應用虛擬仿真系統融合中職物聯網專業核心課程

林劍輝

根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，國家正在積極推進虛擬現實技術在教學中的應用。《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》指出，虛擬仿真實驗教學是教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學可實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。

物聯網分為感知層、網絡層、應用層，在專業建設中以此開設專業課程。在傳統教學實踐中，應用層課程所選的教材和上課的內容與物聯網關系不緊密，教學效果不理想，特別是學生在學完這些課程后，再學物聯網的綜合實踐課（綜合三層架構）時，知識結構脫節，嚴重影響到這些課程的教學效果。

為此，筆者開發了“智能家居仿真系統”，學生可以在仿真系統中搭建自己的家居設備，充分體驗智能家居系統運行，理解物聯網三層架構的工作原理。在程序設計教學過程中，以學習開發“智能家居管理”作為貫穿整個課程的教學項目，結合物聯網專業特點，在開發管理系統中學習程序設計知識點，在調試過程中可直觀形象地控制 “仿真系統”，就像真實控制自己的家居，在學習物聯網的綜合實踐課程使用真實硬件設備時可以無縫對接，將物聯網核心課程融合，為學生創設更適合的學習內容、學習方式和學習環境。

一、中職物聯網專業核心課程教學現狀

物聯網產業尚處于初創階段，雖其應用前景非常廣闊，未來將成為我國新型戰略產業，但其標準、技術、商業模式以及配套政策等還遠遠沒有成熟。作為國家倡導的新興戰略性產業，物聯網備受各界重視，并成為就業前景廣闊的熱門領域，2018年教育部已審批中職學校開置物聯網相關專業，使得物聯網成為各中職學校爭相申請的一個新專業，畢業學生主要就業于與物聯網相關的企業、行業，從事物聯網的安裝、調試、開發、管理與維護等工作。

物聯網分為感知層、網絡層、應用層（如圖1所示），感知層開設課程有電子電工技術、物聯網傳感器技術等； 網絡層課程有計算機網絡基礎、網絡設備安裝與調試、網絡操作系統等；應用層課程有C#程序設計、微網站設計、動態網站、App Inventor、人工智能等；物聯網專業的綜合實踐課程有智能家居安裝與調試、物聯網工程實訓等。

中職物聯網專業是新興專業，目前還沒有統一的課程體系，缺少適合中職學生的教材，科任教師通常會根據自己的喜好在網上選定教材，物聯網三層架構開設的課程嚴重脫節，教學項目缺少關聯。比如程序設計課程，中職學生的英語和數學比較薄弱，程序設計對于他們是一門非常難學的課程，現在非常缺乏適合中職物聯網專業學生的C#程序設計教材，如果按傳統的程序設計教學模式，實訓的項目與物聯網的應用沒有聯系，只學習枯燥的基本語法很容易失去學習興趣，等學生學習完應用層程序設計再學習物聯網的綜合實訓課時，學生根本就不能設計出物聯網應用層的程序，無法完成綜合實訓課。

二、物聯網實訓虛擬仿真系統

虛擬現實技術為教育教學帶來有存在感、沉浸感的學習，高成本、危險、困難、難以實現的學習，實踐學習，高關注度與參與感的學習，互動和視覺學習，為學生提供更加優質的學習條件和環境。通過虛擬仿真系統，學生可以在跟崗、頂崗之前進行反復模擬，對學過的知識點進行鞏固，為崗前的工作做好準備（如圖2所示）。中職物聯網實訓設備種類繁雜價格昂貴，學生在實訓過程中使用不規范，設備損耗非常大。特殊時期學生在家沒有物聯網設備，有些課程無法開展。因此，應用物聯網實訓虛擬仿真系統顯得尤為必要（如圖3所示）。

智能家居是物聯網在生活中的一個非常重要的應用，因此在許多學校作為物聯網專業的綜合實訓課。筆者任教智能家居安裝與調試課程多年，由于教學設備使用頻率高，造成設備損耗非常大，故障率高，從而影響教學。由于在學習程序設計時，學生沒有設計過物聯網管理系統，所以學生在安裝好感知層和網絡層設備后，卻沒能設計好應用層的程序，這是因為程序設計課程對物聯網項目設計沒有針對性。因此筆者根據多年教學經驗，自主開發了“智能家居仿真系統”（圖4）。

該系統采用B-S架構，用戶登錄后可以創建自己的家居系統，在家居系統中可以自由添加客廳、臥室、廚房等空間，在空間中添加各種設備并設置好設備的云變量（標識），各種設備數據既可以上傳于阿里云，也可以通過httpPost方式與C#、Java、Python開發的程序交互數據。開發與虛擬仿真系統通訊類庫，方便學生調用，函數調用如下：（1）ldzz.Iot.userId="http：//192.168.22.7";//;當userId為學號時，數據來源于仿真系統；當userId為網關網址時，數據來源于硬件設備。（2）ldzz.Iot.GetDeviceValue（ string device）;? // 獲取設備的值，device參數為設備標識（云變量），跟自己在仿真系統自定義的傳感器標識一致。（3）ldzz.Iot.SetDeviceValue（string device，string value）；// 控制設備的開與關，device參數為被控制設備的標識（云變量），value為設備值，比如，設備為燈，當value為1時開燈，0則關燈。

三、融合核心專業課程

融合課程是把有內在聯系的不同學科合并成新學科，可以打破學科壁壘，通過教學目標與內容的融合、教材的融合、教師教研與教學方式的融合等實現學科的統整與融合，為學生創設更適合的學習內容、學習方式和學習環境。融合課程使教師徹底改變了長期以來的“學科本位、各自為戰”的工作方式，緊密組合為一個“全能部隊”式的研究整體。下面以C#程序設計、智能家居安裝與調試為例闡述物聯網核心專業課程的融合。

C#程序設計可以開發各種系統為教學項目，如“智能家居管理系統”，物聯網綜合實訓課教學涉及物聯網三層架構學科知識，其中應用層是設計“智能家居管理系統”。因此，這二類學科是有內在聯系的，但在一般的物聯網專業中，任教這二門課的教師并不會將這二類課程聯系融合，主要原因是擔任C#程序設計課的教師可能對物聯網智能家居了解不深刻，所以只能引用書本例題項目講解；物聯網實訓設備并非時刻已安裝好，開發的程序不能進行功能性調試；沒有合適的虛擬仿真系統程序調試環境。

因此，可以基于虛擬仿真系統，以“智能家居管理系統”為教學項目，設計出C#程序設計、動態網站、微網站、App的應用模板。在教學過程中，以學習開發“智能家居管理”作為貫穿整個課程的教學項目，將枯燥乏味的程序設計知識點分解到這個項目中，改變傳統程序設計按教材講授語法的講練教學模式，結合物聯網專業特點，在開發管理系統中學習程序設計知識點，在調試過程中可直觀形象地控制 “仿真系統”，就像真實控制自己的家居。既培養了學生的物聯網思維，又激發了學生的學習興趣，提升學生程序設計技能。通過該模式的教學，學生對物聯網的應用層有比較深刻的認識，在學習物聯網的綜合實踐課程時可以無縫對接。

課程融合應用虛擬仿真系統，很好地解決了線上教學設備缺乏帶來的問題，同時可以解決教學硬件資源短缺、設備損耗大、學生數量大帶來的實驗設備設施捉襟見肘的難題，而且還能增加學生的實踐機會，提升解決實際問題的能力。學生能更好地與企業接軌為基本點，更好地理解物聯網架構，掌握傳感器知識，了解物聯網系統網絡的要求，有效地培養物聯網思維。因此，本研究方案可以在一般的中職學校推廣應用，優化課程體系與教學內容，從而全面提升教育教學質量。

責任編輯 陳春陽