摘要：虚拟仿真是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术。近年来，虚拟仿真已经越来越广泛地应用于国内外高校教学。使用虚拟仿真技术能够帮助在教学过程中更好地模拟真实应用场景，克服许多硬件设备存在的不容易解决的问题。本文以《物联网工程设计与实施》课程中的应用为例，讨论了虚拟仿真技术在本课程中的应用。

关键词：虚拟仿真;物联网工程设计与实施

1.省内外相关研究现状分析

虚拟仿真技术是虚拟现实技术和系统仿真技术的合成，目前虚拟仿真技术作为信息技术的代表，同多媒体技术、网络技术公认为是三大前景最好的计算机技术。最初应用于军事、企业以及学术实验室中，随着成本的不断降低，逐步进入教育教学领域，极大的丰富了教学手段。虚拟仿真教学是对传统教学方法和手段的革新。

国外对虚拟仿真技术的研究起步较早，应用较为广泛，国内的虚拟仿真教学应用相对国外略晚，但发展极为迅速，目前单从技术深度上来说，国內与国外已相差无几，而在普及应用上，与国外相比，仍有较大差距。目前不论是国内外，都已经有若干高校涉及若干不同的专业都建立了虚拟仿真实验室。

随着物联网时代的来临，物联网的各种应用已经逐渐深入我们的日常生活与工作中。物联网工程专业是近年来的一门新兴专业，《物联网工程设计与实施》是一门综合应用性课程。旨在培养学生对前期专业课程的综合应用能力，物联网的专业特色决定了本课程的教学的复杂性以及对教学方法改革的需求。把虚拟仿真仿真技术应用到应用型人才培养的过程中是必然的趋势。

2.结合虚拟仿真技术对促进教学工作、提高教学质量的作用和意义

《物联网工程设计与实施》是一门开设在学生大三下学期的综合应用性课程，是学生学以致用的关键一课。物联网本身的应用场景是非常丰富多样的，通过仿真技术将物联网现场情景与传统教学手段相结合，利用三维物联网应用平台、VR增强虚拟场景平台、桌面式虚拟仿真平台，将虚拟场景及虚拟设备与现用专业教学平台知识体系相连接，可有效解决教学资源短缺、教学现实情景无法描述、设备昂贵、硬件设备无法全部集成、更新换代频繁、知识抽象理解偏差、教师专业知识把握程度不够、学生的学习积极性低、教学效果差等问题，虚拟仿真教学可帮助学生更加准确、深入地理解与应用物联网技术，在此基础上，亦可拓宽思维，进行物联网应用模型的创新设计。

3.具体研究对象和内容

本项目将以《中国教育现代化2035》等文件精神为指导，更加注重因材施教;更加注重知行合一;更加注重融合发展;更加注重共建共享。发展中国特色世界先进水平的优质教育，实现教育现代化。按照应用型本科的人才培养要求，以就业为导向，根据人工智能学院物联网工程专业的技术领域和职位要求，按照职业资格标准，与行业企业合作，进行课程开发和改革。按照职业能力目标的层次和类型以及专业的特点，遵循学生学习能力培养的基本规律，以真实工作任务及其工作过程为依据，整合优化教学内容，设计教学项目，利用虚拟仿真的优势，实现更高水平的“教、学、做”一体化。在具体的实施过程中，本项目欲根据应用型本科院校在物联网工程专业教学中的实际情况探索出一系列切实可行的虚拟教学方案。研究的重难点如下：

3.1科学分析学生特征以及企业需求

采用问卷调查和访谈的方式对学生的特征与学习需求进行调查与分析。在组织教学内容时，结合应用型本科院校学生的特点以及本专业的最新技术成果、一线工程案例以及企业的需求，借助虚拟仿真技术，构建更加接近现实场景的教学情景，在课堂教学中，将各种先进的教学方法有机结合。提高教学效果。

3.2积极探索，构建虚拟仿真教学模式

打破原有的教学内容和教学模式。与前期专业核心课程教师研讨，如何在项目化教学的每一个项目的各环节中以及虚拟仿真平台中更好的融合专业技术，比如传感器的选型、传感网的选择、配网组网、RFID在不同应用场景的选型、数据处理等环节如何在虚拟仿真平台中体现与应用。并与企业积极沟通，提出需求，探索出虚拟仿真教学在本课程中的最佳应用方法。

3.3校企合作，共建更高水平的实验实训基地与专业实验室和实验平台

应用型本科的教学水平的提高离不开高水平的教学条件和教学设备的支持。加强校企合作，共建符合物联网工程专业培养目标以及《物联网工程设计与实施》课程目标的虚拟仿真实验室，完善已有的教学仿真平台。

3.4不断完善课程内容，打造合理的虚拟教学环境

教师在教学的过程中，结合课程内容与教学目标，以学生为课堂主体，在教学中，根据技术的发展更新、学生的反馈、学生的学习效果不断改进教学方法，完善教学内容。

4.研究拟达到的目标

4.1实现物联网核心专业课的真正融合

物联网工程专业涉及到的领域比较多，从底层硬件到中间的短距离以及长距离无线通信，再到上层软件系统、云计算、大数据都会涉及。物联网工程设计与实施课程开设在大三下学期，所有的专业核心课程结束之后。通过本课程改革，也是对前期核心专业课进一步整合的一个必须的过程，拟结合虚拟仿真平台实现物联网核心专业课程的真正融合。只有进行课程融合，让物联网的三个层面协同工作，才能创建一个真正全面和有效的互操作性框架，该框架从一开始就可以从物联网生态系统中提供有用的数据分析，并能够有效延伸和扩展。

4.2实现学生对物联网技术的真正应用

本专业涉及软硬件课程较多，学生在学习过程中难免疑惑，或者无法精学每一门课程，导致综合应用时遇到问题。拟通过虚拟仿真平台在教学时通过丰富的仿真场景加深学生对本专业技术的理解，加强对技术融合的操作，简化已学过的具体设备的使用。在实验时可通过分组协作的方式，加强学生之间的交流，调动学生的自主学习能力，让学生主动探索。通过虚拟仿真平台掌握物联网每个层次之间的联系，掌握各核心技术的使用方法。

4.3促进学生的创新思维

物联网作为一个新兴技术，现已应用于许多的领域，涉及我们生活的衣食住行。物联网也是以需求为导向的。在学生深入理解了物联网的内涵及其技术与层次的基础上，才能发展其创新思维。学生可通过虚拟仿真平台进行更多的，更具体的，具有场景化的仿真设计。让畅想不再只是想象。在大学生创新创业项目以及“互联网+”、赛百特杯等比赛中亦可使用虚拟仿真平台进行初步仿真设计。

4.4促进教师的知识更新和自我提高

科学技术不断进步，高校教师特别是应用型本科的教师更应该实时更新自己的专业知识，不能被时代抛下。要有良好的教学效果，也需要教师不断的提高自我，与时俱进。虚拟仿真平台与课程的融合能够促进教师实时更新教学案例，提高个人技能。与学生共同进步。

5.拟解决的主要问题

5.1专业教学与行业发展脱节问题

物联网相关技术发展速度快、更新换代频繁，相关硬件设备昂贵。物联网从概念到产品、系统出现甚至仅几个月，教学材料与仪器设备跟不上发展。使用虚拟仿真平台，教师及时进行知识更新，不断调整教学方案，拓展仿真平台才可让专业教学与时俱进。

5.2涉及电类多方向课程难以在硬件实验中融合

《物联网工程设计与实施》是一门开设在学生大三第二学期的综合应用性课程，在本课程中需要对前期的其他专业课程进行综合应用，对物联网应用场景进行具体的设计。物联网涵盖一般电类专业多个方向，难度较大，硬件实验条件的限制导致难以在本课程中将多门课程真正融合，因此知识教育的多科性、综合性要求对本课程的教学模式进行调整。在仿真平台中可简化一些专业课中已进行了详细学习的步骤，以课程融合为重点进行学习。比如，在一个无线传感网相关的应用场景中，传感器课程中学过的基本硬件驱动过程可简化，无线传感网课程中学过的传感器之间的通信协议修改可简化，JAVA课程中学过的界面设计可简化或舍去，加强短距离与长距离无线通信的协议转换、底层数据的智慧处理与应用这些在前期课程中没涉及到或者涉及较少的内容的讲解等。以融合为重点，设置教学重难点。

5.3教学现实情景无法描述

物联网工程设计涉及到的应用场景非常地丰富多样。在理论的教学中难以对其现实情境进行准确描述，或多或少会有理解偏差。这一点也严重影响了学生对本专业内涵的理解。引入虚拟现实教学可解决此问题，并激发学生的学习兴趣，加深对专业的理解，激发物联网创新思维。

6.实施计划

2021年9月—2022年6月，结合前期传感器、传感网、RFID、嵌入式系统、JAVA程序设计等专业课程对《物联网工程设计与实施》课程进行具体的分析，设计出对应的教学情境与教学方法。

2022年7月—2023年1月，企业调研，进行虚拟仿真平台应用合作。

2023年2月—2023年6月，在20物联本学生课堂中使用虚拟仿真平台，结合具体的教学过程，边教学，边改进，不断完善教学方案。

2023年7月—2024年1月，根据具体的授课情况作进一步的研究，整理并完成研究成果的发表。

7.本方案的目标与创新点

本方案将虚拟仿真技术与项目化教学的方法相结合，更好的实现了教、学、做一体化，解决了传统的硬件实验教学场景单一、实验设备昂贵、实验设备赶不上技术的发展、硬件调试问题多等问题，并且使用虚拟仿真与融入项目式教学还有助于学生对专业以及课程的理解，激发学生的创新思维。将虚拟仿真技术应用于《物联网工程设计与实施》课程教学中，克服了时间与空间上的限制，使学生的专业技能有效提升。

本方案的研究成果可以推广到其他类似应用性课程的教学中，可扩展性强，可以根据课程的需要以及社会相关技术以及应用的发展灵活增加教学情境。

8.本方案解决教学问题拟采取的主要方法

本方案拟以武汉工商学院20级物联网工程专业为主要研究对象，在《物联网工程设计与实施》课堂教学中系统地使用虚拟仿真教学，并将虚拟仿真教学与其他教学方法有机结合，比如OBE，翻转课堂，项目化教学等教学方法和理念，在虚拟仿真丰富的教学情景中加强学生的体验式学习，把学生的被动式学习转换为主动学习。最后结合学生学习过程中出现的问题和教学效果的反馈，对教学方法进行逐步完善，形成一套针对此类综合性应用课程的完善的教学方法。

9.已开展的相关研究及成果

本方案执行初期已经对学生学习特点做了初步的问卷调查，对企业的需求做出了调研。在课堂教学中已经在尝试使用虚拟仿真平台教学。申请并获批了教育部产学研协同育人合作项目《基于人工智能科研平台的实践条件建设项目》。

本校人工智能学院目前有多家校企合作企业，由企业可提供基本的虚拟仿真教学平台。学校也计划根据产学研协同育人项目建立专门的虚拟仿真实验室。

在启动本文之前，仅在2019-2020学年第二学期的在线课堂教学中使用过一次虚拟仿真平台，取得较好的效果，但该平台功能有限，教师相关的实践经验也有限。

因此计划在20级物联网工程学生的课程教学中，使用虚拟仿真平台教学，尽量拓展平台功能。使学生能在进行物联网系统设计的每个环节、每个层次中都对前期的专业知识进行一定的应用。教师结合学生的学习情况、出现的问题以及对教学效果的反馈来对教学方法不断改善。最后达到虚拟仿真技术与本课程的完整融合。

作者简介：陈瑶（1986—），女，汉族，湖北武汉，硕士，武汉工商学院讲师，研究方向：无线传感网。

课题项目：武汉工商学院校级科研项目;课题名称：消火栓监测系统设计与实现;课题编号：A2018011。

课题项目：教育部高教司红亚科技产学合作协同育人项目;课题名称：基于人工智能科研平台的实践条件建设项目;课题编号：201802046044。