醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐

王競，吳響，黃怡鶴，胡俊峰

摘 要：針對醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的共性問題，徐州醫(yī)科大學(xué)采用“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)理念構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬技術(shù)、多媒體技術(shù)等信息化手段在自主研發(fā)的MNSS（Medical Network System Simulator，醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件）基礎(chǔ)上建設(shè)虛擬仿真教學(xué)平臺，形成“模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在建設(shè)這一特色虛擬仿真教學(xué)體系的過程中，探索醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)創(chuàng)新復(fù)合型人才培養(yǎng)的教學(xué)模式和方法。同時(shí)，該教學(xué)體系的建設(shè)為醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)開辟了新的路徑。

關(guān)鍵詞：虛擬教學(xué)；教學(xué)體系；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是世界下一次信息技術(shù)浪潮和新的經(jīng)濟(jì)引擎[1]。徐州醫(yī)科大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是面向國家戰(zhàn)略性新興物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，立足于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，在寬口徑專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)的基礎(chǔ)上，注重培養(yǎng)學(xué)生醫(yī)療信息采集技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的理論知識和實(shí)踐技能，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)著重培養(yǎng)具有醫(yī)學(xué)背景的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用、研究和開發(fā)的復(fù)合型高級技術(shù)人才。作為一個(gè)仍處于起步階段的新專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在專業(yè)課開設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)生考核評價(jià)等教學(xué)模式上還處于探索建設(shè)階段。尤其是培養(yǎng)過程中需要考慮醫(yī)學(xué)背景，使其實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)更加困難。具體而言，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在以下問題：

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備欠缺的問題明顯。學(xué)生培養(yǎng)中需要使用的路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量種類繁多，造價(jià)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(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇罱ㄐ枰嗯_設(shè)備才能完成互聯(lián)實(shí)驗(yàn)，最簡單的網(wǎng)絡(luò)路由交換實(shí)驗(yàn)也至少需要兩臺以上路由器，通過購買上百臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿足教學(xué)需要顯然不切實(shí)際。此外，學(xué)生培養(yǎng)中使用的各類醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)價(jià)格昂貴，種類繁多，擴(kuò)展性差，無法直接引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生無法對醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2. 相關(guān)教材欠缺的問題明顯。學(xué)生所學(xué)課程與醫(yī)學(xué)特色難以掛鉤，信息類與醫(yī)學(xué)類課程的分離使得醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生在相關(guān)部門就業(yè)時(shí)出現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與各種醫(yī)院信息系統(tǒng)不了解、不熟悉的情況，出現(xiàn)了教學(xué)與就業(yè)的斷層現(xiàn)象。

3. 考核方式不配套的問題顯著。醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的傳統(tǒng)考核方式通常是筆試，部分注重理論學(xué)習(xí)的學(xué)生通過短時(shí)間的死記硬背就能出成績，難以考察學(xué)生的實(shí)際動手能力，更難以提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力和自主創(chuàng)新能力。

因此，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件不足、相關(guān)教材缺乏與考核方式不配套等困境下，徐州醫(yī)科大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬技術(shù)、多媒體技術(shù)，在多款開源軟件的基礎(chǔ)上自主研發(fā)了具有醫(yī)學(xué)專業(yè)特色的虛擬仿真教學(xué)軟件MNSS，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套“模塊化、層次化、多元化”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[2]。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)不僅有助于學(xué)生對醫(yī)院信息系統(tǒng)相關(guān)知識的深入了解和掌握，培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高自主創(chuàng)新能力[3]，而且可以使學(xué)生在教學(xué)過程中熟悉醫(yī)院信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為實(shí)習(xí)實(shí)踐中的相關(guān)技能培養(yǎng)打下夯實(shí)基礎(chǔ)，為高水平本科生培養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)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(xué)平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)理念

緊密結(jié)合醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)、工程能力培養(yǎng)要求高的專業(yè)特點(diǎn)，仿真教學(xué)平臺建設(shè)始終堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合”的理念[4]，堅(jiān)持“理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的原則，以“實(shí)”為要求，以“虛”為工具，用“虛”的理論知識來增強(qiáng)與實(shí)踐動手操作的聯(lián)系，以“實(shí)”的仿真實(shí)踐來提高學(xué)生解決處理實(shí)際問題的能力。通過仿真教學(xué)平臺進(jìn)行交互性仿真實(shí)驗(yàn)使其成為理論和實(shí)踐教學(xué)的重要補(bǔ)充和有效的輔助手段，從而最大限度地提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和操作能力。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)特色

1. 模塊化

（1）“理論教學(xué)”模塊主要針對的是理論教學(xué)，將教學(xué)中抽象的難點(diǎn)知識和演示性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仿真虛擬為可視化的對象，加深了學(xué)生對醫(yī)學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基本概念和基礎(chǔ)理論知識的理解，達(dá)到了學(xué)生對知識直觀理解的教學(xué)目標(biāo)，取得了良好的教學(xué)效果。

（2）“案例仿真”模塊主要針對醫(yī)院信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的仿真模擬，通過在虛擬教學(xué)平臺中再現(xiàn)大型三甲醫(yī)院信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使學(xué)生理解所學(xué)知識的實(shí)用性，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際的動手實(shí)踐操作能力。

（3）“科研活動”模塊主要結(jié)合教師科研項(xiàng)目和各類競賽項(xiàng)目，學(xué)生通過參與相關(guān)的項(xiàng)目內(nèi)容，使學(xué)生獲得科研方法和學(xué)習(xí)技能方面的鍛煉。

2. 層次化

（1）“教學(xué)實(shí)驗(yàn)”層次主要是實(shí)驗(yàn)案例，讓學(xué)生了解醫(yī)院信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的搭建配置和一些常見問題的解決方法，使學(xué)生對醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有整體了解。

（2）“仿真實(shí)驗(yàn)”層次主要是仿真案例，學(xué)生通過虛擬仿真教學(xué)平臺自由搭建醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新意識。

（3）“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”層次主要是面向?qū)W科的發(fā)展前沿，讓部分有興趣繼續(xù)發(fā)展深造的學(xué)生參與科研項(xiàng)目，將其研究成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

3. 多元化

（1）教學(xué)內(nèi)容多元化。該虛擬仿真教學(xué)體系融合醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信兩方面內(nèi)容，進(jìn)行學(xué)科的融合，使得學(xué)生對所學(xué)知識有更深層次的了解和整體的把控。

（2）學(xué)習(xí)方式多元化。課堂上學(xué)生分組進(jìn)行合作交流，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行思考與探究，課堂外學(xué)生可以通過該虛擬仿真教學(xué)軟件下載相關(guān)教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

（3）評價(jià)模式多元化。評價(jià)模式包括學(xué)生互評、學(xué)生自評、學(xué)生評教、教師評學(xué)等，體現(xiàn)評價(jià)主體的多元化，既可以使學(xué)生在評價(jià)過程中相互學(xué)習(xí)，自我反思，又避免評價(jià)結(jié)果的主觀傾向，有利于形成開放、民主的學(xué)習(xí)氛圍，促進(jìn)師生的共同進(jìn)步。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)方法

依托徐州醫(yī)科大學(xué)自主研發(fā)的MNSS虛擬仿真教學(xué)軟件，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬技術(shù)、多媒體技術(shù)等信息化手段構(gòu)建具有醫(yī)學(xué)院校專業(yè)特色的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學(xué)體系。

1. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件簡介

MNSS是一款可以運(yùn)行在多平臺（包括Windows， Linux， and Mac OS等）的醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)軟件。該軟件整合了思科開源網(wǎng)絡(luò)模擬軟件GNS3和各個(gè)知名的開源醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)（GNU Health，OpenSourcePACS，OpenLIS等），為學(xué)習(xí)、構(gòu)建、設(shè)計(jì)和測試醫(yī)院信息網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境提供統(tǒng)一的實(shí)踐平臺。MNSS提供了一個(gè)簡單的方法來設(shè)計(jì)和建造任何規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而不需要硬件設(shè)備。將醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺的功能模塊分為四個(gè)部分，分別為網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)安全模塊、醫(yī)院信息系統(tǒng)模塊和終端模塊。并且在建設(shè)過程中，通過擴(kuò)展模塊的方式來增添和更新已有模塊，從而增強(qiáng)模塊的功能。其中網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊包括可使用的各種傳輸設(shè)備，如路由器、交換機(jī)等；網(wǎng)絡(luò)安全模塊主要包括提供網(wǎng)絡(luò)安全的設(shè)備，如傳統(tǒng)的防火墻設(shè)備等；醫(yī)院信息系統(tǒng)模塊包含了開源的醫(yī)院信息系統(tǒng)，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(xué)生可以對醫(yī)院信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，充分將理論知識與實(shí)踐動手能力相結(jié)合。醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件MNSS的主界面如圖1所示。

2. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的優(yōu)點(diǎn)

（1）提供大量的醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)仿真相關(guān)設(shè)備。包括：路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、主機(jī)終端和連接線等。

（2）經(jīng)濟(jì)性。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備價(jià)格偏高一直是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)難以開展的一個(gè)重要原因。通過MNSS仿真軟件，可基于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，通過云端提供的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備鏡像為學(xué)生提供課程學(xué)習(xí)相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

（3）真實(shí)性。無論網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還是醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)都采用的是真實(shí)的系統(tǒng)，而不是模擬，因此，MNSS可以再現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)，體現(xiàn)了“能實(shí)不虛”的設(shè)計(jì)理念。

（4）具有圖形化的操作界面?？梢暬慕缑嬖O(shè)計(jì)使得初學(xué)者很容易上手，學(xué)生可以自己繪制拓?fù)鋱D進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其人性化的設(shè)計(jì)提高了學(xué)生的主觀能動性與學(xué)習(xí)積極性。

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

3. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件在教學(xué)中的使用

首先，在理論教學(xué)中，教師可結(jié)合MNSS模擬軟件設(shè)計(jì)教學(xué)案例，通過教學(xué)案例的演示引入相關(guān)的知識點(diǎn)，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更促進(jìn)了學(xué)生的直觀理解，讓學(xué)生擺脫枯燥的理論知識所帶來的厭煩情緒。

其次，MNSS可為學(xué)生提供便捷的實(shí)驗(yàn)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(yè)給學(xué)生，即使沒有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，單靠一臺個(gè)人電腦，學(xué)生也可以獨(dú)自完成各種仿真實(shí)驗(yàn)。

最后，MNSS的引入可使傳統(tǒng)的考核方式發(fā)生變革。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的考核方式常常是理論考試，學(xué)生僅靠死記硬背，不能完全檢查學(xué)生的掌握程度，并且對于醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生來說，缺乏專業(yè)的相關(guān)性，學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入工作崗位難以直接應(yīng)用于實(shí)踐。通過引入MNSS，考核方式可采取筆試加上機(jī)試的方式，學(xué)生通過筆試完成理論考核，通過該軟件完成實(shí)驗(yàn)考核。

三、結(jié)束語

徐州醫(yī)科大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)依托虛擬仿真軟件MNSS，以培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，引入虛擬技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)，探索“模塊化、層次化、多元化”的教學(xué)模式，從教學(xué)方法和手段上突破傳統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)仿真案例的模式互動教學(xué)；與此同時(shí)，注重學(xué)生自主性和創(chuàng)新性培養(yǎng)，在我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)的道路上邁出了重要的一步，為學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)和實(shí)習(xí)就業(yè)提供了有效的教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和醫(yī)學(xué)背景的高度融合，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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