物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設研究

歐陽志友，袁春蕾

（南京郵電大學先進技術研究院，江蘇南京210023）

1 背景

教育信息化可以有效促進和推動教育模式、教學方法和學習方式的深刻變革，也可以為師生提供更加多樣性的教育教學和個性化學習的方式，而建設虛擬仿真實驗教學中心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[1]。鑒于此，從2013年8月13日發布的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函[2013]94號）開始，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，每年遴選100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。

國內的物聯網專業本科生的專業理論基礎知識普遍相對較為扎實，但實踐能力與創新能力與世界一流大學相比仍有較大的差距[2]，因此，通過實驗教學改革，提升實驗教學質量和效果，加強大學生的實踐動手能力和創新能力培養，是實驗教學中心建設的重要內容。物聯網專業作為一個通信、計算機、電子等多學科融合的交叉學科，同時也是一個基于工程應用和現有先進信息技術綜合集成化的學科，物聯網專業人才培養更需要加強實驗教學、工程技能和創新能力的培養。在物聯網實驗教學體系中，存在諸如無線傳感器網絡、Zigbee原理與組網實驗、云計算等一些實驗課程，需要大量的硬件資源或者需要較多的網絡節點才能很好地展現實驗課程的核心內容，在物聯網實驗教學套件普遍價格較貴、配套軟硬件不夠完善的情況下，物聯網實驗教學遇到了很大的挑戰。如果這類實驗課程通過使用OMNet++、ns-3、Matlab等軟件來進行虛擬實驗教學，不僅可以節省大量的硬件資源，還可以讓學生更加注重組網算法、路由算法等實驗教學的核心內容，所以，物聯網虛擬仿真實驗教學的應用和推廣尤為必要。

然而，迄今為止教育部已遴選出的300個國家級虛擬仿真實驗教學中心中，目前僅獲批物聯網虛擬仿真實驗教學中心1個，而按中心名稱中的學科統計，獲批虛擬仿真實驗教學中心最多的學科依次是醫學（14個）、土木工程（8個）、化學化工（7個），因此，有必要對物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容、建設方法、人才隊伍等進行研究，推動物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設和實驗中心申報工作。

2 物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設內容

物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設的核心是建設內容，主要包括物聯網實驗教學平臺體系結構、構成要素、所需的儀器設備和軟硬件設施、開設的虛擬仿真實驗課程以及虛擬仿真實驗的實驗內容和教學大綱等。建設內容決定了物聯網虛擬仿真實驗教學中心可以提供的共享資源和所能開設的虛擬仿真實驗，而物聯網專業多學科交叉融合的特點使不同高校在建設物聯網專業時，建設內容的側重點差異非常大。以南京郵電大學物聯網學院為例，其學科建設依托南京郵電大學寬帶無線通信教育部重點實驗室、寬帶無線通信與物聯網江蘇省重點實驗室、江蘇省首批高校協同創新中心“物聯網技術與應用協同創新中心”等多個重點實驗室和協同創新中心，重點培養面向電子信息行業的物聯網工程專業創新型應用人才，因此其實驗設置更加側重數據通信、信息處理和行業應用等。各高校在建設物聯網虛擬仿真實驗教學平臺時，應注意結合自身現狀，探索和建設適合自己的物聯網虛擬仿真實驗教學平臺。

2.1 虛擬仿真軟件選擇

物聯網實驗教學體系涵蓋了多門學科的眾多課程[3]，不同課程可以選用的開源或商業的虛擬仿真軟件琳瑯滿目，因此有必要分析現有的OMNet++、ns-3、Matlab、LabView等開源或商業虛擬仿真軟件的優劣，依據各高校對學生培養的定位，并結合學校和學院的對該軟件的使用現狀以及實驗教師的技能情況，選擇合適的虛擬仿真軟件來開設物聯網實驗教學大綱中規定的課內實驗、開放實驗和大學生創新創業實驗。

2.2 虛擬仿真實驗課程選擇

物聯網虛擬仿真實驗教學的初衷是解決物聯網實驗教學套件等教學設備價格過于昂貴、難以維護、部分實驗需要多個設備協作（如Zigbee的adhoc通信、無線傳感器網絡的自組組網等）而無法很好地開設等問題，但虛擬仿真實驗教學也有其自身地缺陷，在開設一些對物聯網硬件設備依賴較高的實驗課程（如RFID、嵌入式系統、ARM等）時，虛擬仿真實驗教學對學生應對實驗過程中遇到的各種問題的處理能力考查不夠，難以很好地提升學生完成物聯網應用方案設計與實現等綜合設計類實驗、課程設計或大學生創業創新活動所需的實際動手能力，因此，在建設物聯網虛擬仿真實驗教學平臺時，應注意仿真實驗與真實實驗之間的關系[4]，在建設物聯網虛擬仿真實驗教學平臺之前，應充分分析物聯網虛擬仿真實驗教學與基于物聯網實驗教學套件的實驗教學之間的差異，通過對比分析包括實驗教學大綱、實驗教學內容、實驗教學過程、對學生的技能要求、對實驗設備的要求等的差異，了解開設虛擬仿真實驗教學的可行性以及注意事項，從而確定合適的虛擬仿真實驗課程。

2.3 充分利用現有資源

虛擬仿真實驗教學平臺建設時要考慮充分利用現有的硬件資源和師資隊伍，兼顧考慮現已購置的物聯網實驗教學套件、服務器等實驗教學設備：已購置的物聯網實驗教學套件不僅價格不菲，而且任課師通過一段時間的培訓和學習，已經掌握了基于這些物聯網實驗教學套件來開設相關實驗課程的技能，如若建設與現有實物系統完全不同的虛擬仿真實驗教學平臺，勢必使得實驗教師必須切換到虛擬仿真實驗平臺來開設實驗教學，會大大增加實驗教師本身的工作量和培訓時間。以南京郵電大學物聯網實驗教學中心為例,中心現已采購并使用了兩種不同的物聯網實驗教學套件，除了具備開設RFID、Zigbee、無線傳感器網絡、嵌入式系統、ARM等的實驗課程外，還配套了相關的軟件開發工具和輔助軟件，其中部分軟件實際上可以脫離真實的物聯網實驗教學套件的硬件設備來運行和開展部分實驗，從廣義上來說，這部分實驗也可以歸為虛擬仿真實驗。通過研究這類實驗跟其他虛擬仿真實驗設備或軟件的結合，可以提供更好的實驗教學體驗和效果。

2.4 建設過程探索與實踐

雖然不少高校均已開設與物聯網相關的虛擬仿真實驗，但是基于軟件模擬的虛擬仿真實驗在實踐過程中可能遇到的各種問題還缺乏豐富的實踐經驗和解決辦法，因此，在建設物聯網虛擬仿真實驗教學平臺之前，需要進一步加強對虛擬仿真實驗在實踐過程中可能遇到問題的研究，并在對比分析虛擬仿真實驗與基于物聯網實驗教學套件的實驗之間差異的基礎上，有機結合“虛實”兩類實驗，提升實驗教學的效果，同時，在虛擬仿真實驗教學的過程中，也要積極組織教師間的交流與總結。

3 物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設方法

物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的主要建設目標是通過構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，讓學生在虛擬環境中開展物聯網實驗教學套件無法開展或者難以完成的實驗，配合實物教學完成實驗教學大綱要求的教學效果，因此，在物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設過程中，要堅持“實物為主、虛實結合”，不能為了圖方便、省成本而將本來可以利用物聯網實驗教學套件開設的實驗改成純軟件的虛擬仿真實驗。以已獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心的吉林大學為例，根據公開資料可知，其物聯網實驗課程體系中，45門實驗課程采用實際操作上機實驗，12門采用虛擬仿真實驗教學，并且虛擬仿真的實驗課程主要涉及無線傳感器網絡、RFID、計算網絡、網絡安全、云計算等需要較多軟硬件資源和物聯網實驗教學套件難以開展的實驗。除此之外，物聯網虛擬仿真實驗要突顯“科學規劃、資源共享”的指導思想，借助物聯網、虛擬現實、網絡通訊和人機交互等技術，實現實驗教學的遠程化和網絡化，讓學生可以隨時隨地的開展實驗。有條件的高校可考慮將物聯網技術與云計算、大數據分析等深度結合，充分利用云計算技術，為學生提供隨時隨地通過網絡遠程進行實驗的條件。融合物聯網技術、云計算與大數據分析的物聯網虛擬仿真實驗教學平臺功能架構如圖1所示。

在虛擬仿真實驗教學平臺建設的經費來源方面，確定物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容之后，可通過統籌規劃，梳理需新調整的建設內容和規劃新申請的實驗室建設項目，科學合理地安排中央財政支持地方高校發展、中央與地方共建高等學校專項基金以及省/市/校級實驗室項目等的申報，在現有的軟硬件條件基礎上，利用已申請和新申請的各級實驗室建設項目的經費，解決物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設經費問題。

圖1 物聯網虛擬仿真實驗教學平臺功能架構

4 師資隊伍建設

物聯網虛擬仿真實驗教學平臺尚無成熟的標準和廣泛使用的商業系統，因此，一方面需加強師資隊伍建設和培訓，確保實驗教師可基于虛擬仿真實驗教學平臺開展虛擬仿真實驗教學，并借助信息化的手段，推動實驗教學改革，提升實驗教學效果；另一方面，負責實驗室運行管理的技術人員，也需要加強物聯網虛擬仿真實驗教學平臺可能涉及的虛擬化桌面、網絡仿真系統、云計算系統、大數據分析與智能計算等技術的學習，為物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設和運行管理奠定基礎，同時，有助于更好的規劃虛擬仿真實驗教學平臺，促進虛擬仿真實驗教學平臺的進一步完善，必要時可采用部分自主開發或校企合作方式來完成所需的各類系統。此外，物聯網虛擬仿真實驗教學平臺本身也是一個很好的物聯網技術應用示范的場景，有較強研發能力的高校，可考慮將物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設與物聯網應用示范平臺建設等結合起來。

物聯網虛擬仿真實驗教學平臺可能涉及的技術包括以下3類。

1）基于hadoop技術體系的云計算平臺。

虛擬仿真實驗教學平臺要想獲得大規模的應用，為物聯網及相關專業的學生同時開設實驗課程，就必須要有云計算平臺的支撐，同時，云計算平臺也可以使得虛擬仿真實驗教學的教學資源管理、師生互動交流、教學過程管控等更為有效，可以更好地提升實驗效果。Hadoop是目前開源云計算平臺的主流技術，基于Hadoop技術體系的云計算平臺是構建物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的一個較為理想的基礎平臺，為虛擬仿真實驗教學平臺的大規模應用提供支撐。

2）機器學習與數據挖掘技術。

機器學習與數據挖掘技術是基于云平臺的物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的智能大腦，可以很大程度上解決物聯網虛擬仿真實驗教學過程中的考勤、答疑、作業批改、資料管理等諸多問題，同時，基于機器學習的個性化推薦算法，也可以為每位學生量身定制個性化的實驗內容，提升學生的實驗體驗和實驗效果。

3）物聯網應用技術。

培養學生掌握物聯網技術的具體應用場景及應用技術，是物聯網實驗教學的最終目的，因此，需要在實驗課程，特別是開放性實驗、大學生創業創新活動等中，設計物聯網的具體應用場景及相關的應用技術相關的實驗課程，讓學生了解和掌握所學的物聯網知識和技能的具體應用。

5 結語

結合南京郵電大學物聯網實驗教學中心的現狀，筆者對物聯網虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容、建設方法以及對實驗技術人員的技能要求等進行了較為深入的思考，并通過開設物聯網虛擬仿真實驗教學、對比虛擬仿真實驗教學與基于物聯網實驗教學套件的實驗教學之間的差異等，總結和提出物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設內容和建設方法等的一些注意事項，期望能對物聯網虛擬仿真實驗教學中心的建設提供有益參考。

[1]杜月林,黃剛,王峰.建設虛擬仿真實驗平臺探索創新人才培養模式[J].實驗技術與管理,2015(12):26-29.

[2]梁琨,談姝辰,金海燕.計算機虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].教育教學論壇,2017(3):267-268.

[3]閆春娟.物聯網專業實驗室的創新建設[J].高校實驗室工作研究,2012(2):89-91.

[4]王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理,2014(8):9-11.