中职校物联网综合实训系统的构建与实践

郭占涛 罗印升 巢海远 诸一琦

摘 要 为解决职业学校物联网综合实训系统缺乏技术集成性、职业体验性和培养师生综合实践能力不足等问题，物联网专业教学团队研发了全面支持互联应用学习和服务“双师型”教师培养的物联网综合实训系统。系统围绕解决的问题构建了智慧轨道交通、智慧仓储、智慧社区、商品信息管理、车辆信息管理、智慧航空物流，六大典型应用领域模块，为物联网专业学生的课程学习、综合实训、创新技能竞赛和专业教师的能力提升训练等提供了根本保障。

关键词 职业学校;物联网专业;综合实训系统;人才培养

中图分类号 G718.3 文献标识码 A 文章编号 1008-3219（2019）32-0031-04

职业学校实训在培养学生实践应用能力和综合素质方面具有不可替代性。物联网作为新一代信息技术的基础网络应用平台，职业学校对物联网专业学生的综合实践能力训练必不可少。但是在构建物联网综合实训系统时，往往存在结构布局和资源配置不尽合理、功能单一、缺乏实际的职业情景体验训练等缺点。为解决这些问题，常州刘国钧高等职业技术学校物联网专业教师团队在持续的课程教学与实践项目研究基础上，通过校企合作建成了满足物联网技术领域技术技能人才培养需求，具有技术先进性、可扩展性的物联网综合实训系统。

一、构建物联网专业综合实训系统的意义

（一）职业学校培养技术技能型人才的需要

目前，物联网专业的课程体系设置呈现的是“大楼模型”，即课程的不断叠加，学生对课程知识如何综合应用于实践项目目标不够清晰。戴士弘提出的“大树模型”对改进人才培养过程的认知具有指导作用，“大树模型是指任何大树都是由小树长大的，在小树长成大树的过程中，树根及枝叶是同时生长壮大的”[1]。“大树模型”强调学生学习专业应该像树一样整体成长，需要设置综合实践项目课程来培养“整树”。支撑“整树”培养的实训系统必须能够创设实施综合实训课程的环境，即必须创设具有“学习潜力”的（模拟）工作环境，包括硬件与软件。实训系统的工作模式一定程度上决定了实践教学方式，很大程度上影响着职业学校的人才培养质量，只有科学合理地建设好实训系统，才能保证新型的专业课程体系和教学模式得以顺利实施。

（二）为学生掌握“万物互联”提供一种解决方案

随着通信技术的升级，物联网技术的应用范围将进一步扩大。物联网即“万物互联”，指的是应用场所无处不在，控制对象包罗万象。因此，职业学校纵有庞大的实训工厂也无法匹配其广泛的应用领域，从而使得选择合适的载体（平台或系统）构建学习场所变得更加困难。仿真实验是用另一数据处理系统，主要是以硬件来全部或部分地模仿某个数据处理系统，使模仿的系统能像被模仿系统一样接收同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。虚拟仿真实验教学系统和项目可以有效融合教学内容、虚拟实验设备、教学指导和学生操作，将技术知识与操作准确、安全、便捷、生动地呈现给学生，以提高学生的认识能力、实践能力和创新能力[2]。因此，构建智慧物流虚拟仿真综合实训系统是解决全面学习“万物互联”应用的有效途径。一方面，智慧物流的控制环节尽可能地体现了“互联网+”的广泛应用;另一方面，通过虚拟仿真实训的教学环境，学生通过互动掌握实验设计、操作过程和技术技能，增加互动的随机性及拓展性;学生参与实验关键环节的方案讨论与决策，可以提高综合设计创新能力[3]。同时，为跟随未来物联网新技术的发展，我们借鉴“信息高速公路”的理念，已设计开放端口，充分考虑了新技术的接入渠道。

二、物联网专业综合实训系统建设的思路

（一）物联网专业综合实训系统建设的目标

课程建设是专业建设的核心，是连接“专业培养什么人才”和“怎么培养专业人才”之间的纽带，更是实现人才培养目标的根本途径。职业院校课程实施离不开实训环节的支撑，科学建设优质实训基地至关重要。

基于信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）的智能化已经扩展到人们生产生活的工作过程和生活环境中，促进了高度灵活、个性化和数字化学习模式的诞生，工作岗位重新成为重要的学习场所。学习发展为学生在（尽量）真实的或智能化模拟工作情境中对工作任务、过程和环境进行的整体化的感悟和反思。基于工作的学习（Work-Based Learning，WBL）是对应于“工业4.0”的“课程4.0”的基本特征，变得与传统的课堂学习同等重要，都是职业教育课程不可或缺的组成部分[4]。创设具有“学习潜力”的（模拟）工作岗位，一直是职业教育课程开发需要解決的关键问题。其中教育者需要不断反思和解决的问题是：在信息技术支撑下，如何把复杂工作现实问题转变为一种学习情境？按照什么样的教学范式去定义教学训练系统，并确定该平台包含的学习内容和交流方式？[5]

我们开发的物联网综合实训系统技术先进、数据真实，采用硬件仿真，其物理设备设施模仿现实物流环节的工作对象，工作方式模拟物流环节运作，以实现模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得逼真的结果。学习环境将专业知识与职业技能嵌入到以智慧物流为主题的物联网仿真实训系统，解决了当前学生学习物联网专业知识缺乏实际的职业情景体验，缺乏全面整合物联网应用技术的平台等问题。教师可以通过网络化的仿真实训系统发布教学任务，组织学生完成理实一体化的项目，使学生可以在实践训练中体验物联网技术在现实环境中的应用。

（二）物联网专业综合实训系统的构建

确立物联网专业人才培养目标。根据江苏区域经济社会发展需求，将物联网专业人才培养目标定位为培养为社会主义现代化建设服务，有社会责任感和敬业精神、规范意识和创新思维、进取意愿和合作能力，具备信息技术应用与物联网设备安装、系统调试、工程实施、系统运维与管理能力的应用型、发展型、创新型技术技能人才。

依据专业目标与需求构建仿真实训系统。物联网专业融合了电子科学与技术、计算机科学与技术及控制科学与工程等多学科专业知识。其专业课程涉及的知识面宽广，能力素质要求较高。物联网专业的课程设置应该紧密结合物联网的三层体系结构，充分考虑课程教学模式、教学目标与内容、知识的深度与广度等因素，依据物联网专业培养目标并结合学生特点进行综合设计与规划。系统通过整合物联网专业知识服务于人才培养，通过仿真智慧物流工作模式解决了创设具有“学习潜力”的模拟工作岗位的问题，实现人才培养模式的创新。系统结构如图1所示。

物联网综合实训系统研发技术路线。学校采用“技术需求→设计开发→拓展应用→反馈改进→再完善开发”的反复循环模式的技术路线。研发过程是一个不断改进完善的过程，也是丰富其内涵，拓展其应用价值的过程。通过校企合作完善改进硬件系统，开发适合理实一体化教学的教学任务书、项目课题等教学资源，研究教学方法，创新培养模式，注重培养学生物联网项目的集成开发与应用能力，培养学生“全面”的工作能力。

三、物联网专业综合实训系统建设的内容

该实训系统具有强大的交互功能，师生可以通过系统“标准工作模式”真实感受物联网的智慧应用，通过“创新工作模式”设置方案实现物联网“万物互联”的无限广泛应用，在有趣且看得见结果的应用过程中让学生乐学、好学、会学，学会相关知识、技术与技能。系统将学生在书本中学到的知识与可视化的模型有机结合起来，形成“真实”的职业场景，充分实现互动式教学体验。通过丰富多样的教学方式，激发学生的兴趣，锻炼学生的动手能力，发展学生的创新潜能。

物联网智能仿真系统模拟微观的智慧物流系统，包含智慧轨道交通、智慧仓储、智慧社区、商品信息管理、车辆信息管理、智慧航空物流六个模块。各模块主要功能如下：

智慧轨道交通模块。检测噪音，仿真高铁模型在进入隧道的时候，声音被隧道内的声音传感器采集并将数据传输到显示屏上，数据为真实的动态变化数值，学生可以感受到声音的变化被采集的过程。检测车速，通过在隧道的始末段设置速度传感器对仿真高铁速度进行采集计算（放大100倍）并传输到显示屏，教师和学生可以调节小火车速度并通过显示屏数据和小火车状态真实感受到速度的变化。光照感应，隧道内外存在着光照度差异，在小火车上设置光传感器，小火车在进入隧道前后会对光照度的不同产生反应并实时传输到显示大屏，隧道内设置微型摄像头捕捉小火车进入隧道前后对光照影响的反应。

智慧仓储模块。智慧仓储模块的教学重点是让学生了解智慧仓储的实际应用，了解立体库位的运行原理，学生可以自行操作编辑相关模拟货物的存储和提取信息，并通过自动化小车的运行来验证数据正确与否。学生可以自主编辑货物存取的立体坐标信息，并发送给轨道小车，执行程序观看效果。小车在运行到指定位置后停住，对应位置的立体库位对应的点位黄色灯光闪烁，示意装车卸车正在执行，完毕后点位灯光绿灯常亮表示位置空置，可以进行下次存储，点位灯光红灯常亮表示位置满仓。

智慧社区模块。智慧社区管理主要设置远程抄表与智能井盖两项管理任务。远程抄表体现NB-IOT窄带物联网技术在智慧生活方面的应用，通过模拟社区内水表、电表、燃气表等运行产生的数据，学生可以在教学现场获得仪表远程传输的数据，让学生充分理解窄带物联网技术在远程抄表的应用。智能井盖可演示它的防盗功能、定位功能、液位报警功能，学生对模拟井盖进行移位时和对井盖下方的液位进行灌注时，信息都会被反馈到显示屏上。整个智慧社区设置数个小黄车点位，在大的显示屏上构建一幅虚拟的社区点位地图，小黄车可以在不同点位之间相互交互。

商品信息化管理模块。商品信息化管理主要掌握RFID的实际应用，所有商品进行标签管理，标签信息学生可以自己录入和更改。模拟超市设置了一进一出两套标签读写系统，一套为商品入库，一套为商品出库，具备对超市内所有货物批量盘点的功能。基于此，学生可以充分感受到物联网技术给人们工作带来的方便。学生通过对商品信息化管理模块的学习，能够做到对实验室资产的信息化管理。

智慧停车场模块。本模块主要通过智慧停车系统让学生熟悉车辆管理在日常生活中的应用，通过车辆进出管理、车牌识别与设置了解图像识别与数据库应用等课程知识。学生通过对智慧停车场模块的学习，会对实训楼地下停车场的在册车辆进行信息添加、删减等操作，能根据要求调整收费标准等任务。为安全运作，设置标准工作模式，完成数据恢复复位。

智慧航空物流模块。特殊商品，如贵重食品药品、鲜活货物和精密仪器等，对运输时间、物理环境和安全要求等都有严格的标准，航空运输可以确保迅捷、安全、准时的交付货物。航空运输模块模拟特殊商品的运输流通管理过程，特殊商品在空运过程中会严格记录商品的仓储、运输点，并实时监测商品存放点的物理环境参数（温度、湿度、光照度等）。本模块用写入标签的试管模拟疫苗，投放到高速模拟飞机运送，中间设置温度传感器、湿度传感器、光照度传感器，能如实记录“疫苗”沿途的环境温度、湿度、光照度，并上传客户（教师）手机供查询，实现“出产有记录、过程留痕迹”的追踪溯源。传感器的数据直接传输至实验室大屏，教师可以比对实验室大屏数据与手机接收数据是否一致，要求学生（商家）不能私自更改商品信息，以培养学生诚实守信的职业道德。

四、物联网专业综合实训系统使用成效

该实训系统的建设与运行使得本专业课教师得到很好的理实一体化实践锻炼，同时也为学生课程实训、毕业设计、创新创业技能竞赛、师生技能大赛和教师课堂教学大赛等提供了实践平台。系统支撑物聯网感知层、网络层和应用层的各类实验实训要求，能根据实训内容随时扩展升级模块功能。目前，物联网专业的核心课程《单片机原理与应用》《无线传感网组建》《感知识别与自动化技术》等均已经在该系统上完成综合实训。整体化理实一体的课程设计，学生不但学习到专业知识技能，而且能够在复杂的工作过程中获得职业认知。通过在系统的单元模块中巧妙设计具有“学习潜力”的模拟工作任务，学生能够对实验室资产进行管理，对学校停车场进行管理。已有30余位学生的毕业设计在物联网实训系统上完成数据采集和功能模拟控制，对“整树”培养学生综合实践能力提供了根本保障。在课外，学生志愿组成兴趣小组进行中小规模的综合项目设计并测试运行，体验真实的项目成果，不断积累形成了应用物联网技术的知识迁移能力。依托该实训系统孵化完成的《物联网考生身份识别系统》《人体跌倒检测》等实践创新训练项目获得省市创新大赛佳绩。2018年投入使用至今，已为学校参加“物联网技术应用与维护”和“智能家居安装与维护”两项技能大赛培养训练了一大批技能优才，师生合计取得国赛二等奖以上2项，省赛一等奖3项，成效显著。在主持和研发系统的过程中，系统建设负责人被评为2018年度“常州市龙城十佳双师型教师”。

参 考 文 献

[1]戴士弘. 职教院校整体教改[M].北京：清华大学出版社，2012：138-141.

[2]刘琼，张韦深，龙天澄，等. 对虚拟仿真实验室建设的再认识——基于“第三届高等学校国家级实验教学示范中心建设研讨会暨虚拟仿真技术与教学资源建设论坛”[J].中国医学教育技术，2017（2）：162-165.

[3]张炜，崔瑾，成丹. 农业生物学虚拟仿真实验教学资源建设[J]. 高校生物学教学研究，2015（1）：51-56.

[4]赵志群. 我国职业教育课程模式的发展[J]. 职教论坛，2018（1）：52-57.

[5]赵志群. 支撑工业4.0的职业教育课程建设[J]. 江苏职教，2019（4）：29-33.