基于虚拟仿真平台的《物联网项目规划与实施》课程项目化教学改革探索

戚恋 马雪亮 胡俊

摘要：在“新工科”建设背景下，物联网工程专业在人才培养和课程建设方面仍需要不断革新。通过剖析以往《物联网项目规划与实施》课程中出现的教学效果不理想等问题，探索基于虚拟仿真平台的项目化教学模式改革，重新构建了项目化的课程学习内容以及全过程评价考核机制。结合学生在课程学习中的反馈和对比可知，这些教学改革探索在培养学生的学习能力、学习效果等方面取得了不错的成效，提高了课程教学质量。

关键词：教学模式改革；虚拟仿真；项目化教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）06-0102-03

0 引言

《物联网项目规划与实施》是物联网应用技术专业的核心课程，是教育部“1+X”职业技能等级证书“物联网工程实施与运维”与专业人才培养对接实现课证融通的模块课程之一。作为是一门综合性、应用性较强的课程，要求学生能掌握感知层、网络层和应用层等物联网关键层面的知识，对实际物联网项目做出需求分析及方案设计，熟练进行网络、嵌入式系统、传感设备的选型、系统集成和性能测试，最终实现可承担一般的物联网工程项目[1]。

随着“新工科”专业建设的逐步深入，如何满足新工科对人才培养的要求，不断探索优化教学模式，提高课程目标达成度，培养出社会需要的能够解决复杂工程问题与实践创新能力的专业技能人才，是课程教学模式改革过程中的关键问题[2]。本文以安徽国际商务职业学院物联网应用技术专业为例，探究基于虚拟仿真平台的《物联网项目规划与实施》课程项目化教学改革，总结出实施过程中的经验。

1课程教学中存在的问题

通过近几年的《物联网项目规划与实施》课程教学实践来看，目前的课程教学存在以下几个方面的问题：

1.1 教学模式缺乏创新

教师的课堂创新性不够，多采用传统的知识讲授法进行教学，由教师讲解理论知识，学生完成教师布置的作业，学生学习积极性不高，不能很好地激发学生的学习兴趣、主动性以及创造性。

1.2 课程难度较大

本课程需要以多门专业课为基础才能系统掌握，如传感器原理，无线传感网络，计算机网络、嵌入式系统等课程，实践性和工程性较强。学生普遍反映课程内容学习难度大，与前序课程的学习基础关系紧密；学完理论知识之后，实践时还是无从下手。高职学生的学习基础比较薄弱，使得不少学生有畏难心理，影响了学习积极性。

1.3 受到实训条件限制

在物联网项目规划与实施课程中，包含大量的实际应用项目案例，需要学生拥有较强的工程实践能力。实训教学是帮助学生理解专业知识，增强实践动手能力的重要教学手段，但工科技能教学长期面临实训场地不够、设备短缺的问题。物联网的设备基本都是电子元器件，接口复杂，精密度高，耗材价格高，学生在实训过程中，很容易造成元器件损坏，影响正常的实验教学。因此物联网实训室的维护相对其他实训室来说难度较大，成为开展实训教学的主要问题之一。受到实训场地、设备量、消耗量、成本、课时时长等限制，物联网实训室目前只能为部分参加技能大赛的学生服务，不能够支撑所有班级同学一次性同时进行安装调试等实训。学生分析问题、解决问题以及实操技能亟待加强。

1.4 教学考核方式单一片面

传统教学通常采用总结性评价来评定学生的学习，经常是“一卷定终身”，即期末以编制物联网项目设计方案和实施文档，或理论知识测试试卷的形式考核。但这样的评价方式过于单一和片面，缺乏过程性评价。考核内容重理论、轻实践，不能真实反映学生学习成效，很难考查学生的解决实际问题的综合实践能力，难以全面反映学生的学习状况和存在的问题。

2 课程教学改革与实践

为了解决目前课程教学中所存在的问题，迫切需要对现有的课程体系进行改革。安徽国际商务学院“物联网项目规划与实施”课程教学团队以适应“新工科”为指引，进行了针对学生实际情况的教学改革研究与探索[3]。借助虚拟仿真平台，并对课程进行项目化教学设计，实现立体化教学体系的整合，推进当前物联网教学研究工作。主要的教学改革举措如下：

2.1修订完善课程体系

针对物联网工程实施类岗位，实际工作任务所需要的知识、能力、素质要求，开发课程的项目化教学方案。选用典型的物联网系统设计与实施案例，根据物联网应用技术专业国家教学标准以及本专业人才培养方案，参照1+X 职业技能等級标准，确定课程标准和教学内容。

2.2 采用项目化案例教学

基于真实物联网项目规划与实施项目，采用“项目→任务→子任务→技能点”的“金字塔”结构，自顶向下重构教学内容，将一学期64课时形成四个教学项目：智能物流仓储管理设备检测与安装（12课时）、智慧社区安防系统设计与实施（16课时）、智慧体育馆环境监控系统设计与实施（16课时）、智慧农业生态园系统设计与实施（20课时）；同时按照项目所涉及的场景复杂度及学习顺序，序化教学项目。

基于项目化实施的工作过程开展教学，合理设置项目案例的难度，由浅入深、由易到难、由简到繁，合理设计难易梯度，让学生进行渐进式的学习。在项目化的教学设计中，把虚拟仿真平台融入到项目案例教学之中，两者深度融合，实现了教中学、学中做、做中学，教、学、做合一。使学生学习后能够轻松掌握物联网实际工程项目的相关知识，并具有初步设计、维护的能力，从而提升学生分析实际问题、解决实际问题的能力，最终实现知识到能力的迁移，沉浸式培养综合职业素养。

2.3 将虚拟仿真平台融入实训教学

2.3.1 虚拟仿真平台的构建意义

借助物联网虚拟仿真平台，可以解决物联网实训设备紧缺、综合实验室管理困难、专业建设成本高等问题。所以，物联网虚拟仿真实验教学平台的建设具有重要意义。

虚拟仿真平台包含了常用行业应用设备，学生可随意组合，组成不同场景物联网技术行业应用，发挥创新思维，构想新案例，创新行业应用。虚拟实验设备仪器与实际设备仪器功能和操作方法大致相同，可以利用软件模拟实验设备自由组合，完成比较复杂的实验实训设备搭建[4]。虚拟仿真平台丰富配套实验资源，每个实训任务都有对应的真实应用场景，为学生提供更直观的实训环境，具有良好的交互性，学生能获得较好的实验体验，并进行自主学习。

虚拟仿真平台在教学过程中，老师和学生可不受时间和空间限制，随时进行学习和实训。在涉及危险环境、高成本、高消耗等情况，不可及或不可逆的操作时，可以让老师和学生避免操作实际设备，以免产生不必要的意外和事故，从而可靠、安全和经济地进行实训。

以此为基础开展实验实训教学工作，方便学生根据专业课程知识进行实践操作，进一步提升学生实践操作能力。以物联网实训仿真平台为虚，实现理论、仿真、实操的有机融合，切实解决物联网工程抽象、安装实施入门难等职业能力教学存在的问题，突出学生的主体地位进行职业角色合作体验与实践，让学生探索自身能力与兴趣，全面提高课程学习效果和学生职业素养，培养学生成为“懂设计、能安装、会调试、可排障”的物联网项目实施人员。将传统真实实验教学和虚拟仿真实验教学进行有效结合，解决目前实训教学中的困难，突破时间和空间限制，有助于延伸教学范围的深度以及广度。也是目前“物联网项目规划与实施”课程教学改革构建的主要内容。

2.3.2 科学选择虚拟仿真平台

不同的课程可选择的开源或虚拟仿真平台类型很多，在选定物联网项目规划与实施课程实验教学虚拟仿真平台时，需要从多个因素进行考虑。首先要从物联网专业教学的实际出发，对人才培养方案、重构的项目化教学内容、选取的项目案例、学生技能要求等进行综合、全面的分析，明确选择的虚拟仿真平台和专业人才培养目标、课程教学内容之间的关系。基于这个原则，课程教学团队对现有的商业虚拟仿真软件特点进行了充分的对比分析，最终采用物联网系统实施实训平台V2.3软件，可以实现智慧农业、智慧体育场馆等多个虚拟仿真场景下的物联网工程项目全过程模拟实施，有效保证利用虚拟仿真平台进行项目化教学的可行性和适配性。

2.3.3 虚拟仿真平台教学过程

在这一环节中主要利用虚拟仿真在线教学平台完成教学任务，充分利用信息化资源，发挥虚拟仿真的优势，打破时空壁垒，解决实训教学中的困难，虚实结合、突破时间和空间限制。

课前，学生可以登录虚拟仿真平台，利用实训任务单与实训指导书等资源，完成知识点预习，提高课堂效率。

课中，利用虚拟仿真在线教学平台，进行在线仿真实验训练。实现仿真模拟多种场景下物联网工程的方案制定、器件选型、软硬件设计、安装布线与调试（如图1所示）。学生能够将理论知识应用到仿真项目中，提升了学生的实践能力，拓宽了工程知识面，为后续从事相关物联网技术工作筑牢了工程实践基础。教师在课程教学过程中，可以通过监控学生的虚拟仿真平台动态画面进行实时指导。学生在完成实训操作后，可以提取实训报告、在线完成考核。

课后，利用虚拟仿真实验平台生成的学情分析统计图表，学生了解准确了解自己的学习效果，教师可以根据课堂学习情况对教学方案进行改进，有助于提高教学质量。

虚拟仿真实验教学平台具有使用灵活的特点，支持开放式访问教学及学习。部分无法在正常实验时间完成实验的学生，可以随时随地利用遍布校园的无线网，尽快完成实训任务[5]。学生根据传统实验教学和在线实验学习的具体特点，将课前预习、课中练习考核、课后复习评估等各个环节有效衔接，充分实现了虚拟仿真平台的教学效果。

3 评价体系

依托大数据平台，搭建教师评价、学生互评、企业评价、平台评价的四维一体评价体系，严格按照企业相关规范标准，结合技能大赛的评分标准和1+X职业技能等级标准，融入物联网实施职业素养等，对学生进行全过程综合量化考核评价（如图2所示），尽可能全面、客观地对学生的学习效果做出评价。

在全过程考核评价的过程中，特别融入了学生对虚拟仿真平台的使用评价。在虚拟仿真实训平台应用中，教师可以实现全程教学管理，对学生课前、課中、课后的学习效果、考核情况等数据进行采集，实现对学生的考核评价。

4 育人效果

4.1学生技能水平显著提高

通过基于虚拟仿真平台的项目式教学模式改革实践探索，在自主学习、合作学习与探究学习等方式的作用下，诠释了“以任务为导向、以学生为中心”的教学原则，激发了学生的主观能动性，锻炼了学生的思维能力和动手能力，明显提高了教学质量。

（1）学生的物联网项目规划与实施类岗位核心技能水平得到大幅提升：学生通过多个阶梯式项目任务进行物联网系统设计与实施。针对方案设计、设备安装、网络调测和故障排查等环节进行大量实战演练，积累了丰富的操作经验。21级学生与20级学生在物联网项目规划与实施课程四阶段平均得分有6.5% 的提升（如图3所示）。

（2）依托课程模式改革所选拔的学生在各类学生技能竞赛中取得优异的成绩：学生通过课程所学到的知识，得到知识、技能的提升的同时也促进了比赛成绩。在2023年全国职业院校技能大赛中，取得了高职组物联网技术应用赛项全国二等奖。

4.2 学生教学评价有所提升

“物联网项目规划与实施”课程教学团队从2021 年开始实施基于虚拟仿真平台的项目化教学改革，并在实践过程中不断摸索经验和优化教学手段。通过对物联网应用技术专业学生的班级调查结果表明，91.7% 的学生认为基于真实物联网工程的项目式教学模式，能激发学习热情，贴合实际工程，可以学以致用，避免了理论说教的枯燥乏味；90.5% 的学生觉得利用虚拟仿真平台，可以加深对课程相关专业知识的理解，虚实结合，培养创新思维。学生对教师的平均测评分数由之前的96 分提升到99 分，具体的评价信息包括“学的内容很实用”“帮助我们了解真实的物联网工程项目”“真正学到一些项目知识”“体验了合作的乐趣”等。

5 结束语

基于虚拟仿真的平台的项目化教学模式改革，是促进物联网专业人才培养模式和评价模式改革的重要路径。今后，“物联网项目规划与实施”课程教学团队将继续在实践中不断优化和调整，形成有效的教学模式。从而提高课程教学质量和人才培养质量，夯实高职物联网专业学生的可持续发展基础，从而拓展毕业生的就业创业本领，为电子信息相关产业的发展培养更多的优秀复合型技术技能人才。

参考文献：

[1] 程涛，徐冬寅，燕斌.高职院校农业物联网专业课程体系构建研究[J].职教通讯，2016，31（9）：8-10，21.

[2] 祝玉军，何昕，方群，等.物联网工程专业综合实践教学模式研究[J].物联网技术，2023，13（5）：157-158，162.

[3] 吴洪艳，高国宏，王润涛，等.虚实结合混合式单片机教学改革与实践[J].物联网技术，2023，13（7）：152-154.

[4] 陈振岗.物联网虚拟仿真实验教学平台建设研究[J].数据，2022（11）：179-181.

[5] 王刚，罗应机，林源，等.基于物联网技术的虚拟仿真实验教学平台研究[J].物联网技术，2023，13（7）：155-156，159.

【通联编辑：光文玲】