中職校物聯網綜合實訓系統的構建與實踐

郭占濤 羅印升 巢海遠 諸一琦

摘 要 為解決職業學校物聯網綜合實訓系統缺乏技術集成性、職業體驗性和培養師生綜合實踐能力不足等問題，物聯網專業教學團隊研發了全面支持互聯應用學習和服務“雙師型”教師培養的物聯網綜合實訓系統。系統圍繞解決的問題構建了智慧軌道交通、智慧倉儲、智慧社區、商品信息管理、車輛信息管理、智慧航空物流，六大典型應用領域模塊，為物聯網專業學生的課程學習、綜合實訓、創新技能競賽和專業教師的能力提升訓練等提供了根本保障。

關鍵詞 職業學校;物聯網專業;綜合實訓系統;人才培養

中圖分類號 G718.3 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2019）32-0031-04

職業學校實訓在培養學生實踐應用能力和綜合素質方面具有不可替代性。物聯網作為新一代信息技術的基礎網絡應用平臺，職業學校對物聯網專業學生的綜合實踐能力訓練必不可少。但是在構建物聯網綜合實訓系統時，往往存在結構布局和資源配置不盡合理、功能單一、缺乏實際的職業情景體驗訓練等缺點。為解決這些問題，常州劉國鈞高等職業技術學校物聯網專業教師團隊在持續的課程教學與實踐項目研究基礎上，通過校企合作建成了滿足物聯網技術領域技術技能人才培養需求，具有技術先進性、可擴展性的物聯網綜合實訓系統。

一、構建物聯網專業綜合實訓系統的意義

（一）職業學校培養技術技能型人才的需要

目前，物聯網專業的課程體系設置呈現的是“大樓模型”，即課程的不斷疊加，學生對課程知識如何綜合應用于實踐項目目標不夠清晰。戴士弘提出的“大樹模型”對改進人才培養過程的認知具有指導作用，“大樹模型是指任何大樹都是由小樹長大的，在小樹長成大樹的過程中，樹根及枝葉是同時生長壯大的”[1]。“大樹模型”強調學生學習專業應該像樹一樣整體成長，需要設置綜合實踐項目課程來培養“整樹”。支撐“整樹”培養的實訓系統必須能夠創設實施綜合實訓課程的環境，即必須創設具有“學習潛力”的（模擬）工作環境，包括硬件與軟件。實訓系統的工作模式一定程度上決定了實踐教學方式，很大程度上影響著職業學校的人才培養質量，只有科學合理地建設好實訓系統，才能保證新型的專業課程體系和教學模式得以順利實施。

（二）為學生掌握“萬物互聯”提供一種解決方案

隨著通信技術的升級，物聯網技術的應用范圍將進一步擴大。物聯網即“萬物互聯”，指的是應用場所無處不在，控制對象包羅萬象。因此，職業學校縱有龐大的實訓工廠也無法匹配其廣泛的應用領域，從而使得選擇合適的載體（平臺或系統）構建學習場所變得更加困難。仿真實驗是用另一數據處理系統，主要是以硬件來全部或部分地模仿某個數據處理系統，使模仿的系統能像被模仿系統一樣接收同樣的數據，執行同樣的程序，獲得同樣的結果。虛擬仿真實驗教學系統和項目可以有效融合教學內容、虛擬實驗設備、教學指導和學生操作，將技術知識與操作準確、安全、便捷、生動地呈現給學生，以提高學生的認識能力、實踐能力和創新能力[2]。因此，構建智慧物流虛擬仿真綜合實訓系統是解決全面學習“萬物互聯”應用的有效途徑。一方面，智慧物流的控制環節盡可能地體現了“互聯網+”的廣泛應用;另一方面，通過虛擬仿真實訓的教學環境，學生通過互動掌握實驗設計、操作過程和技術技能，增加互動的隨機性及拓展性;學生參與實驗關鍵環節的方案討論與決策，可以提高綜合設計創新能力[3]。同時，為跟隨未來物聯網新技術的發展，我們借鑒“信息高速公路”的理念，已設計開放端口，充分考慮了新技術的接入渠道。

二、物聯網專業綜合實訓系統建設的思路

（一）物聯網專業綜合實訓系統建設的目標

課程建設是專業建設的核心，是連接“專業培養什么人才”和“怎么培養專業人才”之間的紐帶，更是實現人才培養目標的根本途徑。職業院校課程實施離不開實訓環節的支撐，科學建設優質實訓基地至關重要。

基于信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS）的智能化已經擴展到人們生產生活的工作過程和生活環境中，促進了高度靈活、個性化和數字化學習模式的誕生，工作崗位重新成為重要的學習場所。學習發展為學生在（盡量）真實的或智能化模擬工作情境中對工作任務、過程和環境進行的整體化的感悟和反思。基于工作的學習（Work-Based Learning，WBL）是對應于“工業4.0”的“課程4.0”的基本特征，變得與傳統的課堂學習同等重要，都是職業教育課程不可或缺的組成部分[4]。創設具有“學習潛力”的（模擬）工作崗位，一直是職業教育課程開發需要解決的關鍵問題。其中教育者需要不斷反思和解決的問題是：在信息技術支撐下，如何把復雜工作現實問題轉變為一種學習情境？按照什么樣的教學范式去定義教學訓練系統，并確定該平臺包含的學習內容和交流方式？[5]

我們開發的物聯網綜合實訓系統技術先進、數據真實，采用硬件仿真，其物理設備設施模仿現實物流環節的工作對象，工作方式模擬物流環節運作，以實現模仿的系統能像被模仿的系統一樣接受同樣的數據，執行同樣的程序，獲得逼真的結果。學習環境將專業知識與職業技能嵌入到以智慧物流為主題的物聯網仿真實訓系統，解決了當前學生學習物聯網專業知識缺乏實際的職業情景體驗，缺乏全面整合物聯網應用技術的平臺等問題。教師可以通過網絡化的仿真實訓系統發布教學任務，組織學生完成理實一體化的項目，使學生可以在實踐訓練中體驗物聯網技術在現實環境中的應用。

（二）物聯網專業綜合實訓系統的構建

確立物聯網專業人才培養目標。根據江蘇區域經濟社會發展需求，將物聯網專業人才培養目標定位為培養為社會主義現代化建設服務，有社會責任感和敬業精神、規范意識和創新思維、進取意愿和合作能力，具備信息技術應用與物聯網設備安裝、系統調試、工程實施、系統運維與管理能力的應用型、發展型、創新型技術技能人才。

依據專業目標與需求構建仿真實訓系統。物聯網專業融合了電子科學與技術、計算機科學與技術及控制科學與工程等多學科專業知識。其專業課程涉及的知識面寬廣，能力素質要求較高。物聯網專業的課程設置應該緊密結合物聯網的三層體系結構，充分考慮課程教學模式、教學目標與內容、知識的深度與廣度等因素，依據物聯網專業培養目標并結合學生特點進行綜合設計與規劃。系統通過整合物聯網專業知識服務于人才培養，通過仿真智慧物流工作模式解決了創設具有“學習潛力”的模擬工作崗位的問題，實現人才培養模式的創新。系統結構如圖1所示。

物聯網綜合實訓系統研發技術路線。學校采用“技術需求→設計開發→拓展應用→反饋改進→再完善開發”的反復循環模式的技術路線。研發過程是一個不斷改進完善的過程，也是豐富其內涵，拓展其應用價值的過程。通過校企合作完善改進硬件系統，開發適合理實一體化教學的教學任務書、項目課題等教學資源，研究教學方法，創新培養模式，注重培養學生物聯網項目的集成開發與應用能力，培養學生“全面”的工作能力。

三、物聯網專業綜合實訓系統建設的內容

該實訓系統具有強大的交互功能，師生可以通過系統“標準工作模式”真實感受物聯網的智慧應用，通過“創新工作模式”設置方案實現物聯網“萬物互聯”的無限廣泛應用，在有趣且看得見結果的應用過程中讓學生樂學、好學、會學，學會相關知識、技術與技能。系統將學生在書本中學到的知識與可視化的模型有機結合起來，形成“真實”的職業場景，充分實現互動式教學體驗。通過豐富多樣的教學方式，激發學生的興趣，鍛煉學生的動手能力，發展學生的創新潛能。

物聯網智能仿真系統模擬微觀的智慧物流系統，包含智慧軌道交通、智慧倉儲、智慧社區、商品信息管理、車輛信息管理、智慧航空物流六個模塊。各模塊主要功能如下：

智慧軌道交通模塊。檢測噪音，仿真高鐵模型在進入隧道的時候，聲音被隧道內的聲音傳感器采集并將數據傳輸到顯示屏上，數據為真實的動態變化數值，學生可以感受到聲音的變化被采集的過程。檢測車速，通過在隧道的始末段設置速度傳感器對仿真高鐵速度進行采集計算（放大100倍）并傳輸到顯示屏，教師和學生可以調節小火車速度并通過顯示屏數據和小火車狀態真實感受到速度的變化。光照感應，隧道內外存在著光照度差異，在小火車上設置光傳感器，小火車在進入隧道前后會對光照度的不同產生反應并實時傳輸到顯示大屏，隧道內設置微型攝像頭捕捉小火車進入隧道前后對光照影響的反應。

智慧倉儲模塊。智慧倉儲模塊的教學重點是讓學生了解智慧倉儲的實際應用，了解立體庫位的運行原理，學生可以自行操作編輯相關模擬貨物的存儲和提取信息，并通過自動化小車的運行來驗證數據正確與否。學生可以自主編輯貨物存取的立體坐標信息，并發送給軌道小車，執行程序觀看效果。小車在運行到指定位置后停住，對應位置的立體庫位對應的點位黃色燈光閃爍，示意裝車卸車正在執行，完畢后點位燈光綠燈常亮表示位置空置，可以進行下次存儲，點位燈光紅燈常亮表示位置滿倉。

智慧社區模塊。智慧社區管理主要設置遠程抄表與智能井蓋兩項管理任務。遠程抄表體現NB-IOT窄帶物聯網技術在智慧生活方面的應用，通過模擬社區內水表、電表、燃氣表等運行產生的數據，學生可以在教學現場獲得儀表遠程傳輸的數據，讓學生充分理解窄帶物聯網技術在遠程抄表的應用。智能井蓋可演示它的防盜功能、定位功能、液位報警功能，學生對模擬井蓋進行移位時和對井蓋下方的液位進行灌注時，信息都會被反饋到顯示屏上。整個智慧社區設置數個小黃車點位，在大的顯示屏上構建一幅虛擬的社區點位地圖，小黃車可以在不同點位之間相互交互。

商品信息化管理模塊。商品信息化管理主要掌握RFID的實際應用，所有商品進行標簽管理，標簽信息學生可以自己錄入和更改。模擬超市設置了一進一出兩套標簽讀寫系統，一套為商品入庫，一套為商品出庫，具備對超市內所有貨物批量盤點的功能。基于此，學生可以充分感受到物聯網技術給人們工作帶來的方便。學生通過對商品信息化管理模塊的學習，能夠做到對實驗室資產的信息化管理。

智慧停車場模塊。本模塊主要通過智慧停車系統讓學生熟悉車輛管理在日常生活中的應用，通過車輛進出管理、車牌識別與設置了解圖像識別與數據庫應用等課程知識。學生通過對智慧停車場模塊的學習，會對實訓樓地下停車場的在冊車輛進行信息添加、刪減等操作，能根據要求調整收費標準等任務。為安全運作，設置標準工作模式，完成數據恢復復位。

智慧航空物流模塊。特殊商品，如貴重食品藥品、鮮活貨物和精密儀器等，對運輸時間、物理環境和安全要求等都有嚴格的標準，航空運輸可以確保迅捷、安全、準時的交付貨物。航空運輸模塊模擬特殊商品的運輸流通管理過程，特殊商品在空運過程中會嚴格記錄商品的倉儲、運輸點，并實時監測商品存放點的物理環境參數（溫度、濕度、光照度等）。本模塊用寫入標簽的試管模擬疫苗，投放到高速模擬飛機運送，中間設置溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器，能如實記錄“疫苗”沿途的環境溫度、濕度、光照度，并上傳客戶（教師）手機供查詢，實現“出產有記錄、過程留痕跡”的追蹤溯源。傳感器的數據直接傳輸至實驗室大屏，教師可以比對實驗室大屏數據與手機接收數據是否一致，要求學生（商家）不能私自更改商品信息，以培養學生誠實守信的職業道德。

四、物聯網專業綜合實訓系統使用成效

該實訓系統的建設與運行使得本專業課教師得到很好的理實一體化實踐鍛煉，同時也為學生課程實訓、畢業設計、創新創業技能競賽、師生技能大賽和教師課堂教學大賽等提供了實踐平臺。系統支撐物聯網感知層、網絡層和應用層的各類實驗實訓要求，能根據實訓內容隨時擴展升級模塊功能。目前，物聯網專業的核心課程《單片機原理與應用》《無線傳感網組建》《感知識別與自動化技術》等均已經在該系統上完成綜合實訓。整體化理實一體的課程設計，學生不但學習到專業知識技能，而且能夠在復雜的工作過程中獲得職業認知。通過在系統的單元模塊中巧妙設計具有“學習潛力”的模擬工作任務，學生能夠對實驗室資產進行管理，對學校停車場進行管理。已有30余位學生的畢業設計在物聯網實訓系統上完成數據采集和功能模擬控制，對“整樹”培養學生綜合實踐能力提供了根本保障。在課外，學生志愿組成興趣小組進行中小規模的綜合項目設計并測試運行，體驗真實的項目成果，不斷積累形成了應用物聯網技術的知識遷移能力。依托該實訓系統孵化完成的《物聯網考生身份識別系統》《人體跌倒檢測》等實踐創新訓練項目獲得省市創新大賽佳績。2018年投入使用至今，已為學校參加“物聯網技術應用與維護”和“智能家居安裝與維護”兩項技能大賽培養訓練了一大批技能優才，師生合計取得國賽二等獎以上2項，省賽一等獎3項，成效顯著。在主持和研發系統的過程中，系統建設負責人被評為2018年度“常州市龍城十佳雙師型教師”。

參 考 文 獻

[1]戴士弘. 職教院校整體教改[M].北京：清華大學出版社，2012：138-141.

[2]劉瓊，張韋深，龍天澄，等. 對虛擬仿真實驗室建設的再認識——基于“第三屆高等學校國家級實驗教學示范中心建設研討會暨虛擬仿真技術與教學資源建設論壇”[J].中國醫學教育技術，2017（2）：162-165.

[3]張煒，崔瑾，成丹. 農業生物學虛擬仿真實驗教學資源建設[J]. 高校生物學教學研究，2015（1）：51-56.

[4]趙志群. 我國職業教育課程模式的發展[J]. 職教論壇，2018（1）：52-57.

[5]趙志群. 支撐工業4.0的職業教育課程建設[J]. 江蘇職教，2019（4）：29-33.