譚方勇，劉昭斌

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也在我國(guó)的各個(gè)行業(yè)中不斷普及，整個(gè)社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)人才的需求迫切，這就需要高等職業(yè)院校培養(yǎng)更多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)高技術(shù)技能型人才來(lái)滿足社會(huì)的需求[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有跨學(xué)科和跨行業(yè)的特性[2]，這對(duì)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求，需要投入較多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地來(lái)滿足不同的教學(xué)需求。物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺(tái)因?yàn)槠鋵?shí)驗(yàn)資源豐富、建設(shè)成本低[3]、能轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，而越來(lái)越受到各學(xué)高等院校的歡迎。

1 物聯(lián)網(wǎng)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐環(huán)境分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)按照層次一般分成三層結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層。當(dāng)前很多高職院校的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的課程設(shè)置也都按照這三層架構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。感知層的主要課程有RFID技術(shù)及傳感器技術(shù)相關(guān)課程，網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要課程有無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)相關(guān)課程，應(yīng)用層主要有典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)與開發(fā)相關(guān)課程。每個(gè)層次的課程都需要有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與之相對(duì)應(yīng)，既需要不同種類的單個(gè)感知層設(shè)備，又要不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的整體應(yīng)用設(shè)備；既需要底層的嵌入式應(yīng)用編程設(shè)備，又要上位機(jī)的應(yīng)用開發(fā)設(shè)備；既要有無(wú)線通信的設(shè)備，又要有有線互聯(lián)的設(shè)備。這些都對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提出了很高的要求。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是當(dāng)前很多高職院校所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它們把各種技術(shù)都融合到實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嵱?xùn)平臺(tái)當(dāng)中，目的是為了更方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，但是該實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在著如下弊端。

（1）各種設(shè)備集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嵱?xùn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)操作方便了，也便于設(shè)備的管理，但實(shí)驗(yàn)的靈活性較差，也不具備創(chuàng)新性，學(xué)生只能按照固有模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備基本都是電子元器件，如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作不正規(guī)，很容易造成元器件損壞，影響正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（3）雖然直接操作物理設(shè)備，直觀印象較深，但是學(xué)生對(duì)底層的通信原理與數(shù)據(jù)并不能直觀地感受，因此，對(duì)知識(shí)的理解會(huì)有較多的延遲。

（4）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多、種類各異且容易損壞，因此物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)相對(duì)其他實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)難度較大。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真軟件的應(yīng)用趨勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真軟件的出現(xiàn)可以彌補(bǔ)上述真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)環(huán)境中的不足，能仿真外部環(huán)境參數(shù)設(shè)置和各種條件[7]，組建大型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，方便學(xué)生課后進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)等，這些都有利于學(xué)生的創(chuàng)新思維的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》以及《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》文件中都要求高等院校將信息技術(shù)與高等教育進(jìn)行深度融合，對(duì)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行創(chuàng)新，要求人才培養(yǎng)模式從知識(shí)技能型向應(yīng)用創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變，注重學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而虛擬仿真技術(shù)及其相關(guān)軟件平臺(tái)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)以及高等教育進(jìn)行了有機(jī)的融合，為人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新提供了有力的保障。

2 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系架構(gòu)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，依托可視化物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真軟件構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系架構(gòu)，如圖1所示。該體系結(jié)構(gòu)按照物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)層次來(lái)對(duì)專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行劃分，在感知層主要設(shè)置了RFID認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、傳感器認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、RFID基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)、WSN基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)；在網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要設(shè)置了WSN組網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)、RFID通信仿真實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)接入仿真實(shí)驗(yàn)和串口通信仿真實(shí)驗(yàn)；在應(yīng)用層主要設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)，如智能家居仿真實(shí)驗(yàn)、智慧農(nóng)業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)、智慧

上層仿真實(shí)驗(yàn)、智慧圖書仿真實(shí)驗(yàn)等，貫穿在整個(gè)體系結(jié)構(gòu)中的還有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以及與虛擬平臺(tái)融合的物理平臺(tái)應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)等。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)共分為六大類，分別是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基本原理仿真實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)接口開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。仿真平臺(tái)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、智能家居虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、智慧商城、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)、智能農(nóng)業(yè)沙盤、智能交通沙盤、智能家居管理系統(tǒng)、智能門禁管理系統(tǒng)以及智能圖書3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)等。

該仿真平臺(tái)中，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是核心的仿真操作平臺(tái)，其他系統(tǒng)的仿真都依靠該平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以完成物聯(lián)網(wǎng)中RFID、傳感器等基本技能實(shí)驗(yàn)；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以依靠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成基于Android、C#、Java的上層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智慧圖書3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、智慧商城等模塊搭建了典型的物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)境，可以幫助學(xué)生體驗(yàn)實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)理念是：由易到難、由簡(jiǎn)到繁再到創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，讓學(xué)生通過(guò)仿真平臺(tái)進(jìn)行漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)。仿真實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)階段。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

（1）認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)。本階段為認(rèn)知階段，通過(guò)仿真平臺(tái)中種類豐富且仿真的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、元器件、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的仿真沙盤、3D仿真環(huán)境等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)的設(shè)備和應(yīng)用有一個(gè)較為感性的認(rèn)識(shí)。

（2）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。本階段通過(guò)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的單項(xiàng)技術(shù)技能訓(xùn)練來(lái)提升學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)常見的技術(shù)和技能的掌握，如RFID技術(shù)、WSN技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)編程技術(shù)等。學(xué)生可以進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇對(duì)應(yīng)的RFID設(shè)備組件、傳感器組件搭建虛擬的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并可以利用其自帶的測(cè)試工具測(cè)試設(shè)備的運(yùn)行情況，驗(yàn)證通信的基本過(guò)程。

（3）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在本階段學(xué)生將利用仿真平臺(tái)搭建物聯(lián)網(wǎng)小型應(yīng)用場(chǎng)景的便利性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求在仿真平臺(tái)中搭建應(yīng)用環(huán)境，并可以參考其中的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和例程，在真實(shí)的編程開發(fā)環(huán)境中來(lái)對(duì)自己搭建的設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，獲取數(shù)據(jù)或控制仿真設(shè)備。

（4）創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。本階段主要是為感興趣并且學(xué)有余力的同學(xué)設(shè)計(jì)的，學(xué)生通過(guò)仿真平臺(tái)提供的典型行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的調(diào)整、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的二次開發(fā)等，并可以進(jìn)行虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境的聯(lián)動(dòng)，通過(guò)真實(shí)環(huán)境的應(yīng)用程序來(lái)控制仿真平臺(tái)中的虛擬設(shè)備。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)趣味性設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的知識(shí)面較廣、技術(shù)原理難、設(shè)備操作相對(duì)復(fù)雜，學(xué)習(xí)的難度較高。為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在課程及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上引入了趣味性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)一些有趣且又顯性的實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，如WSN實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真系統(tǒng)中模擬溫濕度、光照的參數(shù)的變化，通過(guò)測(cè)試程序向繼電器發(fā)送指令控制風(fēng)扇或電燈的開關(guān)等操作，如圖2所示。

3D仿真的綜合實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的狀態(tài)變化，并可以進(jìn)行相應(yīng)的操作和控制，如圖3所示，讓學(xué)生有身臨其境的效果，提升其學(xué)習(xí)的興趣。

3.3 綜合項(xiàng)目仿真及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)分成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成、C#上位機(jī)開發(fā)、Android移動(dòng)端開發(fā)3個(gè)模塊，學(xué)生以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)方式分工合作完成該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成的成員在仿真平臺(tái)中根據(jù)項(xiàng)目需求，選擇需要的閱讀器類型、電源以及標(biāo)簽的類型，進(jìn)行串口、電源等線纜的連接，滿足智能倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的硬件需求，并測(cè)試設(shè)備的連通性和可用性。軟件設(shè)計(jì)部分分為上位機(jī)和手持端。負(fù)責(zé)上位機(jī)開發(fā)的成員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并選擇C#開發(fā)工具完成智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的上位機(jī)程序與仿真平臺(tái)的通信程序開發(fā)、界面設(shè)計(jì)、出入庫(kù)等系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。負(fù)責(zé)手持端開發(fā)的成員在Android開發(fā)平臺(tái)完成手持端程序的界面設(shè)計(jì)、物品查詢、統(tǒng)計(jì)等功能設(shè)計(jì)。最終，項(xiàng)目組在PC和手持端上分別進(jìn)行系統(tǒng)的功能測(cè)試，也可以將系統(tǒng)移植到真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)綜合項(xiàng)目訓(xùn)練的要求。

圖2 傳感器仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 智慧農(nóng)業(yè)3D仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用有助于解決專業(yè)建設(shè)成本高、實(shí)驗(yàn)室管理困難等問(wèn)題，其豐富的實(shí)驗(yàn)資源為學(xué)生提供更直觀、結(jié)果更易顯現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，改變其學(xué)習(xí)方式，是當(dāng)前教育信息化中的一個(gè)有效教學(xué)手段。