物联网虚拟仿真实验教学平台建设研究

欧阳志友，袁春蕾

（南京邮电大学先进技术研究院，江苏南京210023）

1 背景

教育信息化可以有效促进和推动教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革，也可以为师生提供更加多样性的教育教学和个性化学习的方式，而建设虚拟仿真实验教学中心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[1]。鉴于此，从2013年8月13日发布的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号）开始，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，每年遴选100个国家级虚拟仿真实验教学中心。

国内的物联网专业本科生的专业理论基础知识普遍相对较为扎实，但实践能力与创新能力与世界一流大学相比仍有较大的差距[2]，因此，通过实验教学改革，提升实验教学质量和效果，加强大学生的实践动手能力和创新能力培养，是实验教学中心建设的重要内容。物联网专业作为一个通信、计算机、电子等多学科融合的交叉学科，同时也是一个基于工程应用和现有先进信息技术综合集成化的学科，物联网专业人才培养更需要加强实验教学、工程技能和创新能力的培养。在物联网实验教学体系中，存在诸如无线传感器网络、Zigbee原理与组网实验、云计算等一些实验课程，需要大量的硬件资源或者需要较多的网络节点才能很好地展现实验课程的核心内容，在物联网实验教学套件普遍价格较贵、配套软硬件不够完善的情况下，物联网实验教学遇到了很大的挑战。如果这类实验课程通过使用OMNet++、ns-3、Matlab等软件来进行虚拟实验教学，不仅可以节省大量的硬件资源，还可以让学生更加注重组网算法、路由算法等实验教学的核心内容，所以，物联网虚拟仿真实验教学的应用和推广尤为必要。

然而，迄今为止教育部已遴选出的300个国家级虚拟仿真实验教学中心中，目前仅获批物联网虚拟仿真实验教学中心1个，而按中心名称中的学科统计，获批虚拟仿真实验教学中心最多的学科依次是医学（14个）、土木工程（8个）、化学化工（7个），因此，有必要对物联网虚拟仿真实验教学平台的建设内容、建设方法、人才队伍等进行研究，推动物联网虚拟仿真实验教学平台的建设和实验中心申报工作。

2 物联网虚拟仿真实验教学平台建设内容

物联网虚拟仿真实验教学平台建设的核心是建设内容，主要包括物联网实验教学平台体系结构、构成要素、所需的仪器设备和软硬件设施、开设的虚拟仿真实验课程以及虚拟仿真实验的实验内容和教学大纲等。建设内容决定了物联网虚拟仿真实验教学中心可以提供的共享资源和所能开设的虚拟仿真实验，而物联网专业多学科交叉融合的特点使不同高校在建设物联网专业时，建设内容的侧重点差异非常大。以南京邮电大学物联网学院为例，其学科建设依托南京邮电大学宽带无线通信教育部重点实验室、宽带无线通信与物联网江苏省重点实验室、江苏省首批高校协同创新中心“物联网技术与应用协同创新中心”等多个重点实验室和协同创新中心，重点培养面向电子信息行业的物联网工程专业创新型应用人才，因此其实验设置更加侧重数据通信、信息处理和行业应用等。各高校在建设物联网虚拟仿真实验教学平台时，应注意结合自身现状，探索和建设适合自己的物联网虚拟仿真实验教学平台。

2.1 虚拟仿真软件选择

物联网实验教学体系涵盖了多门学科的众多课程[3]，不同课程可以选用的开源或商业的虚拟仿真软件琳琅满目，因此有必要分析现有的OMNet++、ns-3、Matlab、LabView等开源或商业虚拟仿真软件的优劣，依据各高校对学生培养的定位，并结合学校和学院的对该软件的使用现状以及实验教师的技能情况，选择合适的虚拟仿真软件来开设物联网实验教学大纲中规定的课内实验、开放实验和大学生创新创业实验。

2.2 虚拟仿真实验课程选择

物联网虚拟仿真实验教学的初衷是解决物联网实验教学套件等教学设备价格过于昂贵、难以维护、部分实验需要多个设备协作（如Zigbee的adhoc通信、无线传感器网络的自组组网等）而无法很好地开设等问题，但虚拟仿真实验教学也有其自身地缺陷，在开设一些对物联网硬件设备依赖较高的实验课程（如RFID、嵌入式系统、ARM等）时，虚拟仿真实验教学对学生应对实验过程中遇到的各种问题的处理能力考查不够，难以很好地提升学生完成物联网应用方案设计与实现等综合设计类实验、课程设计或大学生创业创新活动所需的实际动手能力，因此，在建设物联网虚拟仿真实验教学平台时，应注意仿真实验与真实实验之间的关系[4]，在建设物联网虚拟仿真实验教学平台之前，应充分分析物联网虚拟仿真实验教学与基于物联网实验教学套件的实验教学之间的差异，通过对比分析包括实验教学大纲、实验教学内容、实验教学过程、对学生的技能要求、对实验设备的要求等的差异，了解开设虚拟仿真实验教学的可行性以及注意事项，从而确定合适的虚拟仿真实验课程。

2.3 充分利用现有资源

虚拟仿真实验教学平台建设时要考虑充分利用现有的硬件资源和师资队伍，兼顾考虑现已购置的物联网实验教学套件、服务器等实验教学设备：已购置的物联网实验教学套件不仅价格不菲，而且任课师通过一段时间的培训和学习，已经掌握了基于这些物联网实验教学套件来开设相关实验课程的技能，如若建设与现有实物系统完全不同的虚拟仿真实验教学平台，势必使得实验教师必须切换到虚拟仿真实验平台来开设实验教学，会大大增加实验教师本身的工作量和培训时间。以南京邮电大学物联网实验教学中心为例,中心现已采购并使用了两种不同的物联网实验教学套件，除了具备开设RFID、Zigbee、无线传感器网络、嵌入式系统、ARM等的实验课程外，还配套了相关的软件开发工具和辅助软件，其中部分软件实际上可以脱离真实的物联网实验教学套件的硬件设备来运行和开展部分实验，从广义上来说，这部分实验也可以归为虚拟仿真实验。通过研究这类实验跟其他虚拟仿真实验设备或软件的结合，可以提供更好的实验教学体验和效果。

2.4 建设过程探索与实践

虽然不少高校均已开设与物联网相关的虚拟仿真实验，但是基于软件模拟的虚拟仿真实验在实践过程中可能遇到的各种问题还缺乏丰富的实践经验和解决办法，因此，在建设物联网虚拟仿真实验教学平台之前，需要进一步加强对虚拟仿真实验在实践过程中可能遇到问题的研究，并在对比分析虚拟仿真实验与基于物联网实验教学套件的实验之间差异的基础上，有机结合“虚实”两类实验，提升实验教学的效果，同时，在虚拟仿真实验教学的过程中，也要积极组织教师间的交流与总结。

3 物联网虚拟仿真实验教学平台的建设方法

物联网虚拟仿真实验教学平台的主要建设目标是通过构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生在虚拟环境中开展物联网实验教学套件无法开展或者难以完成的实验，配合实物教学完成实验教学大纲要求的教学效果，因此，在物联网虚拟仿真实验教学平台建设过程中，要坚持“实物为主、虚实结合”，不能为了图方便、省成本而将本来可以利用物联网实验教学套件开设的实验改成纯软件的虚拟仿真实验。以已获批国家级虚拟仿真实验教学中心的吉林大学为例，根据公开资料可知，其物联网实验课程体系中，45门实验课程采用实际操作上机实验，12门采用虚拟仿真实验教学，并且虚拟仿真的实验课程主要涉及无线传感器网络、RFID、计算网络、网络安全、云计算等需要较多软硬件资源和物联网实验教学套件难以开展的实验。除此之外，物联网虚拟仿真实验要突显“科学规划、资源共享”的指导思想，借助物联网、虚拟现实、网络通讯和人机交互等技术，实现实验教学的远程化和网络化，让学生可以随时随地的开展实验。有条件的高校可考虑将物联网技术与云计算、大数据分析等深度结合，充分利用云计算技术，为学生提供随时随地通过网络远程进行实验的条件。融合物联网技术、云计算与大数据分析的物联网虚拟仿真实验教学平台功能架构如图1所示。

在虚拟仿真实验教学平台建设的经费来源方面，确定物联网虚拟仿真实验教学平台的建设内容之后，可通过统筹规划，梳理需新调整的建设内容和规划新申请的实验室建设项目，科学合理地安排中央财政支持地方高校发展、中央与地方共建高等学校专项基金以及省/市/校级实验室项目等的申报，在现有的软硬件条件基础上，利用已申请和新申请的各级实验室建设项目的经费，解决物联网虚拟仿真实验教学平台的建设经费问题。

图1 物联网虚拟仿真实验教学平台功能架构

4 师资队伍建设

物联网虚拟仿真实验教学平台尚无成熟的标准和广泛使用的商业系统，因此，一方面需加强师资队伍建设和培训，确保实验教师可基于虚拟仿真实验教学平台开展虚拟仿真实验教学，并借助信息化的手段，推动实验教学改革，提升实验教学效果；另一方面，负责实验室运行管理的技术人员，也需要加强物联网虚拟仿真实验教学平台可能涉及的虚拟化桌面、网络仿真系统、云计算系统、大数据分析与智能计算等技术的学习，为物联网虚拟仿真实验教学平台的建设和运行管理奠定基础，同时，有助于更好的规划虚拟仿真实验教学平台，促进虚拟仿真实验教学平台的进一步完善，必要时可采用部分自主开发或校企合作方式来完成所需的各类系统。此外，物联网虚拟仿真实验教学平台本身也是一个很好的物联网技术应用示范的场景，有较强研发能力的高校，可考虑将物联网虚拟仿真实验教学平台建设与物联网应用示范平台建设等结合起来。

物联网虚拟仿真实验教学平台可能涉及的技术包括以下3类。

1）基于hadoop技术体系的云计算平台。

虚拟仿真实验教学平台要想获得大规模的应用，为物联网及相关专业的学生同时开设实验课程，就必须要有云计算平台的支撑，同时，云计算平台也可以使得虚拟仿真实验教学的教学资源管理、师生互动交流、教学过程管控等更为有效，可以更好地提升实验效果。Hadoop是目前开源云计算平台的主流技术，基于Hadoop技术体系的云计算平台是构建物联网虚拟仿真实验教学平台的一个较为理想的基础平台，为虚拟仿真实验教学平台的大规模应用提供支撑。

2）机器学习与数据挖掘技术。

机器学习与数据挖掘技术是基于云平台的物联网虚拟仿真实验教学平台的智能大脑，可以很大程度上解决物联网虚拟仿真实验教学过程中的考勤、答疑、作业批改、资料管理等诸多问题，同时，基于机器学习的个性化推荐算法，也可以为每位学生量身定制个性化的实验内容，提升学生的实验体验和实验效果。

3）物联网应用技术。

培养学生掌握物联网技术的具体应用场景及应用技术，是物联网实验教学的最终目的，因此，需要在实验课程，特别是开放性实验、大学生创业创新活动等中，设计物联网的具体应用场景及相关的应用技术相关的实验课程，让学生了解和掌握所学的物联网知识和技能的具体应用。

5 结语

结合南京邮电大学物联网实验教学中心的现状，笔者对物联网虚拟仿真实验教学平台的建设内容、建设方法以及对实验技术人员的技能要求等进行了较为深入的思考，并通过开设物联网虚拟仿真实验教学、对比虚拟仿真实验教学与基于物联网实验教学套件的实验教学之间的差异等，总结和提出物联网虚拟仿真实验教学平台建设内容和建设方法等的一些注意事项，期望能对物联网虚拟仿真实验教学中心的建设提供有益参考。

[1]杜月林,黄刚,王峰.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理,2015(12):26-29.

[2]梁琨,谈姝辰,金海燕.计算机虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].教育教学论坛,2017(3):267-268.

[3]闫春娟.物联网专业实验室的创新建设[J].高校实验室工作研究,2012(2):89-91.

[4]王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理,2014(8):9-11.