基于GPL开源软件的医学院校物联网工程专业实验教学改革研究

吴响+胡俊峰+俞啸+王换换

摘要：依托GPL（GNU General Public License，通用性公开许可证）开源软件，结合网络技术、虚拟技术等信息手段构建与医学院校物联网工程专业实验课程体系高度结合的虚拟仿真实验平台；平台符合物联网三层体系架构，感知层与传输层对硬件进行虚拟，应用层引入GPL开源软件系统，打通三层之间的数据通信，实现数据的采集、传输、存储和分析为一体的虚拟仿真实验平台。通过构建这一特色虚拟仿真实验平台实现实验教学改革研究，探索和实践有利于医学院校物联网工程专业创新人才培养的有效实验教学方法。该虚拟仿真实验教学平台已在徐州医科大学物联网工程专业实验教学中使用并取得良好的教学效果。

G642；TN929.5-4；TP391.44-4

一、引言

2009年，温总理在考察无锡物联网产业研究院时提出“感知中国”概念。2010年初，政府工作报告中明确将“加快物联网的研发应用”纳入战略性新兴产业发展任务。同年，教育部下达高校可以申报物联网工程专业[1]。作为一个起步阶段的新专业，物联网工程专业在专业课开设、实验教学、学生实践等教学模式上还处于探索阶段，许多高校在开设物联网相关课程方面没有足够完善的实验设备及实训计划，存在实验器材不够先进、跟不上教学水平等问题，不利于学生创新能力的培养[2]。此外，医学院校物联网工程专业还具有其特殊性，要求实验条件具备HIS、LIS、PACS等医学信息系统来支撑物联网工程专业的实践技能培养，在实际教学过程中，由于各类医学信息系统价格昂贵、可扩展性较差等因素，不利于实验课程的开展。

因此，在现有实验条件不足的情况下，徐州医科大学物联网工程专业借助虚拟仿真技术，开发了一套基于GPL开源软件的虚拟仿真实验平台。该平台具有良好的开放性、扩展性和交互性，教师可以在虚拟学习环境中进行线上教学活动，学生完全不受时间和地域的限制就可以进入虚拟环境开展学习[3]。在实际的实施过程中，形成了分层次、模块化的虚拟仿真与实验课程体系，实现了学校资源的优化配置与开放共享，有利于科研成果向教学资源的转化，为高水平本科生培养和创新能力塑造打下了坚实基础。

二、虚拟仿真实验平台设计方案

（一）虚拟仿真实验平台体系结构设计

应用层虚拟节点将采集数据通过Zigbee、蓝牙等形式传输至虚拟智能网关进行数据格式转化，虚拟网络层设备转发数据至搭建的应用层开源系统软件[4]。虚拟仿真实验平台体系架构如图1所示。

平台可以实现移动终端、PC机等多种设备通过Internet或VPN拨号方式登录前端服务器。在前端服务器中，提供各种基础服务器，包括Web服务器、VPN服务器、FTP服务器、开源HIS系统服务器、开源LIS系统服务器等。由于HIS，LIS等应用系统运行需要较大的网络资源，因此在后端应用服务器中构建分布式协作环境，通过服务器分配调度算法，实现多机并行计算，提高系统整体处理效率。

（二）结合专业知识体系对专业课程进行分类

根据知识类型结合医学与物联网专业课程体系对专业课程进行分类，并对课程所属知识类型有针对性的设计课程实验，保证虚拟仿真实验平台满足各课程所需实验环境[5]。物联网工程专业课程分类如图2所示。

（三）虚拟仿真实验平台功能模块设计

虚拟仿真实验平台主要实现：学生使用计算机进行仿真实验；教师能够利用教师机开展实验教学、组织管理学生实验，并实现网上考试和评价。

功能模块主要包含：用户管理模块：主要实现对于各种身份用户的基本信息维护、管理和权限分配；学生模块：实现学生参与实验的各种功能；教师模块：实现教师组织实验、管理学生的各种功能；管理员模块：负责对学生、教师以及整个系统的维护工作。具体功能模块组成如图3所示。

三、虚拟仿真实验平台特色及成效

虚拟仿真实验平台的构建体现了医学院校物联网工程专业与医学信息技术的深度融合，平台具体特色如下：

在设备利用方面，虚拟设备成本低，种类全、零损耗，节省空间，升级维护简单，功能全，无需搬运，可统一管理和调配，实现设备共享，提高利用率。模拟真实实验过程，减少实验误操作带来的设备损坏，解决教学资金、资源紧张的问题[6]。表1为传统实验设备与虚拟仿真实验平台的优缺点对比，体现了虚拟仿真实验平台相较于传统实验平台的优越性。

在实验组织和管理方面，对实验进行预编排管理，实现实验室24小时开放，学生可随时随地参与实验；教师通过在线辅导和监管学生的实验过程，减少教师的工作强度；整合计算机教学资源、实现资源共享。

在教学模式方面，实现兼顾理论与实践，以学生为主体，课程面授的同时可通过远程客户端进行虚拟实验演示。师生还可不受时空限制参与实验，初步实现“任何时间、任何地点、任何设备”的泛在学习环境构建，满足远程教育的需求。

在实验过程方面，虚拟仿真实验平台能满足学生构建任何规模、任何类型的实验环境需求，也為高端网络设备、高端医学信息系统实验提供可能，真正实现医学物联网实验的综合性、设计性、规范性、复杂性和真实性；通过配置文件的保存、实验过程实时监控，保存过程数据，控制实验进展，实现“过程式”实验，保证实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

在教学效果方面，突出以学生为中心，为学生提供一个集学习、开发、研究为一体的虚拟仿真实验环境。良好的人机交互界面，实现学生与计算机、教师、学习者的“交互式”操作训练；可视化的实验操作界面，形象直观，符合学生认知特点；学生能够自行设计和创新实验，充分扩展学生的思维空间和发挥余地；提高学生参与实验的兴趣。虚拟仿真实验平台的建立提高了学生实践能力，徐州医科大学医学物联网工程专业成立已有4年，学生在学生竞赛方面硕果累累，以第一届2013级医学物联网班级为例，班级36人近三年共获得25个奖项，其中国家级4项、省级8项、市级5项、院级8项。

四、小结

医学物联网虚拟仿真实验平台是对医学院校物联网工程专业实验教学的探索，平台通过对硬件的高仿真虚拟，能够有效改善实验环境、简化实验操作、扩展实验规模、优化实验教学过程、提升实验效率，为学生们的实践实习提供了良好的实验环境。对GPL开源软件的首次引入，避免以往应用层可用软件数量少、种类单一、功能局限的尴尬局面，提供丰富的实践项目，学生可根据实际需要来选择实验内容，为学生的的实践学习及毕业设计提供了有效的平台支持，实现物联网实验设计与医学背景的高度结合，具有巨大的使用和推广价值。

参考文献

[1]温家宝.政府工作报告[R].北京：第十一届全国人民代表大会第三次会议，2015，（3）：60-61.

[2]倪志平.物联网工程专业实验室建设探讨[J].科技资讯，2015，13（6）：182.

[3]吕强，高慧敏，吴晨曦等.基于物联网的远程实验系统[J].实验室研究与探索，2016，35（5）：114-117，122.

[4] 高晨.基于短协议传输的医学物联网[J].生命科学仪器，2013，11（4）：10-13.

[5]施云波，刘泊，杨明极等.多学科融合构建物联网工程专业课程体系的思考[J].物联网技术，2016，6（4）：108-110，113.

[6]肖迎元，温显斌，王法玉等.面向物联网工程专业的工程实训平台的构建[J].教育教学论坛，2015，（9）：256-257.