歐陽志友，袁春蕾

（南京郵電大學(xué)先進技術(shù)研究院，江蘇南京210023）

1 背景

教育信息化可以有效促進和推動教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的深刻變革，也可以為師生提供更加多樣性的教育教學(xué)和個性化學(xué)習(xí)的方式，而建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。鑒于此，從2013年8月13日發(fā)布的《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函[2013]94號）開始，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，每年遴選100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科生的專業(yè)理論基礎(chǔ)知識普遍相對較為扎實，但實踐能力與創(chuàng)新能力與世界一流大學(xué)相比仍有較大的差距[2]，因此，通過實驗教學(xué)改革，提升實驗教學(xué)質(zhì)量和效果，加強大學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，是實驗教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為一個通信、計算機、電子等多學(xué)科融合的交叉學(xué)科，同時也是一個基于工程應(yīng)用和現(xiàn)有先進信息技術(shù)綜合集成化的學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)更需要加強實驗教學(xué)、工程技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)體系中，存在諸如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Zigbee原理與組網(wǎng)實驗、云計算等一些實驗課程，需要大量的硬件資源或者需要較多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點才能很好地展現(xiàn)實驗課程的核心內(nèi)容，在物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件普遍價格較貴、配套軟硬件不夠完善的情況下，物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)遇到了很大的挑戰(zhàn)。如果這類實驗課程通過使用OMNet++、ns-3、Matlab等軟件來進行虛擬實驗教學(xué)，不僅可以節(jié)省大量的硬件資源，還可以讓學(xué)生更加注重組網(wǎng)算法、路由算法等實驗教學(xué)的核心內(nèi)容，所以，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)的應(yīng)用和推廣尤為必要。

然而，迄今為止教育部已遴選出的300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心中，目前僅獲批物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心1個，而按中心名稱中的學(xué)科統(tǒng)計，獲批虛擬仿真實驗教學(xué)中心最多的學(xué)科依次是醫(yī)學(xué)（14個）、土木工程（8個）、化學(xué)化工（7個），因此，有必要對物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)方法、人才隊伍等進行研究，推動物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)和實驗中心申報工作。

2 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的核心是建設(shè)內(nèi)容，主要包括物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)平臺體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)成要素、所需的儀器設(shè)備和軟硬件設(shè)施、開設(shè)的虛擬仿真實驗課程以及虛擬仿真實驗的實驗內(nèi)容和教學(xué)大綱等。建設(shè)內(nèi)容決定了物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心可以提供的共享資源和所能開設(shè)的虛擬仿真實驗，而物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)多學(xué)科交叉融合的特點使不同高校在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)時，建設(shè)內(nèi)容的側(cè)重點差異非常大。以南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院為例，其學(xué)科建設(shè)依托南京郵電大學(xué)寬帶無線通信教育部重點實驗室、寬帶無線通信與物聯(lián)網(wǎng)江蘇省重點實驗室、江蘇省首批高校協(xié)同創(chuàng)新中心“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心”等多個重點實驗室和協(xié)同創(chuàng)新中心，重點培養(yǎng)面向電子信息行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)創(chuàng)新型應(yīng)用人才，因此其實驗設(shè)置更加側(cè)重數(shù)據(jù)通信、信息處理和行業(yè)應(yīng)用等。各高校在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺時，應(yīng)注意結(jié)合自身現(xiàn)狀，探索和建設(shè)適合自己的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。

2.1 虛擬仿真軟件選擇

物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)體系涵蓋了多門學(xué)科的眾多課程[3]，不同課程可以選用的開源或商業(yè)的虛擬仿真軟件琳瑯滿目，因此有必要分析現(xiàn)有的OMNet++、ns-3、Matlab、LabView等開源或商業(yè)虛擬仿真軟件的優(yōu)劣，依據(jù)各高校對學(xué)生培養(yǎng)的定位，并結(jié)合學(xué)校和學(xué)院的對該軟件的使用現(xiàn)狀以及實驗教師的技能情況，選擇合適的虛擬仿真軟件來開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)大綱中規(guī)定的課內(nèi)實驗、開放實驗和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗。

2.2 虛擬仿真實驗課程選擇

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)的初衷是解決物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件等教學(xué)設(shè)備價格過于昂貴、難以維護、部分實驗需要多個設(shè)備協(xié)作（如Zigbee的adhoc通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組組網(wǎng)等）而無法很好地開設(shè)等問題，但虛擬仿真實驗教學(xué)也有其自身地缺陷，在開設(shè)一些對物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備依賴較高的實驗課程（如RFID、嵌入式系統(tǒng)、ARM等）時，虛擬仿真實驗教學(xué)對學(xué)生應(yīng)對實驗過程中遇到的各種問題的處理能力考查不夠，難以很好地提升學(xué)生完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案設(shè)計與實現(xiàn)等綜合設(shè)計類實驗、課程設(shè)計或大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新活動所需的實際動手能力，因此，在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺時，應(yīng)注意仿真實驗與真實實驗之間的關(guān)系[4]，在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺之前，應(yīng)充分分析物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)與基于物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件的實驗教學(xué)之間的差異，通過對比分析包括實驗教學(xué)大綱、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)過程、對學(xué)生的技能要求、對實驗設(shè)備的要求等的差異，了解開設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)的可行性以及注意事項，從而確定合適的虛擬仿真實驗課程。

2.3 充分利用現(xiàn)有資源

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)時要考慮充分利用現(xiàn)有的硬件資源和師資隊伍，兼顧考慮現(xiàn)已購置的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件、服務(wù)器等實驗教學(xué)設(shè)備：已購置的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件不僅價格不菲，而且任課師通過一段時間的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了基于這些物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件來開設(shè)相關(guān)實驗課程的技能，如若建設(shè)與現(xiàn)有實物系統(tǒng)完全不同的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，勢必使得實驗教師必須切換到虛擬仿真實驗平臺來開設(shè)實驗教學(xué)，會大大增加實驗教師本身的工作量和培訓(xùn)時間。以南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)中心為例,中心現(xiàn)已采購并使用了兩種不同的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件，除了具備開設(shè)RFID、Zigbee、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、ARM等的實驗課程外，還配套了相關(guān)的軟件開發(fā)工具和輔助軟件，其中部分軟件實際上可以脫離真實的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件的硬件設(shè)備來運行和開展部分實驗，從廣義上來說，這部分實驗也可以歸為虛擬仿真實驗。通過研究這類實驗跟其他虛擬仿真實驗設(shè)備或軟件的結(jié)合，可以提供更好的實驗教學(xué)體驗和效果。

2.4 建設(shè)過程探索與實踐

雖然不少高校均已開設(shè)與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的虛擬仿真實驗，但是基于軟件模擬的虛擬仿真實驗在實踐過程中可能遇到的各種問題還缺乏豐富的實踐經(jīng)驗和解決辦法，因此，在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺之前，需要進一步加強對虛擬仿真實驗在實踐過程中可能遇到問題的研究，并在對比分析虛擬仿真實驗與基于物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件的實驗之間差異的基礎(chǔ)上，有機結(jié)合“虛實”兩類實驗，提升實驗教學(xué)的效果，同時，在虛擬仿真實驗教學(xué)的過程中，也要積極組織教師間的交流與總結(jié)。

3 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)方法

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的主要建設(shè)目標是通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件無法開展或者難以完成的實驗，配合實物教學(xué)完成實驗教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果，因此，在物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)過程中，要堅持“實物為主、虛實結(jié)合”，不能為了圖方便、省成本而將本來可以利用物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件開設(shè)的實驗改成純軟件的虛擬仿真實驗。以已獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的吉林大學(xué)為例，根據(jù)公開資料可知，其物聯(lián)網(wǎng)實驗課程體系中，45門實驗課程采用實際操作上機實驗，12門采用虛擬仿真實驗教學(xué)，并且虛擬仿真的實驗課程主要涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、計算網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全、云計算等需要較多軟硬件資源和物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件難以開展的實驗。除此之外，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗要突顯“科學(xué)規(guī)劃、資源共享”的指導(dǎo)思想，借助物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)通訊和人機交互等技術(shù)，實現(xiàn)實驗教學(xué)的遠程化和網(wǎng)絡(luò)化，讓學(xué)生可以隨時隨地的開展實驗。有條件的高?？煽紤]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計算、大數(shù)據(jù)分析等深度結(jié)合，充分利用云計算技術(shù)，為學(xué)生提供隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)遠程進行實驗的條件。融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算與大數(shù)據(jù)分析的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺功能架構(gòu)如圖1所示。

在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的經(jīng)費來源方面，確定物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)內(nèi)容之后，可通過統(tǒng)籌規(guī)劃，梳理需新調(diào)整的建設(shè)內(nèi)容和規(guī)劃新申請的實驗室建設(shè)項目，科學(xué)合理地安排中央財政支持地方高校發(fā)展、中央與地方共建高等學(xué)校專項基金以及省/市/校級實驗室項目等的申報，在現(xiàn)有的軟硬件條件基礎(chǔ)上，利用已申請和新申請的各級實驗室建設(shè)項目的經(jīng)費，解決物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)經(jīng)費問題。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺功能架構(gòu)

4 師資隊伍建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺尚無成熟的標準和廣泛使用的商業(yè)系統(tǒng)，因此，一方面需加強師資隊伍建設(shè)和培訓(xùn)，確保實驗教師可基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺開展虛擬仿真實驗教學(xué)，并借助信息化的手段，推動實驗教學(xué)改革，提升實驗教學(xué)效果；另一方面，負責實驗室運行管理的技術(shù)人員，也需要加強物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可能涉及的虛擬化桌面、網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)、云計算系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析與智能計算等技術(shù)的學(xué)習(xí)，為物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)和運行管理奠定基礎(chǔ)，同時，有助于更好的規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，促進虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的進一步完善，必要時可采用部分自主開發(fā)或校企合作方式來完成所需的各類系統(tǒng)。此外，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺本身也是一個很好的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范的場景，有較強研發(fā)能力的高校，可考慮將物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范平臺建設(shè)等結(jié)合起來。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可能涉及的技術(shù)包括以下3類。

1）基于hadoop技術(shù)體系的云計算平臺。

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺要想獲得大規(guī)模的應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生同時開設(shè)實驗課程，就必須要有云計算平臺的支撐，同時，云計算平臺也可以使得虛擬仿真實驗教學(xué)的教學(xué)資源管理、師生互動交流、教學(xué)過程管控等更為有效，可以更好地提升實驗效果。Hadoop是目前開源云計算平臺的主流技術(shù)，基于Hadoop技術(shù)體系的云計算平臺是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的一個較為理想的基礎(chǔ)平臺，為虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的大規(guī)模應(yīng)用提供支撐。

2）機器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。

機器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的智能大腦，可以很大程度上解決物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)過程中的考勤、答疑、作業(yè)批改、資料管理等諸多問題，同時，基于機器學(xué)習(xí)的個性化推薦算法，也可以為每位學(xué)生量身定制個性化的實驗內(nèi)容，提升學(xué)生的實驗體驗和實驗效果。

3）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。

培養(yǎng)學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體應(yīng)用場景及應(yīng)用技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的最終目的，因此，需要在實驗課程，特別是開放性實驗、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新活動等中，設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用場景及相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的實驗課程，讓學(xué)生了解和掌握所學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)知識和技能的具體應(yīng)用。

5 結(jié)語

結(jié)合南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)中心的現(xiàn)狀，筆者對物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)方法以及對實驗技術(shù)人員的技能要求等進行了較為深入的思考，并通過開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)、對比虛擬仿真實驗教學(xué)與基于物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)套件的實驗教學(xué)之間的差異等，總結(jié)和提出物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)方法等的一些注意事項，期望能對物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)提供有益參考。

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