虛擬仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

馬滿增 張銳銳

摘 要：針對(duì)目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中出現(xiàn)的共性問(wèn)題，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)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，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。探索高校物聯(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。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革

一、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題

教育部于2010 年批準(zhǔn)設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，截至目前，全國(guó)已有150 所本科院校開辦了該專業(yè)，預(yù)計(jì)辦學(xué)規(guī)模還將繼續(xù)擴(kuò)大。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個(gè)集計(jì)算機(jī)、控制、電子、通信等學(xué)科為一體的綜合性交叉專業(yè)。對(duì)于這個(gè)新興專業(yè)，許多高校在建設(shè)過(guò)程中，存在著“穿新鞋走舊路”的問(wèn)題，特別是對(duì)實(shí)踐教學(xué)重視不夠，缺乏系統(tǒng)思考與設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置、授課內(nèi)容、實(shí)踐平臺(tái)、師資培養(yǎng)和管理制度等多方面沒(méi)有形成科學(xué)完善的教學(xué)體系[1]。為此，結(jié)合當(dāng)前高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學(xué)實(shí)際，積極探索構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)創(chuàng)新型人才實(shí)踐教學(xué)新模式，就成為值得我們研究的重要課題。

作為新興專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)中存在如下問(wèn)題：

1.培養(yǎng)方案缺乏規(guī)范性，專業(yè)特色不鮮明

物聯(lián)網(wǎng)工程作為新興專業(yè)，其培養(yǎng)目標(biāo)如何定位、課程體系如何設(shè)置、教學(xué)過(guò)程如何開展，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例可供借鑒，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、工程實(shí)踐基地和師資準(zhǔn)備等方面也沒(méi)有成熟完善的教學(xué)條件。目前各高校的專業(yè)培養(yǎng)方案參差不齊，課程設(shè)置對(duì)基礎(chǔ)性課程、實(shí)驗(yàn)性課程、工程實(shí)訓(xùn)和綜合知識(shí)等幾大模塊的架構(gòu)不協(xié)調(diào)，沒(méi)有體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)工程的綜合性、交叉性與應(yīng)用性特點(diǎn)，就導(dǎo)致了培養(yǎng)的學(xué)生與其他信息類相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生同質(zhì)化。

2.多學(xué)科交叉，知識(shí)繁雜

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)專業(yè)課程的開設(shè)還不夠科學(xué)完善，教師對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式的認(rèn)識(shí)一定程度上也還處于探索階段。按照教育部規(guī)定，除傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程外，我院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課程有：物聯(lián)網(wǎng)信息融合、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、嵌入式開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)講座、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、Web 程序設(shè)計(jì)、射頻技術(shù)與應(yīng)用、移動(dòng)通信、視頻語(yǔ)音處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)等。涵蓋了通訊工程、網(wǎng)絡(luò)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等眾多專業(yè)課程。這樣，就形成了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識(shí)繁雜的特點(diǎn)

3.課程枯燥，教學(xué)模式封閉單一

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用無(wú)處不在，這樣的特點(diǎn)非常適合通過(guò)項(xiàng)目創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)這種綜合性的實(shí)踐教學(xué)方法來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和積極性，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。然而目前的課程教學(xué)在這方面還是很欠缺，仍然是以教師為中心，程式化的內(nèi)容多，導(dǎo)向性的環(huán)節(jié)少，這種單一接受式教學(xué)模式阻礙了學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力的養(yǎng)成。

二、傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合

物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)科具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，完備的實(shí)驗(yàn)室配套設(shè)備是必不可少的，但限于實(shí)際條件，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在教學(xué)中存在一定的局限性，例如設(shè)備數(shù)量有限，無(wú)法滿足學(xué)生人手一套的需求；硬件設(shè)備可擴(kuò)展性差，難以進(jìn)行復(fù)雜度較高的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)；實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備購(gòu)置成本高，設(shè)備更新周期長(zhǎng)，難以滿足飛速發(fā)展的專業(yè)課程需求。

虛擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)儀器儀表與測(cè)量技術(shù)等交叉產(chǎn)生的一種現(xiàn)代信息技術(shù)，是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，能夠創(chuàng)造一種高端的人機(jī)接口。利用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，可以有效解決傳統(tǒng)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備存在的不足。

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生先通過(guò)體驗(yàn)式教學(xué)對(duì)實(shí)際的物理設(shè)備產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)都可以轉(zhuǎn)換到虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行，學(xué)生可不受設(shè)備種類、數(shù)量限制，通過(guò)軟件模擬所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，自由組合，完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建。將虛擬仿真平臺(tái)與互聯(lián)網(wǎng)連接，學(xué)生可在任何地點(diǎn)訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，極大的擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的覆蓋范圍，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(duì)信息系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)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] 。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

（一）平臺(tái)要求概述

1.本平臺(tái)對(duì)常用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行模擬，用計(jì)算機(jī)軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的功能。

2.上位機(jī)程序可以操作真實(shí)的硬件設(shè)備，也可以操作虛擬仿真設(shè)備。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)，大大節(jié)省了硬件采購(gòu)費(fèi)用。

3.不用占用很大的實(shí)驗(yàn)室面積來(lái)擺放設(shè)備，可以讓每個(gè)有電腦的學(xué)生更充分的學(xué)習(xí)。

4.可以結(jié)合開發(fā)實(shí)驗(yàn)和操作實(shí)驗(yàn)。

（二）仿真功能要求

1.工程管理：提供新建、關(guān)閉、另存、導(dǎo)入的功能。

2.通過(guò)拖拽的方式進(jìn)行工程內(nèi)容的編輯（類似Viso的編輯方式）。

3.每個(gè)模擬的設(shè)備模塊化處理，將設(shè)備的所有接口進(jìn)行仿真。

4.將RFID設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行仿真，包括接口指令、信令交互方式，卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等等。

5.將WSN設(shè)備的網(wǎng)關(guān)及各種傳感器的功能進(jìn)行仿真，并提供環(huán)境模擬器來(lái)保證實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

（三）實(shí)驗(yàn)管理功能要求

1.學(xué)生管理功能

要求學(xué)生賬號(hào)按班級(jí)管理，具備增加、刪除、修改用戶信息功能。

2.教師管理

要求具備教師賬號(hào)添加功能，具備修改教師信息功能，重置密碼功能。具備用戶注銷功能。

3.實(shí)驗(yàn)資源管理

要求提供實(shí)驗(yàn)資源添加、刪除功能，教師端具備開始試驗(yàn)功能，讓教師能夠在本機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，查看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。實(shí)驗(yàn)功能需要包含實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)操作功能。

4.實(shí)驗(yàn)任務(wù)管理

要求教師發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)給學(xué)生，教師具有刪除編輯任務(wù)的功能，并查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教師發(fā)布實(shí)驗(yàn)功能需要根據(jù)提供添加的實(shí)驗(yàn)資源選擇實(shí)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)布，要求可以按班級(jí)選擇學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)，也可以單獨(dú)選擇某個(gè)學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系依托虛擬仿真技術(shù)，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(dòng)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(tái)[4]。

參考文獻(xiàn)

[1]朱軍，熊聰聰，張賢坤.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系探究[J].天津市教科院學(xué)報(bào).2014，3（6）：36-38.

[2]馬文頂，吳作武，萬(wàn)志軍，等.采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（9）：14-18.

[3]鄭春龍，邵紅艷.以創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的高校實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)施[J].中國(guó)高教研究，2007（4）：85-86.

[4] 王競(jìng)，吳響，黃怡鶴，等. 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[J]. 高教學(xué)刊，2017（21）：35-37.