程知識進行實踐操作，進一步提升學生實踐操作能力。以物聯網實訓仿真平臺為虛，實現理論、仿真、實操的有機融合，切實解決物聯網工程抽象、安裝實施入門難等職業能力教學存在的問題，突出學生的主體地位進行職業角色合作體驗與實踐，讓學生探索自身能力與興趣，全面提高課程學習效果和學生職業素養，培養學生成為“懂設計、能安裝、會調試、可排障”的物聯網項目實施人員。將傳統真實實驗教學和虛擬仿真實驗教學進行有效結合，解決目前實訓教學中的困難，突破時間和空間限制，有助于延伸教學范圍的深度以及廣度。也是目前“物聯網項目規劃與實施”課程教學改革構建的主要內容。

2.3.2 科學選擇虛擬仿真平臺

不同的課程可選擇的開源或虛擬仿真平臺類型很多，在選定物聯網項目規劃與實施課程實驗教學虛擬仿真平臺時，需要從多個因素進行考慮。首先要從物聯網專業教學的實際出發，對人才培養方案、重構的項目化教學內容、選取的項目案例、學生技能要求等進行綜合、全面的分析，明確選擇的虛擬仿真平臺和專業人才培養目標、課程教學內容之間的關系。基于這個原則，課程教學團隊對現有的商業虛擬仿真軟件特點進行了充分的對比分析，最終采用物聯網系統實施實訓平臺V2.3軟件，可以實現智慧農業、智慧體育場館等多個虛擬仿真場景下的物聯網工程項目全過程模擬實施，有效保證利用虛擬仿真平臺進行項目化教學的可行性和適配性。

2.3.3 虛擬仿真平臺教學過程

在這一環節中主要利用虛擬仿真在線教學平臺完成教學任務，充分利用信息化資源，發揮虛擬仿真的優勢，打破時空壁壘，解決實訓教學中的困難，虛實結合、突破時間和空間限制。

課前，學生可以登錄虛擬仿真平臺，利用實訓任務單與實訓指導書等資源，完成知識點預習，提高課堂效率。

課中，利用虛擬仿真在線教學平臺，進行在線仿真實驗訓練。實現仿真模擬多種場景下物聯網工程的方案制定、器件選型、軟硬件設計、安裝布線與調試（如圖1所示）。學生能夠將理論知識應用到仿真項目中，提升了學生的實踐能力，拓寬了工程知識面，為后續從事相關物聯網技術工作筑牢了工程實踐基礎。教師在課程教學過程中，可以通過監控學生的虛擬仿真平臺動態畫面進行實時指導。學生在完成實訓操作后，可以提取實訓報告、在線完成考核。

課后，利用虛擬仿真實驗平臺生成的學情分析統計圖表，學生了解準確了解自己的學習效果，教師可以根據課堂學習情況對教學方案進行改進，有助于提高教學質量。

虛擬仿真實驗教學平臺具有使用靈活的特點，支持開放式訪問教學及學習。部分無法在正常實驗時間完成實驗的學生，可以隨時隨地利用遍布校園的無線網，盡快完成實訓任務[5]。學生根據傳統實驗教學和在線實驗學習的具體特點，將課前預習、課中練習考核、課后復習評估等各個環節有效銜接，充分實現了虛擬仿真平臺的教學效果。

3 評價體系

依托大數據平臺，搭建教師評價、學生互評、企業評價、平臺評價的四維一體評價體系，嚴格按照企業相關規范標準，結合技能大賽的評分標準和1+X職業技能等級標準，融入物聯網實施職業素養等，對學生進行全過程綜合量化考核評價（如圖2所示），盡可能全面、客觀地對學生的學習效果做出評價。

在全過程考核評價的過程中，特別融入了學生對虛擬仿真平臺的使用評價。在虛擬仿真實訓平臺應用中，教師可以實現全程教學管理，對學生課前、課中、課后的學習效果、考核情況等數據進行采集，實現對學生的考核評價。

4 育人效果

4.1學生技能水平顯著提高

通過基于虛擬仿真平臺的項目式教學模式改革實踐探索，在自主學習、合作學習與探究學習等方式的作用下，詮釋了“以任務為導向、以學生為中心”的教學原則，激發了學生的主觀能動性，鍛煉了學生的思維能力和動手能力，明顯提高了教學質量。

（1）學生的物聯網項目規劃與實施類崗位核心技能水平得到大幅提升：學生通過多個階梯式項目任務進行物聯網系統設計與實施。針對方案設計、設備安裝、網絡調測和故障排查等環節進行大量實戰演練，積累了豐富的操作經驗。21級學生與20級學生在物聯網項目規劃與實施課程四階段平均得分有6.5% 的提升（如圖3所示）。

（2）依托課程模式改革所選拔的學生在各類學生技能競賽中取得優異的成績：學生通過課程所學到的知識，得到知識、技能的提升的同時也促進了比賽成績。在2023年全國職業院校技能大賽中，取得了高職組物聯網技術應用賽項全國二等獎。

4.2 學生教學評價有所提升

“物聯網項目規劃與實施”課程教學團隊從2021 年開始實施基于虛擬仿真平臺的項目化教學改革，并在實踐過程中不斷摸索經驗和優化教學手段。通過對物聯網應用技術專業學生的班級調查結果表明，91.7% 的學生認為基于真實物聯網工程的項目式教學模式，能激發學習熱情，貼合實際工程，可以學以致用，避免了理論說教的枯燥乏味；90.5% 的學生覺得利用虛擬仿真平臺，可以加深對課程相關專業知識的理解，虛實結合，培養創新思維。學生對教師的平均測評分數由之前的96 分提升到99 分，具體的評價信息包括“學的內容很實用”“幫助我們了解真實的物聯網工程項目”“真正學到一些項目知識”“體驗了合作的樂趣”等。

5 結束語

基于虛擬仿真的平臺的項目化教學模式改革，是促進物聯網專業人才培養模式和評價模式改革的重要路徑。今后，“物聯網項目規劃與實施”課程教學團隊將繼續在實踐中不斷優化和調整，形成有效的教學模式。從而提高課程教學質量和人才培養質量，夯實高職物聯網專業學生的可持續發展基礎，從而拓展畢業生的就業創業本領，為電子信息相關產業的發展培養更多的優秀復合型技術技能人才。

參考文獻：

[1] 程濤，徐冬寅，燕斌.高職院校農業物聯網專業課程體系構建研究[J].職教通訊，2016，31（9）：8-10，21.

[2] 祝玉軍，何昕，方群，等.物聯網工程專業綜合實踐教學模式研究[J].物聯網技術，2023，13（5）：157-158，162.

[3] 吳洪艷，高國宏，王潤濤，等.虛實結合混合式單片機教學改革與實踐[J].物聯網技術，2023，13（7）：152-154.

[4] 陳振崗.物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設研究[J].數據，2022（11）：179-181.

[5] 王剛，羅應機，林源，等.基于物聯網技術的虛擬仿真實驗教學平臺研究[J].物聯網技術，2023，13（7）：155-156，159.

【通聯編輯：光文玲】