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

王競，吳響，黃怡鶴，胡俊峰

摘 要：針對醫學院校物聯網工程專業實驗教學中出現的共性問題，徐州醫科大學采用“虛實結合”的教學理念構建物聯網工程專業虛擬仿真實驗教學體系。結合網絡技術、虛擬技術、多媒體技術等信息化手段在自主研發的MNSS（Medical Network System Simulator，醫學網絡系統仿真軟件）基礎上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。在建設這一特色虛擬仿真教學體系的過程中，探索醫學院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。同時，該教學體系的建設為醫學院校物聯網工程專業大學生創新和實踐能力的培養開辟了新的路徑。

關鍵詞：虛擬教學；教學體系；創新創業

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）21-0035-03

Abstract： Xuzhou Medical University establishes the virtual simulation experiment teaching system to deal with some common problems aroused in the experiment teaching activities of Internet of Things engineering. Based on the Medical Network System Simulator（MNSS）， virtual simulation teaching platform is established by combining the network technology， virtual technology， mass media technology and other information methods. And virtual simulation experiment teaching system is formed. In the process， we actively explore the teaching pattern and teaching method of all-round talents of the internet of things engineering in medical college. At the same time， the teaching system will explore a new path to cultivate innovative and practical ability of students from internet of things engineering.

Keywords： virtual teaching； the teaching system； innovation and entrepreneurship

一、概述

2009年伴隨著“感知中國”概念的提出，物聯網被認為是世界下一次信息技術浪潮和新的經濟引擎[1]。徐州醫科大學物聯網工程專業的培養目標是面向國家戰略性新興物聯網產業，立足于醫療衛生領域，在寬口徑專業基礎教學的基礎上，注重培養學生醫療信息采集技術、數據通信技術、傳感技術、網絡技術、RFID技術、嵌入式系統技術的理論知識和實踐技能，在物聯網領域內著重培養具有醫學背景的物聯網系統設計、應用、研究和開發的復合型高級技術人才。作為一個仍處于起步階段的新專業，物聯網工程專業在專業課開設、實驗教學設計、學生考核評價等教學模式上還處于探索建設階段。尤其是培養過程中需要考慮醫學背景，使其實驗教學體系的建設更加困難。具體而言，在實驗教學過程中存在以下問題：

1. 實驗設備欠缺的問題明顯。學生培養中需要使用的路由器、交換機等網絡設備數量種類繁多，造價昂貴，例如：一臺CISCO 2900系列路由器需要5000元左右，一臺CISCO 3800系列路由器更要上萬元。同時，網絡拓撲的搭建需要多臺設備才能完成互聯實驗，最簡單的網絡路由交換實驗也至少需要兩臺以上路由器，通過購買上百臺的實驗設備滿足教學需要顯然不切實際。此外，學生培養中使用的各類醫學信息系統價格昂貴，種類繁多，擴展性差，無法直接引入到實驗教學，導致學生無法對醫院網絡架構進行仿真實驗。

2. 相關教材欠缺的問題明顯。學生所學課程與醫學特色難以掛鉤，信息類與醫學類課程的分離使得醫學院校物聯網工程專業學生在相關部門就業時出現對網絡設備與各種醫院信息系統不了解、不熟悉的情況，出現了教學與就業的斷層現象。

3. 考核方式不配套的問題顯著。醫學院校物聯網工程專業的傳統考核方式通常是筆試，部分注重理論學習的學生通過短時間的死記硬背就能出成績，難以考察學生的實際動手能力，更難以提高學生的實踐操作能力和自主創新能力。

因此，在現有實驗條件不足、相關教材缺乏與考核方式不配套等困境下，徐州醫科大學物聯網工程專業借助網絡技術、虛擬技術、多媒體技術，在多款開源軟件的基礎上自主研發了具有醫學專業特色的虛擬仿真教學軟件MNSS，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醫院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]，而且可以使學生在教學過程中熟悉醫院信息系統網絡架構，為實習實踐中的相關技能培養打下夯實基礎，為高水平本科生培養和實踐創新能力的塑造提供有力的支撐和保障。

二、基于MNSS虛擬仿真教學平臺的實驗教學體系

（一）虛擬仿真實驗教學的教學理念

緊密結合醫學院校物聯網工程專業實踐性強、工程能力培養要求高的專業特點，仿真教學平臺建設始終堅持“虛實結合”的理念[4]，堅持“理論教學和實驗教學相結合、虛擬仿真和真實實驗相結合”的原則，以“實”為要求，以“虛”為工具，用“虛”的理論知識來增強與實踐動手操作的聯系，以“實”的仿真實踐來提高學生解決處理實際問題的能力。通過仿真教學平臺進行交互性仿真實驗使其成為理論和實踐教學的重要補充和有效的輔助手段，從而最大限度地提高學生的工程素養和操作能力。

（二）虛擬仿真實驗教學的教學特色

1. 模塊化

（1）“理論教學”模塊主要針對的是理論教學，將教學中抽象的難點知識和演示性實驗內容仿真虛擬為可視化的對象，加深了學生對醫學信息網絡架構基本概念和基礎理論知識的理解，達到了學生對知識直觀理解的教學目標，取得了良好的教學效果。

（2）“案例仿真”模塊主要針對醫院信息系統網絡架構的仿真模擬，通過在虛擬教學平臺中再現大型三甲醫院信息系統網絡架構，使學生理解所學知識的實用性，從而調動學生的學習積極性，強化訓練學生實際的動手實踐操作能力。

（3）“科研活動”模塊主要結合教師科研項目和各類競賽項目，學生通過參與相關的項目內容，使學生獲得科研方法和學習技能方面的鍛煉。

2. 層次化

（1）“教學實驗”層次主要是實驗案例，讓學生了解醫院信息系統網絡架構的搭建配置和一些常見問題的解決方法，使學生對醫院網絡架構有整體了解。

（2）“仿真實驗”層次主要是仿真案例，學生通過虛擬仿真教學平臺自由搭建醫院網絡架構，培養學生自主創新意識。

（3）“創新實驗”層次主要是面向學科的發展前沿，讓部分有興趣繼續發展深造的學生參與科研項目，將其研究成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源。

3. 多元化

（1）教學內容多元化。該虛擬仿真教學體系融合醫學信息系統和網絡通信兩方面內容，進行學科的融合，使得學生對所學知識有更深層次的了解和整體的把控。

（2）學習方式多元化。課堂上學生分組進行合作交流，在教師的指導下進行思考與探究，課堂外學生可以通過該虛擬仿真教學軟件下載相關教學資源進行自主學習。

（3）評價模式多元化。評價模式包括學生互評、學生自評、學生評教、教師評學等，體現評價主體的多元化，既可以使學生在評價過程中相互學習，自我反思，又避免評價結果的主觀傾向，有利于形成開放、民主的學習氛圍，促進師生的共同進步。

（三）虛擬仿真實驗教學的實現方法

依托徐州醫科大學自主研發的MNSS虛擬仿真教學軟件，結合網絡技術、虛擬技術、多媒體技術等信息化手段構建具有醫學院校專業特色的物聯網工程專業的教學體系。

1. 虛擬仿真實驗軟件簡介

MNSS是一款可以運行在多平臺（包括Windows， Linux， and Mac OS等）的醫學網絡系統虛擬仿真教學軟件。該軟件整合了思科開源網絡模擬軟件GNS3和各個知名的開源醫學信息系統（GNU Health，OpenSourcePACS，OpenLIS等），為學習、構建、設計和測試醫院信息網絡虛擬環境提供統一的實踐平臺。MNSS提供了一個簡單的方法來設計和建造任何規模的網絡架構，而不需要硬件設備。將醫學網絡系統仿真教學平臺的功能模塊分為四個部分，分別為網絡傳輸模塊、網絡安全模塊、醫院信息系統模塊和終端模塊。并且在建設過程中，通過擴展模塊的方式來增添和更新已有模塊，從而增強模塊的功能。其中網絡傳輸模塊包括可使用的各種傳輸設備，如路由器、交換機等；網絡安全模塊主要包括提供網絡安全的設備，如傳統的防火墻設備等；醫院信息系統模塊包含了開源的醫院信息系統，如主流的HIS，LIS，PACS等；終端模塊包括Windows終端、Linux終端等。通過這些模塊，學生可以對醫院信息網絡架構進行仿真實驗，充分將理論知識與實踐動手能力相結合。醫學網絡系統仿真軟件MNSS的主界面如圖1所示。

2. 虛擬仿真實驗軟件的優點

（1）提供大量的醫學網絡仿真相關設備。包括：路由器、交換機、服務器、主機終端和連接線等。

（2）經濟性。網絡設備價格偏高一直是計算機網絡實驗難以開展的一個重要原因。通過MNSS仿真軟件，可基于現有的計算機實驗室，通過云端提供的網絡設備鏡像為學生提供課程學習相關的模擬實驗環境。

（3）真實性。無論網絡設備還是醫學信息系統都采用的是真實的系統，而不是模擬，因此，MNSS可以再現一個真實的網絡，體現了“能實不虛”的設計理念。

（4）具有圖形化的操作界面。可視化的界面設計使得初學者很容易上手，學生可以自己繪制拓撲圖進行仿真實驗，其人性化的設計提高了學生的主觀能動性與學習積極性。

（5）方便的交互體系。MNSS的用戶交流功能使得在教學過程中，教師可通過軟件與學生進行交流互動，增強了師生互動和教學效果。

3. 虛擬仿真實驗軟件在教學中的使用

首先，在理論教學中，教師可結合MNSS模擬軟件設計教學案例，通過教學案例的演示引入相關的知識點，從而調動學生的學習興趣，更促進了學生的直觀理解，讓學生擺脫枯燥的理論知識所帶來的厭煩情緒。

其次，MNSS可為學生提供便捷的實驗仿真平臺。MNSS操作簡單，用戶體系的加入使得教師可以布置作業給學生，即使沒有計算機實驗室，單靠一臺個人電腦，學生也可以獨自完成各種仿真實驗。

最后，MNSS的引入可使傳統的考核方式發生變革。傳統的計算機網絡課程的考核方式常常是理論考試，學生僅靠死記硬背，不能完全檢查學生的掌握程度，并且對于醫學院校的學生來說，缺乏專業的相關性，學生畢業后進入工作崗位難以直接應用于實踐。通過引入MNSS，考核方式可采取筆試加上機試的方式，學生通過筆試完成理論考核，通過該軟件完成實驗考核。

三、結束語

徐州醫科大學虛擬仿真實驗教學體系建設依托虛擬仿真軟件MNSS，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，在我校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，實現了物聯網實驗設計和醫學背景的高度融合，取得了較好的實驗教學效果。

參考文獻：

[1]溫家寶.政府工作報告[R].北京：第十一屆全國人民代表大會第三次會議，2015（3）：60-61.

[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]吳響，劉菁，蔣璐.面向醫院環境的網絡仿真平臺的設計與實現[J].中國新技術新產品，2012（15）：21.

[5]朱宗奎.地質專業虛擬仿真實驗教學平臺建設探析[J].高教學刊，2016（20）：54-55.

[6]吳響，胡俊峰，俞嘯，等.基于GPL開源軟件的醫學院校物聯網工程專業實驗教學改革研究[J].課程教育研究：新教師教學，2016（31）.

[7]劉雪嶺，王悅.流體力學課程虛擬仿真教學資源庫平臺開發[J].高教學刊，2017（04）：76-77.