物联网虚拟化仿真教学项目设计与实施

范君，荀磊，胡为民，嵇波

(江苏工程职业技术学院，江苏南通226007)

1 引言

随着国民经济的发展，新一代信息化技术在国民经济发展中的地位和比重愈发重要。国家在“十四五”规划中指定了物联网技术作为数字经济七大重点产业之一。强调了物联网技术创新领域涵盖了传感器、网络切片、高精度定位等技术领域，对于物联网相关的云服务与边缘计算考虑协同发展，培育车联网、医疗物联网、家居物联网产业。国家对物联网产业的规划和布局，对物联网人才的培养也提出了新的要求。

根据《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》的建设要求，在开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作中，教育部指出虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物，以此确立了虚拟仿真实验教学的重要地位。

2 虚拟化教学现状

2.1 电子信息大类课程虚拟化实践教学现状分析

在虚拟化仿真领域，运用成熟度较高和使用范围较广的是计算机网络虚拟化仿真。目前，国内外网络制造商推出了一系列仿真实验平台，如美国思科公司推出了Packet Tracer 仿真平台[2]，华为公司推出了eNSP 仿真平台，H3C 公司推出了HCL 实验平台，这些实验平台能够成功实现多种任务下的网络设备配置和故障排除的模拟，学生通过网络设备选型、拓扑的设计、设备方案配置、网络性能测试，有效实现了班级、小组或个人为单位的实验教学工作开展。且上述设备能够有效在PC机环境下运行，可支持课前课后学生实验的开展，使得实验教学的开展体现了教学过程中学生的主导地位。

2.2 物联网类课程虚拟化实践教学现状分析

物联网人才培养，以具备物联网技术应用层面的实施能力为目标，其中包含了软硬件设计、编程、软硬件联调、故障排除等技术技能，这一培养目标的实现需要依赖于有效的实践环节。目前高校物联网现有的实验平台以实验箱为主，通过实验箱器件搭建完成规定的实验实训教学。而物联网的实际应用场景，往往包含了感知层、传输层、应用层这三个层面。因此，实验项目需要能够涵盖感知层传感器件选型应用、传输层环境构建、应用层软件编程，这对实验室建设投入费用、教师实验指导能力都提出了较高的要求。

从目前国家虚拟仿真实验教学中心现有的建设数据来看，虽然很多高校在物联网工程仿真实验建设方面都得了很大的进展[3-5]，但物联网虚拟仿真实验在已建教学仿真中心所占比例较小，物联网虚拟化仿真建设中依然还存在许多待克服的问题，具体包括：

1)物联网专业具有多学科交叉融合的特点，从许多高校现有物联网专业建设情况来看，不同高校建设内容往往依赖或围绕于高校某个传统优势专业而展开，使得物联网仿真实验易侧重专业层面而缺乏通用性。

2)部分学校物联网仿真实验依托已有的实验平台开展，学生的课前与课后的实验操作均要在学校特定的云平台中进行，限制了其使用的灵活性，即物联网仿真实验离不开实验室特定平台或设备，无法像网络公开课、MOOC 课具备大规模推广效应。加之学校的物联网平台往往依托特定技术，使得物联网仿真实验应用范围受限。

3)部分高校的物联网综合实验不足。综合性仿真实验一方面数量较少，一方面已开发的仿真实验缺乏较强的可扩展性，从而限制了学生对物联网综合项目的了解和掌握，弱化了综合能力的训练和培养。

2 物联网教学项目设计

随着国家在信息技术课程与教材改革的深入和人工智能技术的发展，当前国内很多省份已经在中小学阶段，开展跨学科学习(STEAM 教育)、创客教育等新的教学模式，通过引入开源硬件Arduino平台、基于图形化Scratch编程工具，以友好的界面、动画、游戏、故事形式通过趣味性培养学生基础硬件设计和编程能力。由此可知，部分的高职学生在中小学阶段就已经具备硬件应用和编程基础，因此高校在开展物联网教学案例设计和实验平台建设过程中需要考虑学生已有知识与技能的衔接。

高职院校物联网项目设计的整体规划，需要遵循技术人员岗位成长经历，需要遵循学生的认知规律，按照由简单到复杂、由单一到综合的特性，同时也要考虑到每个项目应具有可实施性、可操作性、可考核性，项目与项目之间保持相对独立性和延展性，不同项目其内部的知识和技能之间应具有一定的关联性。在虚拟化和真实实验环境的结合方面，可以先虚拟化实验后实际环境操作，做到虚中有实，实中有虚，最终达到虚实衔接相互融合目标。

2.1 专业基础课教学项目设计

高职的物联网专业基础课程阶段包含电子电路、模拟电路、数子电路等课程，这一阶段课程项目设计以感知层为基础，引入Linkboy、Proteus 仿真平台。课程实施过程中，以Linkboy官方站点的技术手册案例和教师自行编制的案例为项目载体，教师将课程资料、编程需求、相关视频提供给学生，学习电子元器件、基本电路设计、基本软件编程知识，这一自主学习过程由学生在课前通过课堂翻转完成。在线下课堂教学中，教师通过讨论的形式对相关知识点进行总结，并对学生提交实验中的错误内容进行纠正。课程项目化的教学在具体中，在学生已完成相关虚拟化实验平台使用的基础上，进行综合性稍强的实验项目，如在Proteus pro 仿真环境中使用NE555 实现方波发生器，训练硬件电路规范设计和信号控制；在Linkboy 仿真环境中使用ArduinoUNO结合ULN2003、步进电机等器件，完成电梯控制系统设计实现多楼层电梯运行；在Linkboy 仿真环境中通过DS18B20 采集温度并通过I2C 总线和LCD1602，显示温度实现智能家居温控设计。

Linkboy 图形化工具，提供了对应的C语言代码编程，教师在项目化讲解过程中可同步开展C语言编程知识讲解，对系统的代码进行优化后再过渡到更为专业化的Keil C 编译器中开展编程实验。进一步通过Keil C的编译成的hex文件在Proteus中搭建硬件仿真环境并运行代码以达到与真实环境更为接近的效果。学生完成上述实验内容后，将进一步开展实物环境下的验证实验。

2.2 专业核心课程教学项目设计

专业核心课程阶段的项目设计中，进一步对物联网的网络设计和应用层软件设计功能提出了需求。我们在该阶段课程中引入Packet Tracer 仿真平台，基于平台原有的硬件器件，开展基于物联网传感器硬件设计、网络传输设计、应用软件设计三个层次全面的仿真。设计的教学案例融合路由器、无线网关、应用服务器网关，使得传感器的数据可以传输到远程网络环境，以此提升学生物联网整体项目实施能力。

教学中充分利用Packet Tracer 平台支持三种类型编程(图形界面、JavaScript、Python)功能优势，在项目实施中对教师教学的开展给予了极大的灵活性，给学生学习给予极大的适应性，即教师可以根据不同学生的专业背景和学习基础选择开展编程教学工作，以此有效实现课程衔接：对于电子信息工程专业的学生，在具备C 语言的基础上可以选择Python 的编程环境；物联网专业学生在学习Java 编程后可以选择JavaScript 或Py‐thon编程环境。

教师通过在课程中借助Packet Tracer 平台开发新的物联网器件，可以极大拓展物联网实验内容，为项目化课程开展提供极大便捷。同时，这一扩展性还体现在通过Packet Tracer 提供的API函数接口，教师设计项目中的物联网设备可以从中国气象站、中国移动的真实网站点读取标准JSON 格式的气象数据并在Packet Tracer 平台的图形化的界面中实时显示，完全具有实际数据采集后的展示效果，这是其他仿真软件都不具备的。

以Packet Tracer 平台设计的园区道闸仿真系统项目[6]为例，该项目整体融合物联网硬件设计、通信设计、UML 设计、软件设计和测试、文档编制，实现物联网虚拟仿真实验，为教师在虚拟环境下开展教学过程展示完整物联网项目全貌提供了翔实案例。教学团队以道闸仿真系统为基础进行扩展，设计了智能家居、智能电网等多个类似的项目。与前一阶段教学类似，在完成虚拟化实验后将进一步开展真实产品环境的项目设计。

2.3 专业综合实践类课教学项目设计

专业综合实践类课程阶段的项目设计应以真实的硬件设备、软件平台为基础，这就需要教师以企业一线的实践项目为载体，经过数据的脱敏处理，对项目进行课堂适应性改造，为课程设计真实场景的项目，如智慧家居、智慧农业、智慧公交等。

在该阶段项目教学过程中，学生可以先使用基础与核心课程阶段的虚拟化平台进行硬件和软件仿真设计，初步确定了软硬件设计方案后，再开展实物平台设计。通过先虚拟，后实物的两阶段实施过程，可以全面培养学生的设计、编程、运维等综合实践技能。

这一阶段的项目设计，需要教师积极参与企业一线的项目开发实践，优化专业知识、更新技术技能，从而为这一阶段的教学项目不断更新、升级提供必备的源泉。

3 总结思考

高职物联网专业课程实施过程中，借助多种有效的虚拟化仿真工具平台，通过教学项目案例合理地规划和设计，实现了学生能够在课前、课中和课后开展学习和进行专业实验，有效推进了课堂翻转的实效，为物联网专业循序渐进开展项目化教学提供了有效的实践模式，促进了学生学习的自主性，提升了学生实践能力。借助虚实结合的项目开展，也极大缓解实验室设备不足矛盾，并为项目化实践教学创新思路提供了新的方法和途径。

教育部在2020年《高等学校课程思政建设指导纲要》中提出专业课程融入思政元素目标，如何在项目设计过程中结合项目的特征、学生当前的认知基础引入思政元素，应是今后项目建设过程中需要思考的内容。

随着“1+X”证书制度试点工作深入推进，如何在物联网课程的项目设计中与X认证进行融合，是物联网课程建设中需要思考和落实的。同时，如何将高职技能大赛项目融入课程中，也是需要专业教师在项目实施过程中进一步关注和思考。