杨艳华 普园媛 常 俊 刘宏杰 周永录
(1. 云南大学 信息学院， 昆明 650500)(2. 云南省高校物联网技术及应用重点实验室， 昆明 650500)
随着经济社会发展进入新的阶段，对高等教育人才培养质量提出了新的要求，需要高校输送满足要求的创新型、复合型、应用型高素质人才。实验教学是大学生实践能力培养的主要方式，然而实验教学往往需要具备一定的空间、时间和设备条件，实验开展可能还会产生较大的成本损耗，因此，对于不太具备条件或较难开展的实验课程比较适合采用虚拟仿真方式来进行。虚拟仿真实验是传统实验教学的一种有效补充，能够达到良好的互动性、情境性和沉浸性，已经成为加强实践教学、提高实验教学质量的重要手段[1]。教育部高度重视虚拟仿真实验项目和课程建设，2017年正式提出虚拟仿真实验教学项目建设规划，计划从2017年到2020年认定1000项左右的示范性虚拟仿真实验教学项目，涵盖理、工、农、医、文学、体育、艺术等共60个学科类别[2]。2018年5月31日教育部公布了首批国家虚拟仿真实验教学项目认定结果，共有105个项目得到认定，2019年10月，教育部发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》，明确提出经过三年左右时间，建成万门左右国家级一流本科课程和万门左右省级一流本科课程(即一流本科课程“双万计划”)，国家级虚拟仿真实验教学项目被纳入一流课程建设范畴。
一流课程建设坚持分类建设、扶强扶特和“两性一度”的基本原则，“两性一度”指的是提升课程的高阶性、突出课程的创新性和增加课程的挑战度，是课程建设高质量的保证。相比其他类别一流课程，虚拟仿真实验课程有自身的特点，主要体现在以下几方面：一是虚拟仿真实验需要支持重复多次开展实验以及多人同时开展实验，要以软件形式通过网络共享，因此本质上是一种专用共享软件；
二是虚拟仿真实验借助较新的技术手段对实体实验进行模拟，需要达到一定的仿真度，课程建设技术上要求较高；
三是虚拟仿真实验课程建设投入较大，需要一定的人力、物力和财力保证才能建设出高质量的实验课程。虚拟仿真实验课程的建设和应用是一个复杂的系统工程，需要先建设再应用，建设完成后对实验内容的修改涉及环节多、工作流程复杂，因此虚拟仿真实验一流课程建设需要进行总体规划，利用软件工程的思想和方法并结合虚拟仿真实验课程的特点对课程建设和教学应用全生命周期进行有效管理。各学科虚拟仿真实验课程具有不同的特点和要求，基于笔者参与完成的云南大学“智能花卉种植物联网系统设计与实现虚拟仿真实验课程”(以下简称“智能花卉物联网虚仿实验”)的课程建设和教学应用实践，重点探讨新工科背景下综合性虚拟仿真实验课程建设和教学应用的共性关键问题，为类似的虚拟仿真实验一流课程建设提供参考。
物联网工程是一个多学科交叉的新工科专业，培养创新型、复合型、应用型高素质人才[3]，注重学生实践能力、工程能力、创新能力的培养，实验和实践教学环节非常重要。在物联网工程专业的实验教学中，在实验室环境下具备开展实验目标有限的实体实验的条件，但是开展大型综合训练类实验就比较困难，而这在专业人才培养环节中又是必不可少的，因此非常有必要建设综合性虚拟仿真实验。在实验室环境下开展综合性物联网实体实验主要存在以下问题和困难：
1)缺少应用场景
物联网技术需要与具体的应用领域相结合才能凸显出其作用，开展综合性实验时往往需要在真实应用场景中进行，然而在学校实验室环境下缺少真实应用场景，影响学生对实验的理解。
2)实验环境搭建困难
物联网系统按感知层、网络层、平台层和应用层进行架构并且各层设备位置分散、距离较远，因此综合性实验环境搭建需要设备多、涉及技术广、需要时间长，受到场地、设备、时间和成本等多方面因素制约，在实验室环境下很难搭建起完整的实验系统环境，即使利用有限条件搭建好实验环境也难以满足大量学生同时开展实验以及重复进行实验的需要，使得学生难以得到设计和实现一个物联网系统全过程的实践过程训练，不能通过进行综合性实验对物联网整体架构和关键技术实现整体、深入的理解。
3)知识连贯性差
物联网学科链较长，涵盖信息感知、汇集、传输、存储、处理、利用以及反馈控制的所有环节，知识点覆盖“嵌入式系统”“计算机网络”“物联网感知技术”“物联网通信技术”“物联网控制技术”“移动应用开发”等多门专业课程，综合性实验一般安排在学生学完大部分专业知识的高年级阶段，目的是使学生通过实验对知识体系进行连贯和应用，然而由于实体实验整体性不足，也缺少有效手段对专业知识进行整理和回顾。综合性虚拟仿真实验可以采用先进的信息技术和仿真技术，实验中通过知识学习、知识问答、实验操作、过程模拟等环节促使学生对物联网全栈知识体系进行整理和回顾，能用文字、图片、动画、视频等多种方式生动展现，开展线上线下混合教学[4]，既能很好地帮助学生重构知识体系，又能使学生对知识进行应用实践[5]。
农业是物联网重要的应用领域[6]，花卉是云南的重要支柱产业，因此实验设计将物联网技术和花卉种植技术相结合，以云南大学信息学院建设完成的玫瑰种植管理物联网实训系统为原型，按照“两性一度”的建设要求和“虚实结合、能实不虚、开放共享”[7]的建设思路进行设计。
2.1 课程内容设计
实验内容涵盖感知层、网络层、平台层和应用层，利用计算机仿真模拟技术高度仿真模拟出实景花卉种植环境，按照工程规范，以智能花卉种植物联网系统设计、实现、应用的全过程为实验主线，构建出一个工程上建设物联网系统全过程的综合性实验。实验过程中穿插知识点学习、单元测试、系统设计、设备认知、设备安装、设备配置、设备调试、交互操作等环节，实验需要构建花卉种植园、物联网设备间和数据中心三个虚拟仿真实验场景模型，其中：花卉种植园场景按照玫瑰花苗、树和花型构建玫瑰花仿真模型，A、B、C、D监测点模型，以及土壤温湿度、土壤pH值、土壤电导率、叶面温湿度、光合有效传感器模型、物联网终端节点、灌溉控制装置、航拍无人机、施肥无人机共9种感知层设备模型；
物联网设备间场景构建物联网网关、路由器、交换机、防火墙、机柜/机架共5种网络层设备模型，传感器、网络、ZigBee、WiFi和Internet共5种连接模型；
数据中心场景构建服务器集群和磁盘阵列2种平台层设备模型，手机、平板电脑和PC共3种应用层设备模型，4个监测点数据、控制操作、参数和报警设置、数据历史曲线共7种软件界面模型。为方便实验者对物联网系统整体结构的理解，实验将物联网按感知层、网络层、平台层和应用层进行明确划分，体现良好的系统结构，图1所示为智能花卉种植物联网系统拓扑结构图。
图1 智能花卉种植物联网系统拓扑结构图
在高阶性方面，实验引入了物联网相关学科的最新发展成果，包括传感网组网、云计算、无人机等技术，拓展实验的深度和广度，坚持知识、能力、素质有机融合[8]。在创新性方面，设计了新颖的从总体认知、局部实现再到整体调试应用的实验过程，实验过程穿插知识学习、知识问答、过程模拟等环节，贯穿工程理念，锻炼学生分析和解决复杂问题的能力和思维[9]。在挑战度方面，实验过程不是进行简单的现象观察，而是包含了设备安装、设备配置、传感网配置、局域网配置、广域网配置、参数设置等大量个性化操作，只有操作正确实验步骤才能往下进行。
2.2 实验任务和实验步骤设计
实验参考实际工程中物联网系统建设过程，从系统组成认知→感知层实现→网络层实现→平台层实现→应用层实现→系统连接→系统联调→系统模拟运行的“总-分-总”的流程设计实验任务和实验步骤，将实验操作划分成8个任务，15个交互性操作步骤。实验步骤目标要求如下：
1)实验任务一：系统组成认知
步骤1：寻找“锦囊妙计”、认知学习与单元测试。在玫瑰园三维场景中找到三个锦囊，通过锦囊对物联网系统四层架构、物联网系统拓扑结构图、玫瑰种植条件进行认知学习，并从题库中随机抽取一道题，要求正确作答。
2)实验任务二：感知层实现
步骤2：感知层认知与单元测试。对土壤温湿度传感器、土壤pH值传感器、土壤电导率传感器、叶面温湿度传感器、光合有效传感器、物联网终端节点、灌溉控制装置、航拍无人机、施肥无人机共9种设备进行认知学习，从题库中随机抽取两道题，要求正确作答。
步骤3：传感器、终端节点及灌溉控制装置安装。在玫瑰园三维场景设定的四个监测点上安装土壤温湿度传感器、土壤pH值传感器、土壤电导率传感器、叶面温湿度传感器、光合有效传感器和终端节点；
在设备间安装灌溉控制装置。
3)实验任务三：网络层实现
步骤4：网络层设备认知与单元测试。对物联网网关、路由器、交换机、防火墙、机柜/机架进行认知学习，对ZigBee、LoRa、NB-IOT、Wi-Fi、蓝牙、5G等通信方式和IP地址进行认知学习，从题库中抽取两道题作答。
步骤5：网络层设备安装、连接与配置。在玫瑰园三维场景设备间安装机柜、物联网网关、路由器等设备并进行连接与配置；
按照要求完成中心机房的防火墙、交换机等网络设备安装、连接与配置。
4)实验任务四：平台层实现
步骤6：平台层设备认知与单元测验。对平台层设备磁盘阵列、服务器集群进行认知学习，对云计算技术、基于大数据的数据挖掘进行认知学习，并从题库中随机抽取两道题，要求正确作答。
步骤7：平台层设备安装、配置，软件模块选择与加载。在数据中心安装平台层设备，包括服务器集群和磁盘阵列，配置服务器，创建正向查找区域、创建反向查找区域对应的名称、建立资源记录等，最后选择添加平台层软件模块进行加载。
5)实验任务五：应用层实现
步骤8：应用层软件界面设置。完成软件界面设置，对监测点数据、控制操作、参数和报警设置、数据历史曲线等界面进行设计配置。
6)实验任务六：系统连接
步骤9：连接传感器与物联网终端节点。选择有线连接，分别将土壤温湿度传感器、土壤pH值传感器、土壤电导率传感器、叶面温湿度传感器、光合有效传感器连接到物联网终端节点。
步骤10：ZigBee原理学习与单元测验。对ZigBee组网原理进行学习，并从题库中随机抽取两道题，要求正确作答。
步骤11：ZigBee协调器、节点网络参数与组网关系配置。完成ZigBee协调器参数配置、节点网络参数与组网关系配置，填写正确的信道号、发射功率、子网掩码等内容。
7)实验任务七：系统联调
步骤12：各感知监测点数据采集调试。对A、B、C、D四个监测点数据进行采集调试。
步骤13：灌溉、无人机航拍及施肥控制调试；
系统运行参数与报警阈值调试；
历史数据曲线生成调试。要求对玫瑰园进行灌溉、航拍、施肥等控制操作调试，对系统运行参数与报警阈值进行设置以及对玫瑰园植物生长环境历史数据曲线进行调试。
8)实验任务八：系统模拟运行
步骤14：应用层软件终端设备选择。选择PC、平板电脑、智能手机等终端设备中的一种作为应用层软件终端设备。
步骤15：灌溉控制和无人机航拍、施肥控制。在系统模拟运行过程中，系统会模拟产生土壤温度过高、叶面温度过高、土壤肥力过低等事件，要求进行灌溉控制和无人机航拍、施肥控制操作。
虚拟仿真实验是专用共享软件，部分实验可能配置专用硬件设备，但是应该尽量少配置专用硬件设备，以便于对外共享应用。虚拟仿真实验开发工作量大，涉及技术广，需要高度模拟仿真真实实验场景，还需要实现实验步骤以及输入输出交互，实验流程中判断和分支较多，开发工作较为复杂，单纯依靠实验课程任课教师难以在短时间内完成，因此，选择了北京润尼尔公司作为技术合作方，共同组建专门的开发团队，遵循软件工程的思想和方法完成软件开发。虚拟仿真实验开发主要包括脚本编写及资料准备、软件开发、应用测试与修改、课程资源和平台功能建设等阶段。
3.1 脚本编写及资料准备阶段
脚本编写是对虚拟仿真实验设计进行细化，目的是让开发人员快速理解虚拟仿真实验的内容，方便后续进一步沟通。脚本没有统一格式，可以采用技术开发公司提供的模板，由实验设计教师来编写。脚本的内容通常包括：实验概述、实验环境、实验总体架构图、实验仪器设备、实验预设参数、实验步骤及实验现象、实验结果、实验考核和评分规则、实验开发参考素材等。脚本是实验开发初期最为重要的文件，需要双方多次充分沟通，力求能尽量表达实验设计者的设计需求。为了提高工作效率，前期可以先编写概要脚本，明确大致的实验流程和模块构成，方便技术人员进行项目评估以安排开发力量，项目启动时对概要脚本进行内容扩充得到详细脚本，详细脚本中必须有实验的详细流程和交互描述，细化到具体的输入和输出。除了编写脚本，实验设计者还需要向技术人员提供实验开发需要的资料，主要是实验开发参考素材，一般包括文字资料、图片、相片、视频等资料。
3.2 软件开发阶段
软件开发主要由技术合作方完成，实验设计方进行配合。虚拟仿真实验软件开发与常规的信息系统软件开发有较大的不同，常规的信息系统软件开发主要考虑的是功能实现和操作便利性，而虚拟仿真实验不仅要实现功能，对实验场景有仿真度要求，实验操作过程要具有较好的趣味性和体验感。虚拟仿真实验基于实验设计者提供的脚本文件和资料进行开发，脚本是实验设计者用文字辅以图片和视频对实验内容的描述，只能是对实验主要流程和内容的描述，细节上很难准确描述，实验模型还存在于想象之中，另外，实验软件的使用者主要不是实验设计者，而是不断变化的学生群体和指导教师，实验内容和操作方法实现需要考虑不同群体的需求，开发人员需要在充分理解脚本内容的基础上，结合实验的实现技术手段进行发挥，不能完全局限于实验设计者提供的脚本。由于以上不确定性，为了降低开发风险，技术人员与实验设计者之间的交流周期要缩短，有问题及时讨论后解决，软件开发阶段主要工作流程如图2所示。
3.3 应用测试与修改阶段
实验软件开发完成，经过技术人员测试排除错误后就可以进行部署和应用测试。由于虚拟仿真实验的特殊性，不仅要进行功能测试和性能测试，还要进行体验度评价，另外由于虚拟仿真实验的使用人员类别较多，需要组织不同的人员来参加应用测试，参与应用测试的人员包括实验设计人员、任课教师、本校教师、本校学生、外校教师、外校学生和虚拟仿真实验领域的资深专家，应用测试的意见经汇总、整理后提供给技术人员，修改后再进行测试，这样集中性的应用测试和修改共进行了三轮，收集了很多修改和完善意见，对实验软件优化起到了较好的帮助作用。应用测试阶段提出的修改意见全部处理完毕之后，虚拟仿真实验才能正式投入应用，图3所示为开发完成的智能花卉物联网虚仿实验的实验场景。
3.4 课程资源和平台功能建设阶段
虚拟仿真实验作为课程进行建设，不能仅仅包括实验部分，还需要配置相应的课程资源，实验还应该部署在专门的平台上进行管理。为了使学生通过实验获得丰富的理论知识和良好的实践练习，智能花卉物联网虚仿实验建立了丰富的课程资源，包括物联网理论知识、专题知识、实验操作手册、教学课件等，学生可在实验预习或实验过程中阅读。此外，实验部署在学校虚拟仿真教学及资源共享平台，平台具有用户管理、实验库管理、实验结果管理、课程资源管理、课程管理等丰富功能，教师可以方便地进行开课、实验过程跟踪、实验批改、实验成绩查询统计、课程资源管理等操作，学生可以方便地进行实验预习、课程资源学习、实验开展、实验报告撰写、实验成绩查询等操作，师生之间可以良好地互动。
智能花卉物联网虚仿实验部署上线后，在云南大学相关专业实验课程教学中进行应用并对外共享，2021年7月经过学校评审后被推荐参加中央高校赛道国家级虚拟仿真实验一流课程申报，在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台(以下简称实验空间)上线对外共享使用。智能花卉物联网虚仿实验的应用方式有两种：一种是以教学班级校内平台开课方式进行应用，包括为本校和兄弟院校提供开课应用；
另一种方式是在实验空间面向社会共享应用。
4.1 校内平台开课情况
依托于云南大学虚拟仿真教学及资源共享平台，智能花卉物联网虚仿实验提供了为本校和外校教学班级开课方式应用实验的功能，可以将实验作为某门实验课程的一次综合性实验，实验布置后学生可以多次开展实验，同时提供了实验前预习、实验后撰写报告等功能。教师可以对实验成绩比例进行设置、进行各环节评分、对实验情况进行分析，实验成绩在整门实验课程成绩中占据一定比例，对课程实体实验起到了很好的补充作用。截至目前，在云南大学虚拟仿真教学及资源共享平台上线后共开课8次，使用学生人数为330人，达到了良好的教学效果，校内开课情况如表1所示。
表1 校内平台开课情况
4.2 实验空间共享应用情况
智能花卉物联网虚仿实验在实验空间平台面向社会共享应用，实验者通过实名注册后就可以免费进行学习和实验，到目前为止，实验使用人数共1198人，其中：实验结果优秀1012人，占81.58%；
达标158人，占14.19%；
不达标28人，占4.23%。实验结束后660人按5分制对实验进行了评分，实验内容、系统操作和支持服务的综合评分都为4.9分，有660人对实验进行了评论留言，绝大部分评论对实验进行了充分的肯定和好评。
虚拟仿真实验一流课程建设是教育部一流本科课程建设的重要组成部分，在新工科背景下综合性虚拟仿真实验课程建设显得尤为重要，解决了实体实验不具备条件的情况下如何开展实验的问题，并且达到或接近真实实体实验的教学效果，有效拓展了实验教学内容的广度和深度，延伸了实验教学的时间和空间[10]，有力地支撑了新工科人才培养，对于提升高校人才培养质量意义重大。“智能花卉物联网虚仿实验课程”建设完成投入使用后，随着技术的发展还要进行持续改进，不断加入最新科研和学科发展成果，打造适应时代发展的虚拟仿真实验精品课程，另外，下一步计划对平台的功能进行完善，提供师生互评、生生互评等交互机制，更好地促进实验课程的共享应用。
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