新工科背景下綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)

楊艷華 普?qǐng)@媛 常 俊 劉宏杰 周永錄

(1. 云南大學(xué) 信息學(xué)院， 昆明 650500)(2. 云南省高校物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650500)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)入新的階段，對(duì)高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了新的要求，需要高校輸送滿(mǎn)足要求的創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型高素質(zhì)人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的主要方式，然而實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往需要具備一定的空間、時(shí)間和設(shè)備條件，實(shí)驗(yàn)開(kāi)展可能還會(huì)產(chǎn)生較大的成本損耗，因此，對(duì)于不太具備條件或較難開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)課程比較適合采用虛擬仿真方式來(lái)進(jìn)行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效補(bǔ)充，能夠達(dá)到良好的互動(dòng)性、情境性和沉浸性，已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要手段[1]。教育部高度重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和課程建設(shè)，2017年正式提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃，計(jì)劃從2017年到2020年認(rèn)定1000項(xiàng)左右的示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，涵蓋理、工、農(nóng)、醫(yī)、文學(xué)、體育、藝術(shù)等共60個(gè)學(xué)科類(lèi)別[2]。2018年5月31日教育部公布了首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定結(jié)果，共有105個(gè)項(xiàng)目得到認(rèn)定，2019年10月，教育部發(fā)布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》，明確提出經(jīng)過(guò)三年左右時(shí)間，建成萬(wàn)門(mén)左右國(guó)家級(jí)一流本科課程和萬(wàn)門(mén)左右省級(jí)一流本科課程(即一流本科課程“雙萬(wàn)計(jì)劃”)，國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目被納入一流課程建設(shè)范疇。

一流課程建設(shè)堅(jiān)持分類(lèi)建設(shè)、扶強(qiáng)扶特和“兩性一度”的基本原則，“兩性一度”指的是提升課程的高階性、突出課程的創(chuàng)新性和增加課程的挑戰(zhàn)度，是課程建設(shè)高質(zhì)量的保證。相比其他類(lèi)別一流課程，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程有自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要支持重復(fù)多次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以及多人同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，要以軟件形式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享，因此本質(zhì)上是一種專(zhuān)用共享軟件；二是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)借助較新的技術(shù)手段對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，需要達(dá)到一定的仿真度，課程建設(shè)技術(shù)上要求較高；三是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)投入較大，需要一定的人力、物力和財(cái)力保證才能建設(shè)出高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)課程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)和應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要先建設(shè)再應(yīng)用，建設(shè)完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的修改涉及環(huán)節(jié)多、工作流程復(fù)雜，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程建設(shè)需要進(jìn)行總體規(guī)劃，利用軟件工程的思想和方法并結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)對(duì)課程建設(shè)和教學(xué)應(yīng)用全生命周期進(jìn)行有效管理。各學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程具有不同的特點(diǎn)和要求，基于筆者參與完成的云南大學(xué)“智能花卉種植物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“智能花卉物聯(lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)”)的課程建設(shè)和教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐，重點(diǎn)探討新工科背景下綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)和教學(xué)應(yīng)用的共性關(guān)鍵問(wèn)題，為類(lèi)似的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程建設(shè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)建設(shè)的必要性

物聯(lián)網(wǎng)工程是一個(gè)多學(xué)科交叉的新工科專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型高素質(zhì)人才[3]，注重學(xué)生實(shí)踐能力、工程能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)非常重要。在物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下具備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有限的實(shí)體實(shí)驗(yàn)的條件，但是開(kāi)展大型綜合訓(xùn)練類(lèi)實(shí)驗(yàn)就比較困難，而這在專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中又是必不可少的，因此非常有必要建設(shè)綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開(kāi)展綜合性物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)主要存在以下問(wèn)題和困難：

1)缺少應(yīng)用場(chǎng)景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要與具體的應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合才能凸顯出其作用，開(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)往往需要在真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行，然而在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下缺少真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

2)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建困難

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層進(jìn)行架構(gòu)并且各層設(shè)備位置分散、距離較遠(yuǎn)，因此綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建需要設(shè)備多、涉及技術(shù)廣、需要時(shí)間長(zhǎng)，受到場(chǎng)地、設(shè)備、時(shí)間和成本等多方面因素制約，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下很難搭建起完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境，即使利用有限條件搭建好實(shí)驗(yàn)環(huán)境也難以滿(mǎn)足大量學(xué)生同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以及重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要，使得學(xué)生難以得到設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全過(guò)程的實(shí)踐過(guò)程訓(xùn)練，不能通過(guò)進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體、深入的理解。

3)知識(shí)連貫性差

物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科鏈較長(zhǎng)，涵蓋信息感知、匯集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、利用以及反饋控制的所有環(huán)節(jié)，知識(shí)點(diǎn)覆蓋“嵌入式系統(tǒng)”“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”“物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)”“移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)”等多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，綜合性實(shí)驗(yàn)一般安排在學(xué)生學(xué)完大部分專(zhuān)業(yè)知識(shí)的高年級(jí)階段，目的是使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行連貫和應(yīng)用，然而由于實(shí)體實(shí)驗(yàn)整體性不足，也缺少有效手段對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行整理和回顧。綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以采用先進(jìn)的信息技術(shù)和仿真技術(shù)，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)知識(shí)學(xué)習(xí)、知識(shí)問(wèn)答、實(shí)驗(yàn)操作、過(guò)程模擬等環(huán)節(jié)促使學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)全棧知識(shí)體系進(jìn)行整理和回顧，能用文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等多種方式生動(dòng)展現(xiàn)，開(kāi)展線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)[4]，既能很好地幫助學(xué)生重構(gòu)知識(shí)體系，又能使學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐[5]。

2 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用領(lǐng)域[6]，花卉是云南的重要支柱產(chǎn)業(yè)，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和花卉種植技術(shù)相結(jié)合，以云南大學(xué)信息學(xué)院建設(shè)完成的玫瑰種植管理物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為原型，按照“兩性一度”的建設(shè)要求和“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、開(kāi)放共享”[7]的建設(shè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)高度仿真模擬出實(shí)景花卉種植環(huán)境，按照工程規(guī)范，以智能花卉種植物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用的全過(guò)程為實(shí)驗(yàn)主線(xiàn)，構(gòu)建出一個(gè)工程上建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全過(guò)程的綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中穿插知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)、單元測(cè)試、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備認(rèn)知、設(shè)備安裝、設(shè)備配置、設(shè)備調(diào)試、交互操作等環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)需要構(gòu)建花卉種植園、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間和數(shù)據(jù)中心三個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模型，其中：花卉種植園場(chǎng)景按照玫瑰花苗、樹(shù)和花型構(gòu)建玫瑰花仿真模型，A、B、C、D監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型，以及土壤溫濕度、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、葉面溫濕度、光合有效傳感器模型、物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)、灌溉控制裝置、航拍無(wú)人機(jī)、施肥無(wú)人機(jī)共9種感知層設(shè)備模型；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間場(chǎng)景構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)、防火墻、機(jī)柜/機(jī)架共5種網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備模型，傳感器、網(wǎng)絡(luò)、ZigBee、WiFi和Internet共5種連接模型；數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景構(gòu)建服務(wù)器集群和磁盤(pán)陣列2種平臺(tái)層設(shè)備模型，手機(jī)、平板電腦和PC共3種應(yīng)用層設(shè)備模型，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、控制操作、參數(shù)和報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)歷史曲線(xiàn)共7種軟件界面模型。為方便實(shí)驗(yàn)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的理解，實(shí)驗(yàn)將物聯(lián)網(wǎng)按感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層進(jìn)行明確劃分，體現(xiàn)良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖1所示為智能花卉種植物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 智能花卉種植物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在高階性方面，實(shí)驗(yàn)引入了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)學(xué)科的最新發(fā)展成果，包括傳感網(wǎng)組網(wǎng)、云計(jì)算、無(wú)人機(jī)等技術(shù)，拓展實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，堅(jiān)持知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)融合[8]。在創(chuàng)新性方面，設(shè)計(jì)了新穎的從總體認(rèn)知、局部實(shí)現(xiàn)再到整體調(diào)試應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程穿插知識(shí)學(xué)習(xí)、知識(shí)問(wèn)答、過(guò)程模擬等環(huán)節(jié)，貫穿工程理念，鍛煉學(xué)生分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力和思維[9]。在挑戰(zhàn)度方面，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不是進(jìn)行簡(jiǎn)單的現(xiàn)象觀察，而是包含了設(shè)備安裝、設(shè)備配置、傳感網(wǎng)配置、局域網(wǎng)配置、廣域網(wǎng)配置、參數(shù)設(shè)置等大量個(gè)性化操作，只有操作正確實(shí)驗(yàn)步驟才能往下進(jìn)行。

2.2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)參考實(shí)際工程中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程，從系統(tǒng)組成認(rèn)知→感知層實(shí)現(xiàn)→網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)→平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)→應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)→系統(tǒng)連接→系統(tǒng)聯(lián)調(diào)→系統(tǒng)模擬運(yùn)行的“總-分-總”的流程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)步驟，將實(shí)驗(yàn)操作劃分成8個(gè)任務(wù)，15個(gè)交互性操作步驟。實(shí)驗(yàn)步驟目標(biāo)要求如下：

1)實(shí)驗(yàn)任務(wù)一：系統(tǒng)組成認(rèn)知

步驟1：尋找“錦囊妙計(jì)”、認(rèn)知學(xué)習(xí)與單元測(cè)試。在玫瑰園三維場(chǎng)景中找到三個(gè)錦囊，通過(guò)錦囊對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)四層架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、玫瑰種植條件進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，并從題庫(kù)中隨機(jī)抽取一道題，要求正確作答。

2)實(shí)驗(yàn)任務(wù)二：感知層實(shí)現(xiàn)

步驟2：感知層認(rèn)知與單元測(cè)試。對(duì)土壤溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器、葉面溫濕度傳感器、光合有效傳感器、物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)、灌溉控制裝置、航拍無(wú)人機(jī)、施肥無(wú)人機(jī)共9種設(shè)備進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，從題庫(kù)中隨機(jī)抽取兩道題，要求正確作答。

步驟3：傳感器、終端節(jié)點(diǎn)及灌溉控制裝置安裝。在玫瑰園三維場(chǎng)景設(shè)定的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝土壤溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器、葉面溫濕度傳感器、光合有效傳感器和終端節(jié)點(diǎn)；在設(shè)備間安裝灌溉控制裝置。

3)實(shí)驗(yàn)任務(wù)三：網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)

步驟4：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備認(rèn)知與單元測(cè)試。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)、防火墻、機(jī)柜/機(jī)架進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，對(duì)ZigBee、LoRa、NB-IOT、Wi-Fi、藍(lán)牙、5G等通信方式和IP地址進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，從題庫(kù)中抽取兩道題作答。

步驟5：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備安裝、連接與配置。在玫瑰園三維場(chǎng)景設(shè)備間安裝機(jī)柜、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、路由器等設(shè)備并進(jìn)行連接與配置；按照要求完成中心機(jī)房的防火墻、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝、連接與配置。

4)實(shí)驗(yàn)任務(wù)四：平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)

步驟6：平臺(tái)層設(shè)備認(rèn)知與單元測(cè)驗(yàn)。對(duì)平臺(tái)層設(shè)備磁盤(pán)陣列、服務(wù)器集群進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，對(duì)云計(jì)算技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，并從題庫(kù)中隨機(jī)抽取兩道題，要求正確作答。

步驟7：平臺(tái)層設(shè)備安裝、配置，軟件模塊選擇與加載。在數(shù)據(jù)中心安裝平臺(tái)層設(shè)備，包括服務(wù)器集群和磁盤(pán)陣列，配置服務(wù)器，創(chuàng)建正向查找區(qū)域、創(chuàng)建反向查找區(qū)域?qū)?yīng)的名稱(chēng)、建立資源記錄等，最后選擇添加平臺(tái)層軟件模塊進(jìn)行加載。

5)實(shí)驗(yàn)任務(wù)五：應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

步驟8：應(yīng)用層軟件界面設(shè)置。完成軟件界面設(shè)置，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、控制操作、參數(shù)和報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)歷史曲線(xiàn)等界面進(jìn)行設(shè)計(jì)配置。

6)實(shí)驗(yàn)任務(wù)六：系統(tǒng)連接

步驟9：連接傳感器與物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)。選擇有線(xiàn)連接，分別將土壤溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器、土壤電導(dǎo)率傳感器、葉面溫濕度傳感器、光合有效傳感器連接到物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)。

步驟10：ZigBee原理學(xué)習(xí)與單元測(cè)驗(yàn)。對(duì)ZigBee組網(wǎng)原理進(jìn)行學(xué)習(xí)，并從題庫(kù)中隨機(jī)抽取兩道題，要求正確作答。

步驟11：ZigBee協(xié)調(diào)器、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與組網(wǎng)關(guān)系配置。完成ZigBee協(xié)調(diào)器參數(shù)配置、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與組網(wǎng)關(guān)系配置，填寫(xiě)正確的信道號(hào)、發(fā)射功率、子網(wǎng)掩碼等內(nèi)容。

7)實(shí)驗(yàn)任務(wù)七：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

步驟12：各感知監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集調(diào)試。對(duì)A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集調(diào)試。

步驟13：灌溉、無(wú)人機(jī)航拍及施肥控制調(diào)試；系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與報(bào)警閾值調(diào)試；歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)生成調(diào)試。要求對(duì)玫瑰園進(jìn)行灌溉、航拍、施肥等控制操作調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)置以及對(duì)玫瑰園植物生長(zhǎng)環(huán)境歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)試。

8)實(shí)驗(yàn)任務(wù)八：系統(tǒng)模擬運(yùn)行

步驟14：應(yīng)用層軟件終端設(shè)備選擇。選擇PC、平板電腦、智能手機(jī)等終端設(shè)備中的一種作為應(yīng)用層軟件終端設(shè)備。

步驟15：灌溉控制和無(wú)人機(jī)航拍、施肥控制。在系統(tǒng)模擬運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)模擬產(chǎn)生土壤溫度過(guò)高、葉面溫度過(guò)高、土壤肥力過(guò)低等事件，要求進(jìn)行灌溉控制和無(wú)人機(jī)航拍、施肥控制操作。

3 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是專(zhuān)用共享軟件，部分實(shí)驗(yàn)可能配置專(zhuān)用硬件設(shè)備，但是應(yīng)該盡量少配置專(zhuān)用硬件設(shè)備，以便于對(duì)外共享應(yīng)用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)工作量大，涉及技術(shù)廣，需要高度模擬仿真真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，還需要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)步驟以及輸入輸出交互，實(shí)驗(yàn)流程中判斷和分支較多，開(kāi)發(fā)工作較為復(fù)雜，單純依靠實(shí)驗(yàn)課程任課教師難以在短時(shí)間內(nèi)完成，因此，選擇了北京潤(rùn)尼爾公司作為技術(shù)合作方，共同組建專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，遵循軟件工程的思想和方法完成軟件開(kāi)發(fā)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)主要包括腳本編寫(xiě)及資料準(zhǔn)備、軟件開(kāi)發(fā)、應(yīng)用測(cè)試與修改、課程資源和平臺(tái)功能建設(shè)等階段。

3.1 腳本編寫(xiě)及資料準(zhǔn)備階段

腳本編寫(xiě)是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化，目的是讓開(kāi)發(fā)人員快速理解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，方便后續(xù)進(jìn)一步溝通。腳本沒(méi)有統(tǒng)一格式，可以采用技術(shù)開(kāi)發(fā)公司提供的模板，由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教師來(lái)編寫(xiě)。腳本的內(nèi)容通常包括：實(shí)驗(yàn)概述、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)總體架構(gòu)圖、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)考核和評(píng)分規(guī)則、實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)參考素材等。腳本是實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)初期最為重要的文件，需要雙方多次充分溝通，力求能盡量表達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)需求。為了提高工作效率，前期可以先編寫(xiě)概要腳本，明確大致的實(shí)驗(yàn)流程和模塊構(gòu)成，方便技術(shù)人員進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)估以安排開(kāi)發(fā)力量，項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)對(duì)概要腳本進(jìn)行內(nèi)容擴(kuò)充得到詳細(xì)腳本，詳細(xì)腳本中必須有實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)流程和交互描述，細(xì)化到具體的輸入和輸出。除了編寫(xiě)腳本，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者還需要向技術(shù)人員提供實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)需要的資料，主要是實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)參考素材，一般包括文字資料、圖片、相片、視頻等資料。

3.2 軟件開(kāi)發(fā)階段

軟件開(kāi)發(fā)主要由技術(shù)合作方完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方進(jìn)行配合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)與常規(guī)的信息系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)有較大的不同，常規(guī)的信息系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)主要考慮的是功能實(shí)現(xiàn)和操作便利性，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅要實(shí)現(xiàn)功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景有仿真度要求，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程要具有較好的趣味性和體驗(yàn)感。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者提供的腳本文件和資料進(jìn)行開(kāi)發(fā)，腳本是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者用文字輔以圖片和視頻對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的描述，只能是對(duì)實(shí)驗(yàn)主要流程和內(nèi)容的描述，細(xì)節(jié)上很難準(zhǔn)確描述，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€存在于想象之中，另外，實(shí)驗(yàn)軟件的使用者主要不是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者，而是不斷變化的學(xué)生群體和指導(dǎo)教師，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作方法實(shí)現(xiàn)需要考慮不同群體的需求，開(kāi)發(fā)人員需要在充分理解腳本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段進(jìn)行發(fā)揮，不能完全局限于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者提供的腳本。由于以上不確定性，為了降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)人員與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者之間的交流周期要縮短，有問(wèn)題及時(shí)討論后解決，軟件開(kāi)發(fā)階段主要工作流程如圖2所示。

3.3 應(yīng)用測(cè)試與修改階段

實(shí)驗(yàn)軟件開(kāi)發(fā)完成，經(jīng)過(guò)技術(shù)人員測(cè)試排除錯(cuò)誤后就可以進(jìn)行部署和應(yīng)用測(cè)試。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特殊性，不僅要進(jìn)行功能測(cè)試和性能測(cè)試，還要進(jìn)行體驗(yàn)度評(píng)價(jià)，另外由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用人員類(lèi)別較多，需要組織不同的人員來(lái)參加應(yīng)用測(cè)試，參與應(yīng)用測(cè)試的人員包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員、任課教師、本校教師、本校學(xué)生、外校教師、外校學(xué)生和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的資深專(zhuān)家，應(yīng)用測(cè)試的意見(jiàn)經(jīng)匯總、整理后提供給技術(shù)人員，修改后再進(jìn)行測(cè)試，這樣集中性的應(yīng)用測(cè)試和修改共進(jìn)行了三輪，收集了很多修改和完善意見(jiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)軟件優(yōu)化起到了較好的幫助作用。應(yīng)用測(cè)試階段提出的修改意見(jiàn)全部處理完畢之后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)才能正式投入應(yīng)用，圖3所示為開(kāi)發(fā)完成的智能花卉物聯(lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

3.4 課程資源和平臺(tái)功能建設(shè)階段

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為課程進(jìn)行建設(shè)，不能僅僅包括實(shí)驗(yàn)部分，還需要配置相應(yīng)的課程資源，實(shí)驗(yàn)還應(yīng)該部署在專(zhuān)門(mén)的平臺(tái)上進(jìn)行管理。為了使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得豐富的理論知識(shí)和良好的實(shí)踐練習(xí)，智能花卉物聯(lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)建立了豐富的課程資源，包括物聯(lián)網(wǎng)理論知識(shí)、專(zhuān)題知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)、教學(xué)課件等，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中閱讀。此外，實(shí)驗(yàn)部署在學(xué)校虛擬仿真教學(xué)及資源共享平臺(tái)，平臺(tái)具有用戶(hù)管理、實(shí)驗(yàn)庫(kù)管理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果管理、課程資源管理、課程管理等豐富功能，教師可以方便地進(jìn)行開(kāi)課、實(shí)驗(yàn)過(guò)程跟蹤、實(shí)驗(yàn)批改、實(shí)驗(yàn)成績(jī)查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、課程資源管理等操作，學(xué)生可以方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課程資源學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)開(kāi)展、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)查詢(xún)等操作，師生之間可以良好地互動(dòng)。

4 教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐

智能花卉物聯(lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)部署上線(xiàn)后，在云南大學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用并對(duì)外共享，2021年7月經(jīng)過(guò)學(xué)校評(píng)審后被推薦參加中央高校賽道國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程申報(bào)，在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)驗(yàn)空間)上線(xiàn)對(duì)外共享使用。智能花卉物聯(lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用方式有兩種：一種是以教學(xué)班級(jí)校內(nèi)平臺(tái)開(kāi)課方式進(jìn)行應(yīng)用，包括為本校和兄弟院校提供開(kāi)課應(yīng)用；另一種方式是在實(shí)驗(yàn)空間面向社會(huì)共享應(yīng)用。

4.1 校內(nèi)平臺(tái)開(kāi)課情況

依托于云南大學(xué)虛擬仿真教學(xué)及資源共享平臺(tái)，智能花卉物聯(lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)提供了為本校和外校教學(xué)班級(jí)開(kāi)課方式應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的功能，可以將實(shí)驗(yàn)作為某門(mén)實(shí)驗(yàn)課程的一次綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)布置后學(xué)生可以多次開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)提供了實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)后撰寫(xiě)報(bào)告等功能。教師可以對(duì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)比例進(jìn)行設(shè)置、進(jìn)行各環(huán)節(jié)評(píng)分、對(duì)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)谡T(mén)實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)中占據(jù)一定比例，對(duì)課程實(shí)體實(shí)驗(yàn)起到了很好的補(bǔ)充作用。截至目前，在云南大學(xué)虛擬仿真教學(xué)及資源共享平臺(tái)上線(xiàn)后共開(kāi)課8次，使用學(xué)生人數(shù)為330人，達(dá)到了良好的教學(xué)效果，校內(nèi)開(kāi)課情況如表1所示。

表1 校內(nèi)平臺(tái)開(kāi)課情況

4.2 實(shí)驗(yàn)空間共享應(yīng)用情況

智能花卉物聯(lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)空間平臺(tái)面向社會(huì)共享應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)者通過(guò)實(shí)名注冊(cè)后就可以免費(fèi)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，到目前為止，實(shí)驗(yàn)使用人數(shù)共1198人，其中：實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)秀1012人，占81.58%；達(dá)標(biāo)158人，占14.19%；不達(dá)標(biāo)28人，占4.23%。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后660人按5分制對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)分，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、系統(tǒng)操作和支持服務(wù)的綜合評(píng)分都為4.9分，有660人對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)論留言，絕大部分評(píng)論對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了充分的肯定和好評(píng)。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程建設(shè)是教育部一流本科課程建設(shè)的重要組成部分，在新工科背景下綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)顯得尤為重要，解決了實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備條件的情況下如何開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，并且達(dá)到或接近真實(shí)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，有效拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間[10]，有力地支撐了新工科人才培養(yǎng)，對(duì)于提升高校人才培養(yǎng)質(zhì)量意義重大?！爸悄芑ɑ芪锫?lián)網(wǎng)虛仿實(shí)驗(yàn)課程”建設(shè)完成投入使用后，隨著技術(shù)的發(fā)展還要進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，不斷加入最新科研和學(xué)科發(fā)展成果，打造適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)精品課程，另外，下一步計(jì)劃對(duì)平臺(tái)的功能進(jìn)行完善，提供師生互評(píng)、生生互評(píng)等交互機(jī)制，更好地促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的共享應(yīng)用。