应用虚拟仿真系统融合中职物联网专业核心课程

林剑辉

根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，国家正在积极推进虚拟现实技术在教学中的应用。《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建設工作的通知》指出，虚拟仿真实验教学是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。虚拟仿真实验教学可实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。

物联网分为感知层、网络层、应用层，在专业建设中以此开设专业课程。在传统教学实践中，应用层课程所选的教材和上课的内容与物联网关系不紧密，教学效果不理想，特别是学生在学完这些课程后，再学物联网的综合实践课（综合三层架构）时，知识结构脱节，严重影响到这些课程的教学效果。

为此，笔者开发了“智能家居仿真系统”，学生可以在仿真系统中搭建自己的家居设备，充分体验智能家居系统运行，理解物联网三层架构的工作原理。在程序设计教学过程中，以学习开发“智能家居管理”作为贯穿整个课程的教学项目，结合物联网专业特点，在开发管理系统中学习程序设计知识点，在调试过程中可直观形象地控制 “仿真系统”，就像真实控制自己的家居，在学习物联网的综合实践课程使用真实硬件设备时可以无缝对接，将物联网核心课程融合，为学生创设更适合的学习内容、学习方式和学习环境。

一、中职物联网专业核心课程教学现状

物联网产业尚处于初创阶段，虽其应用前景非常广阔，未来将成为我国新型战略产业，但其标准、技术、商业模式以及配套政策等还远远没有成熟。作为国家倡导的新兴战略性产业，物联网备受各界重视，并成为就业前景广阔的热门领域，2018年教育部已审批中职学校开置物联网相关专业，使得物联网成为各中职学校争相申请的一个新专业，毕业学生主要就业于与物联网相关的企业、行业，从事物联网的安装、调试、开发、管理与维护等工作。

物联网分为感知层、网络层、应用层（如图1所示），感知层开设课程有电子电工技术、物联网传感器技术等； 网络层课程有计算机网络基础、网络设备安装与调试、网络操作系统等；应用层课程有C#程序设计、微网站设计、动态网站、App Inventor、人工智能等；物联网专业的综合实践课程有智能家居安装与调试、物联网工程实训等。

中职物联网专业是新兴专业，目前还没有统一的课程体系，缺少适合中职学生的教材，科任教师通常会根据自己的喜好在网上选定教材，物联网三层架构开设的课程严重脱节，教学项目缺少关联。比如程序设计课程，中职学生的英语和数学比较薄弱，程序设计对于他们是一门非常难学的课程，现在非常缺乏适合中职物联网专业学生的C#程序设计教材，如果按传统的程序设计教学模式，实训的项目与物联网的应用没有联系，只学习枯燥的基本语法很容易失去学习兴趣，等学生学习完应用层程序设计再学习物联网的综合实训课时，学生根本就不能设计出物联网应用层的程序，无法完成综合实训课。

二、物联网实训虚拟仿真系统

虚拟现实技术为教育教学带来有存在感、沉浸感的学习，高成本、危险、困难、难以实现的学习，实践学习，高关注度与参与感的学习，互动和视觉学习，为学生提供更加优质的学习条件和环境。通过虚拟仿真系统，学生可以在跟岗、顶岗之前进行反复模拟，对学过的知识点进行巩固，为岗前的工作做好准备（如图2所示）。中职物联网实训设备种类繁杂价格昂贵，学生在实训过程中使用不规范，设备损耗非常大。特殊时期学生在家没有物联网设备，有些课程无法开展。因此，应用物联网实训虚拟仿真系统显得尤为必要（如图3所示）。

智能家居是物联网在生活中的一个非常重要的应用，因此在许多学校作为物联网专业的综合实训课。笔者任教智能家居安装与调试课程多年，由于教学设备使用频率高，造成设备损耗非常大，故障率高，从而影响教学。由于在学习程序设计时，学生没有设计过物联网管理系统，所以学生在安装好感知层和网络层设备后，却没能设计好应用层的程序，这是因为程序设计课程对物联网项目设计没有针对性。因此笔者根据多年教学经验，自主开发了“智能家居仿真系统”（图4）。

该系统采用B-S架构，用户登录后可以创建自己的家居系统，在家居系统中可以自由添加客厅、卧室、厨房等空间，在空间中添加各种设备并设置好设备的云变量（标识），各种设备数据既可以上传于阿里云，也可以通过httpPost方式与C#、Java、Python开发的程序交互数据。开发与虚拟仿真系统通讯类库，方便学生调用，函数调用如下：（1）ldzz.Iot.userId="http：//192.168.22.7";//;当userId为学号时，数据来源于仿真系统；当userId为网关网址时，数据来源于硬件设备。（2）ldzz.Iot.GetDeviceValue（ string device）;  // 获取设备的值，device参数为设备标识（云变量），跟自己在仿真系统自定义的传感器标识一致。（3）ldzz.Iot.SetDeviceValue（string device，string value）；// 控制设备的开与关，device参数为被控制设备的标识（云变量），value为设备值，比如，设备为灯，当value为1时开灯，0则关灯。

三、融合核心专业课程

融合课程是把有内在联系的不同学科合并成新学科，可以打破学科壁垒，通过教学目标与内容的融合、教材的融合、教师教研与教学方式的融合等实现学科的统整与融合，为学生创设更适合的学习内容、学习方式和学习环境。融合课程使教师彻底改变了长期以来的“学科本位、各自为战”的工作方式，紧密组合为一个“全能部队”式的研究整体。下面以C#程序设计、智能家居安装与调试为例阐述物联网核心专业课程的融合。

C#程序设计可以开发各种系统为教学项目，如“智能家居管理系统”，物联网综合实训课教学涉及物联网三层架构学科知识，其中应用层是设计“智能家居管理系统”。因此，这二类学科是有内在联系的，但在一般的物联网专业中，任教这二门课的教师并不会将这二类课程联系融合，主要原因是担任C#程序设计课的教师可能对物联网智能家居了解不深刻，所以只能引用书本例题项目讲解；物联网实训设备并非时刻已安装好，开发的程序不能进行功能性调试；没有合适的虚拟仿真系统程序调试环境。

因此，可以基于虚拟仿真系统，以“智能家居管理系统”为教学项目，设计出C#程序设计、动态网站、微网站、App的应用模板。在教学过程中，以学习开发“智能家居管理”作为贯穿整个课程的教学项目，将枯燥乏味的程序设计知识点分解到这个项目中，改变传统程序设计按教材讲授语法的讲练教学模式，结合物联网专业特点，在开发管理系统中学习程序设计知识点，在调试过程中可直观形象地控制 “仿真系统”，就像真实控制自己的家居。既培养了学生的物联网思维，又激发了学生的学习兴趣，提升学生程序设计技能。通过该模式的教学，学生对物联网的应用层有比较深刻的认识，在学习物联网的综合实践课程时可以无缝对接。

课程融合应用虚拟仿真系统，很好地解决了线上教学设备缺乏带来的问题，同时可以解决教学硬件资源短缺、设备损耗大、学生数量大带来的实验设备设施捉襟见肘的难题，而且还能增加学生的实践机会，提升解决实际问题的能力。学生能更好地与企业接轨为基本点，更好地理解物联网架构，掌握传感器知识，了解物联网系统网络的要求，有效地培养物联网思维。因此，本研究方案可以在一般的中职学校推广应用，优化课程体系与教学内容，从而全面提升教育教学质量。

责任编辑 陈春阳