物聯(lián)網(wǎng)虛擬化仿真教學(xué)項目設(shè)計與實施

范君，荀磊，胡為民，嵇波

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通226007)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，新一代信息化技術(shù)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位和比重愈發(fā)重要。國家在“十四五”規(guī)劃中指定了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為數(shù)字經(jīng)濟七大重點產(chǎn)業(yè)之一。強調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域涵蓋了傳感器、網(wǎng)絡(luò)切片、高精度定位等技術(shù)領(lǐng)域，對于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的云服務(wù)與邊緣計算考慮協(xié)同發(fā)展，培育車聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)、家居物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。國家對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃和布局，對物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)也提出了新的要求。

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》的建設(shè)要求，在開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作中，教育部指出虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(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，以此確立了虛擬仿真實驗教學(xué)的重要地位。

2 虛擬化教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 電子信息大類課程虛擬化實踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

在虛擬化仿真領(lǐng)域，運用成熟度較高和使用范圍較廣的是計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬化仿真。目前，國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)制造商推出了一系列仿真實驗平臺，如美國思科公司推出了Packet Tracer 仿真平臺[2]，華為公司推出了eNSP 仿真平臺，H3C 公司推出了HCL 實驗平臺，這些實驗平臺能夠成功實現(xiàn)多種任務(wù)下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置和故障排除的模擬，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型、拓?fù)涞脑O(shè)計、設(shè)備方案配置、網(wǎng)絡(luò)性能測試，有效實現(xiàn)了班級、小組或個人為單位的實驗教學(xué)工作開展。且上述設(shè)備能夠有效在PC機環(huán)境下運行，可支持課前課后學(xué)生實驗的開展，使得實驗教學(xué)的開展體現(xiàn)了教學(xué)過程中學(xué)生的主導(dǎo)地位。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)類課程虛擬化實踐教學(xué)現(xiàn)狀分析

物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)，以具備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用層面的實施能力為目標(biāo)，其中包含了軟硬件設(shè)計、編程、軟硬件聯(lián)調(diào)、故障排除等技術(shù)技能，這一培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)需要依賴于有效的實踐環(huán)節(jié)。目前高校物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有的實驗平臺以實驗箱為主，通過實驗箱器件搭建完成規(guī)定的實驗實訓(xùn)教學(xué)。而物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用場景，往往包含了感知層、傳輸層、應(yīng)用層這三個層面。因此，實驗項目需要能夠涵蓋感知層傳感器件選型應(yīng)用、傳輸層環(huán)境構(gòu)建、應(yīng)用層軟件編程，這對實驗室建設(shè)投入費用、教師實驗指導(dǎo)能力都提出了較高的要求。

從目前國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心現(xiàn)有的建設(shè)數(shù)據(jù)來看，雖然很多高校在物聯(lián)網(wǎng)工程仿真實驗建設(shè)方面都得了很大的進展[3-5]，但物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗在已建教學(xué)仿真中心所占比例較小，物聯(lián)網(wǎng)虛擬化仿真建設(shè)中依然還存在許多待克服的問題，具體包括：

1)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有多學(xué)科交叉融合的特點，從許多高校現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)情況來看，不同高校建設(shè)內(nèi)容往往依賴或圍繞于高校某個傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)而展開，使得物聯(lián)網(wǎng)仿真實驗易側(cè)重專業(yè)層面而缺乏通用性。

2)部分學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)仿真實驗依托已有的實驗平臺開展，學(xué)生的課前與課后的實驗操作均要在學(xué)校特定的云平臺中進行，限制了其使用的靈活性，即物聯(lián)網(wǎng)仿真實驗離不開實驗室特定平臺或設(shè)備，無法像網(wǎng)絡(luò)公開課、MOOC 課具備大規(guī)模推廣效應(yīng)。加之學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)平臺往往依托特定技術(shù)，使得物聯(lián)網(wǎng)仿真實驗應(yīng)用范圍受限。

3)部分高校的物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗不足。綜合性仿真實驗一方面數(shù)量較少，一方面已開發(fā)的仿真實驗缺乏較強的可擴展性，從而限制了學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)綜合項目的了解和掌握，弱化了綜合能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項目設(shè)計

隨著國家在信息技術(shù)課程與教材改革的深入和人工智能技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前國內(nèi)很多省份已經(jīng)在中小學(xué)階段，開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)(STEAM 教育)、創(chuàng)客教育等新的教學(xué)模式，通過引入開源硬件Arduino平臺、基于圖形化Scratch編程工具，以友好的界面、動畫、游戲、故事形式通過趣味性培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)硬件設(shè)計和編程能力。由此可知，部分的高職學(xué)生在中小學(xué)階段就已經(jīng)具備硬件應(yīng)用和編程基礎(chǔ)，因此高校在開展物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)案例設(shè)計和實驗平臺建設(shè)過程中需要考慮學(xué)生已有知識與技能的銜接。

高職院校物聯(lián)網(wǎng)項目設(shè)計的整體規(guī)劃，需要遵循技術(shù)人員崗位成長經(jīng)歷，需要遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，按照由簡單到復(fù)雜、由單一到綜合的特性，同時也要考慮到每個項目應(yīng)具有可實施性、可操作性、可考核性，項目與項目之間保持相對獨立性和延展性，不同項目其內(nèi)部的知識和技能之間應(yīng)具有一定的關(guān)聯(lián)性。在虛擬化和真實實驗環(huán)境的結(jié)合方面，可以先虛擬化實驗后實際環(huán)境操作，做到虛中有實，實中有虛，最終達到虛實銜接相互融合目標(biāo)。

2.1 專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)項目設(shè)計

高職的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基礎(chǔ)課程階段包含電子電路、模擬電路、數(shù)子電路等課程，這一階段課程項目設(shè)計以感知層為基礎(chǔ)，引入Linkboy、Proteus 仿真平臺。課程實施過程中，以Linkboy官方站點的技術(shù)手冊案例和教師自行編制的案例為項目載體，教師將課程資料、編程需求、相關(guān)視頻提供給學(xué)生，學(xué)習(xí)電子元器件、基本電路設(shè)計、基本軟件編程知識，這一自主學(xué)習(xí)過程由學(xué)生在課前通過課堂翻轉(zhuǎn)完成。在線下課堂教學(xué)中，教師通過討論的形式對相關(guān)知識點進行總結(jié)，并對學(xué)生提交實驗中的錯誤內(nèi)容進行糾正。課程項目化的教學(xué)在具體中，在學(xué)生已完成相關(guān)虛擬化實驗平臺使用的基礎(chǔ)上，進行綜合性稍強的實驗項目，如在Proteus pro 仿真環(huán)境中使用NE555 實現(xiàn)方波發(fā)生器，訓(xùn)練硬件電路規(guī)范設(shè)計和信號控制；在Linkboy 仿真環(huán)境中使用ArduinoUNO結(jié)合ULN2003、步進電機等器件，完成電梯控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)多樓層電梯運行；在Linkboy 仿真環(huán)境中通過DS18B20 采集溫度并通過I2C 總線和LCD1602，顯示溫度實現(xiàn)智能家居溫控設(shè)計。

Linkboy 圖形化工具，提供了對應(yīng)的C語言代碼編程，教師在項目化講解過程中可同步開展C語言編程知識講解，對系統(tǒng)的代碼進行優(yōu)化后再過渡到更為專業(yè)化的Keil C 編譯器中開展編程實驗。進一步通過Keil C的編譯成的hex文件在Proteus中搭建硬件仿真環(huán)境并運行代碼以達到與真實環(huán)境更為接近的效果。學(xué)生完成上述實驗內(nèi)容后，將進一步開展實物環(huán)境下的驗證實驗。

2.2 專業(yè)核心課程教學(xué)項目設(shè)計

專業(yè)核心課程階段的項目設(shè)計中，進一步對物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用層軟件設(shè)計功能提出了需求。我們在該階段課程中引入Packet Tracer 仿真平臺，基于平臺原有的硬件器件，開展基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器硬件設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計、應(yīng)用軟件設(shè)計三個層次全面的仿真。設(shè)計的教學(xué)案例融合路由器、無線網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用服務(wù)器網(wǎng)關(guān)，使得傳感器的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)竭h程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以此提升學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)整體項目實施能力。

教學(xué)中充分利用Packet Tracer 平臺支持三種類型編程(圖形界面、JavaScript、Python)功能優(yōu)勢，在項目實施中對教師教學(xué)的開展給予了極大的靈活性，給學(xué)生學(xué)習(xí)給予極大的適應(yīng)性，即教師可以根據(jù)不同學(xué)生的專業(yè)背景和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)選擇開展編程教學(xué)工作，以此有效實現(xiàn)課程銜接：對于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，在具備C 語言的基礎(chǔ)上可以選擇Python 的編程環(huán)境；物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)Java 編程后可以選擇JavaScript 或Py‐thon編程環(huán)境。

教師通過在課程中借助Packet Tracer 平臺開發(fā)新的物聯(lián)網(wǎng)器件，可以極大拓展物聯(lián)網(wǎng)實驗內(nèi)容，為項目化課程開展提供極大便捷。同時，這一擴展性還體現(xiàn)在通過Packet Tracer 提供的API函數(shù)接口，教師設(shè)計項目中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以從中國氣象站、中國移動的真實網(wǎng)站點讀取標(biāo)準(zhǔn)JSON 格式的氣象數(shù)據(jù)并在Packet Tracer 平臺的圖形化的界面中實時顯示，完全具有實際數(shù)據(jù)采集后的展示效果，這是其他仿真軟件都不具備的。

以Packet Tracer 平臺設(shè)計的園區(qū)道閘仿真系統(tǒng)項目[6]為例，該項目整體融合物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計、通信設(shè)計、UML 設(shè)計、軟件設(shè)計和測試、文檔編制，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗，為教師在虛擬環(huán)境下開展教學(xué)過程展示完整物聯(lián)網(wǎng)項目全貌提供了翔實案例。教學(xué)團隊以道閘仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行擴展，設(shè)計了智能家居、智能電網(wǎng)等多個類似的項目。與前一階段教學(xué)類似，在完成虛擬化實驗后將進一步開展真實產(chǎn)品環(huán)境的項目設(shè)計。

2.3 專業(yè)綜合實踐類課教學(xué)項目設(shè)計

專業(yè)綜合實踐類課程階段的項目設(shè)計應(yīng)以真實的硬件設(shè)備、軟件平臺為基礎(chǔ)，這就需要教師以企業(yè)一線的實踐項目為載體，經(jīng)過數(shù)據(jù)的脫敏處理，對項目進行課堂適應(yīng)性改造，為課程設(shè)計真實場景的項目，如智慧家居、智慧農(nóng)業(yè)、智慧公交等。

在該階段項目教學(xué)過程中，學(xué)生可以先使用基礎(chǔ)與核心課程階段的虛擬化平臺進行硬件和軟件仿真設(shè)計，初步確定了軟硬件設(shè)計方案后，再開展實物平臺設(shè)計。通過先虛擬，后實物的兩階段實施過程，可以全面培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、編程、運維等綜合實踐技能。

這一階段的項目設(shè)計，需要教師積極參與企業(yè)一線的項目開發(fā)實踐，優(yōu)化專業(yè)知識、更新技術(shù)技能，從而為這一階段的教學(xué)項目不斷更新、升級提供必備的源泉。

3 總結(jié)思考

高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程實施過程中，借助多種有效的虛擬化仿真工具平臺，通過教學(xué)項目案例合理地規(guī)劃和設(shè)計，實現(xiàn)了學(xué)生能夠在課前、課中和課后開展學(xué)習(xí)和進行專業(yè)實驗，有效推進了課堂翻轉(zhuǎn)的實效，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)循序漸進開展項目化教學(xué)提供了有效的實踐模式，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，提升了學(xué)生實踐能力。借助虛實結(jié)合的項目開展，也極大緩解實驗室設(shè)備不足矛盾，并為項目化實踐教學(xué)創(chuàng)新思路提供了新的方法和途徑。

教育部在2020年《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中提出專業(yè)課程融入思政元素目標(biāo)，如何在項目設(shè)計過程中結(jié)合項目的特征、學(xué)生當(dāng)前的認(rèn)知基礎(chǔ)引入思政元素，應(yīng)是今后項目建設(shè)過程中需要思考的內(nèi)容。

隨著“1+X”證書制度試點工作深入推進，如何在物聯(lián)網(wǎng)課程的項目設(shè)計中與X認(rèn)證進行融合，是物聯(lián)網(wǎng)課程建設(shè)中需要思考和落實的。同時，如何將高職技能大賽項目融入課程中，也是需要專業(yè)教師在項目實施過程中進一步關(guān)注和思考。