郭占濤 羅印升 巢海遠 諸一琦

摘 要 為解決職業(yè)學校物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓系統(tǒng)缺乏技術(shù)集成性、職業(yè)體驗性和培養(yǎng)師生綜合實踐能力不足等問題，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學團隊研發(fā)了全面支持互聯(lián)應用學習和服務“雙師型”教師培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓系統(tǒng)。系統(tǒng)圍繞解決的問題構(gòu)建了智慧軌道交通、智慧倉儲、智慧社區(qū)、商品信息管理、車輛信息管理、智慧航空物流，六大典型應用領域模塊，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生的課程學習、綜合實訓、創(chuàng)新技能競賽和專業(yè)教師的能力提升訓練等提供了根本保障。

關(guān)鍵詞 職業(yè)學校;物聯(lián)網(wǎng)專業(yè);綜合實訓系統(tǒng);人才培養(yǎng)

中圖分類號 G718.3 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2019）32-0031-04

職業(yè)學校實訓在培養(yǎng)學生實踐應用能力和綜合素質(zhì)方面具有不可替代性。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的基礎網(wǎng)絡應用平臺，職業(yè)學校對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生的綜合實踐能力訓練必不可少。但是在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓系統(tǒng)時，往往存在結(jié)構(gòu)布局和資源配置不盡合理、功能單一、缺乏實際的職業(yè)情景體驗訓練等缺點。為解決這些問題，常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師團隊在持續(xù)的課程教學與實踐項目研究基礎上，通過校企合作建成了滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領域技術(shù)技能人才培養(yǎng)需求，具有技術(shù)先進性、可擴展性的物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓系統(tǒng)。

一、構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓系統(tǒng)的意義

（一）職業(yè)學校培養(yǎng)技術(shù)技能型人才的需要

目前，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系設置呈現(xiàn)的是“大樓模型”，即課程的不斷疊加，學生對課程知識如何綜合應用于實踐項目目標不夠清晰。戴士弘提出的“大樹模型”對改進人才培養(yǎng)過程的認知具有指導作用，“大樹模型是指任何大樹都是由小樹長大的，在小樹長成大樹的過程中，樹根及枝葉是同時生長壯大的”[1]。“大樹模型”強調(diào)學生學習專業(yè)應該像樹一樣整體成長，需要設置綜合實踐項目課程來培養(yǎng)“整樹”。支撐“整樹”培養(yǎng)的實訓系統(tǒng)必須能夠創(chuàng)設實施綜合實訓課程的環(huán)境，即必須創(chuàng)設具有“學習潛力”的（模擬）工作環(huán)境，包括硬件與軟件。實訓系統(tǒng)的工作模式一定程度上決定了實踐教學方式，很大程度上影響著職業(yè)學校的人才培養(yǎng)質(zhì)量，只有科學合理地建設好實訓系統(tǒng)，才能保證新型的專業(yè)課程體系和教學模式得以順利實施。

（二）為學生掌握“萬物互聯(lián)”提供一種解決方案

隨著通信技術(shù)的升級，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用范圍將進一步擴大。物聯(lián)網(wǎng)即“萬物互聯(lián)”，指的是應用場所無處不在，控制對象包羅萬象。因此，職業(yè)學?？v有龐大的實訓工廠也無法匹配其廣泛的應用領域，從而使得選擇合適的載體（平臺或系統(tǒng)）構(gòu)建學習場所變得更加困難。仿真實驗是用另一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要是以硬件來全部或部分地模仿某個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使模仿的系統(tǒng)能像被模仿系統(tǒng)一樣接收同樣的數(shù)據(jù)，執(zhí)行同樣的程序，獲得同樣的結(jié)果。虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)和項目可以有效融合教學內(nèi)容、虛擬實驗設備、教學指導和學生操作，將技術(shù)知識與操作準確、安全、便捷、生動地呈現(xiàn)給學生，以提高學生的認識能力、實踐能力和創(chuàng)新能力[2]。因此，構(gòu)建智慧物流虛擬仿真綜合實訓系統(tǒng)是解決全面學習“萬物互聯(lián)”應用的有效途徑。一方面，智慧物流的控制環(huán)節(jié)盡可能地體現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”的廣泛應用;另一方面，通過虛擬仿真實訓的教學環(huán)境，學生通過互動掌握實驗設計、操作過程和技術(shù)技能，增加互動的隨機性及拓展性;學生參與實驗關(guān)鍵環(huán)節(jié)的方案討論與決策，可以提高綜合設計創(chuàng)新能力[3]。同時，為跟隨未來物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的發(fā)展，我們借鑒“信息高速公路”的理念，已設計開放端口，充分考慮了新技術(shù)的接入渠道。

二、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓系統(tǒng)建設的思路

（一）物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓系統(tǒng)建設的目標

課程建設是專業(yè)建設的核心，是連接“專業(yè)培養(yǎng)什么人才”和“怎么培養(yǎng)專業(yè)人才”之間的紐帶，更是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標的根本途徑。職業(yè)院校課程實施離不開實訓環(huán)節(jié)的支撐，科學建設優(yōu)質(zhì)實訓基地至關(guān)重要。

基于信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）的智能化已經(jīng)擴展到人們生產(chǎn)生活的工作過程和生活環(huán)境中，促進了高度靈活、個性化和數(shù)字化學習模式的誕生，工作崗位重新成為重要的學習場所。學習發(fā)展為學生在（盡量）真實的或智能化模擬工作情境中對工作任務、過程和環(huán)境進行的整體化的感悟和反思。基于工作的學習（Work-Based Learning，WBL）是對應于“工業(yè)4.0”的“課程4.0”的基本特征，變得與傳統(tǒng)的課堂學習同等重要，都是職業(yè)教育課程不可或缺的組成部分[4]。創(chuàng)設具有“學習潛力”的（模擬）工作崗位，一直是職業(yè)教育課程開發(fā)需要解決的關(guān)鍵問題。其中教育者需要不斷反思和解決的問題是：在信息技術(shù)支撐下，如何把復雜工作現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N學習情境？按照什么樣的教學范式去定義教學訓練系統(tǒng)，并確定該平臺包含的學習內(nèi)容和交流方式？[5]

我們開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓系統(tǒng)技術(shù)先進、數(shù)據(jù)真實，采用硬件仿真，其物理設備設施模仿現(xiàn)實物流環(huán)節(jié)的工作對象，工作方式模擬物流環(huán)節(jié)運作，以實現(xiàn)模仿的系統(tǒng)能像被模仿的系統(tǒng)一樣接受同樣的數(shù)據(jù)，執(zhí)行同樣的程序，獲得逼真的結(jié)果。學習環(huán)境將專業(yè)知識與職業(yè)技能嵌入到以智慧物流為主題的物聯(lián)網(wǎng)仿真實訓系統(tǒng)，解決了當前學生學習物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識缺乏實際的職業(yè)情景體驗，缺乏全面整合物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)的平臺等問題。教師可以通過網(wǎng)絡化的仿真實訓系統(tǒng)發(fā)布教學任務，組織學生完成理實一體化的項目，使學生可以在實踐訓練中體驗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)實環(huán)境中的應用。

（二）物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓系統(tǒng)的構(gòu)建

確立物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)目標。根據(jù)江蘇區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展需求，將物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)目標定位為培養(yǎng)為社會主義現(xiàn)代化建設服務，有社會責任感和敬業(yè)精神、規(guī)范意識和創(chuàng)新思維、進取意愿和合作能力，具備信息技術(shù)應用與物聯(lián)網(wǎng)設備安裝、系統(tǒng)調(diào)試、工程實施、系統(tǒng)運維與管理能力的應用型、發(fā)展型、創(chuàng)新型技術(shù)技能人才。

依據(jù)專業(yè)目標與需求構(gòu)建仿真實訓系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)融合了電子科學與技術(shù)、計算機科學與技術(shù)及控制科學與工程等多學科專業(yè)知識。其專業(yè)課程涉及的知識面寬廣，能力素質(zhì)要求較高。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程設置應該緊密結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)，充分考慮課程教學模式、教學目標與內(nèi)容、知識的深度與廣度等因素，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)目標并結(jié)合學生特點進行綜合設計與規(guī)劃。系統(tǒng)通過整合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識服務于人才培養(yǎng)，通過仿真智慧物流工作模式解決了創(chuàng)設具有“學習潛力”的模擬工作崗位的問題，實現(xiàn)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線。學校采用“技術(shù)需求→設計開發(fā)→拓展應用→反饋改進→再完善開發(fā)”的反復循環(huán)模式的技術(shù)路線。研發(fā)過程是一個不斷改進完善的過程，也是豐富其內(nèi)涵，拓展其應用價值的過程。通過校企合作完善改進硬件系統(tǒng)，開發(fā)適合理實一體化教學的教學任務書、項目課題等教學資源，研究教學方法，創(chuàng)新培養(yǎng)模式，注重培養(yǎng)學生物聯(lián)網(wǎng)項目的集成開發(fā)與應用能力，培養(yǎng)學生“全面”的工作能力。

三、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓系統(tǒng)建設的內(nèi)容

該實訓系統(tǒng)具有強大的交互功能，師生可以通過系統(tǒng)“標準工作模式”真實感受物聯(lián)網(wǎng)的智慧應用，通過“創(chuàng)新工作模式”設置方案實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)“萬物互聯(lián)”的無限廣泛應用，在有趣且看得見結(jié)果的應用過程中讓學生樂學、好學、會學，學會相關(guān)知識、技術(shù)與技能。系統(tǒng)將學生在書本中學到的知識與可視化的模型有機結(jié)合起來，形成“真實”的職業(yè)場景，充分實現(xiàn)互動式教學體驗。通過豐富多樣的教學方式，激發(fā)學生的興趣，鍛煉學生的動手能力，發(fā)展學生的創(chuàng)新潛能。

物聯(lián)網(wǎng)智能仿真系統(tǒng)模擬微觀的智慧物流系統(tǒng)，包含智慧軌道交通、智慧倉儲、智慧社區(qū)、商品信息管理、車輛信息管理、智慧航空物流六個模塊。各模塊主要功能如下：

智慧軌道交通模塊。檢測噪音，仿真高鐵模型在進入隧道的時候，聲音被隧道內(nèi)的聲音傳感器采集并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上，數(shù)據(jù)為真實的動態(tài)變化數(shù)值，學生可以感受到聲音的變化被采集的過程。檢測車速，通過在隧道的始末段設置速度傳感器對仿真高鐵速度進行采集計算（放大100倍）并傳輸?shù)斤@示屏，教師和學生可以調(diào)節(jié)小火車速度并通過顯示屏數(shù)據(jù)和小火車狀態(tài)真實感受到速度的變化。光照感應，隧道內(nèi)外存在著光照度差異，在小火車上設置光傳感器，小火車在進入隧道前后會對光照度的不同產(chǎn)生反應并實時傳輸?shù)斤@示大屏，隧道內(nèi)設置微型攝像頭捕捉小火車進入隧道前后對光照影響的反應。

智慧倉儲模塊。智慧倉儲模塊的教學重點是讓學生了解智慧倉儲的實際應用，了解立體庫位的運行原理，學生可以自行操作編輯相關(guān)模擬貨物的存儲和提取信息，并通過自動化小車的運行來驗證數(shù)據(jù)正確與否。學生可以自主編輯貨物存取的立體坐標信息，并發(fā)送給軌道小車，執(zhí)行程序觀看效果。小車在運行到指定位置后停住，對應位置的立體庫位對應的點位黃色燈光閃爍，示意裝車卸車正在執(zhí)行，完畢后點位燈光綠燈常亮表示位置空置，可以進行下次存儲，點位燈光紅燈常亮表示位置滿倉。

智慧社區(qū)模塊。智慧社區(qū)管理主要設置遠程抄表與智能井蓋兩項管理任務。遠程抄表體現(xiàn)NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧生活方面的應用，通過模擬社區(qū)內(nèi)水表、電表、燃氣表等運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，學生可以在教學現(xiàn)場獲得儀表遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，讓學生充分理解窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠程抄表的應用。智能井蓋可演示它的防盜功能、定位功能、液位報警功能，學生對模擬井蓋進行移位時和對井蓋下方的液位進行灌注時，信息都會被反饋到顯示屏上。整個智慧社區(qū)設置數(shù)個小黃車點位，在大的顯示屏上構(gòu)建一幅虛擬的社區(qū)點位地圖，小黃車可以在不同點位之間相互交互。

商品信息化管理模塊。商品信息化管理主要掌握RFID的實際應用，所有商品進行標簽管理，標簽信息學生可以自己錄入和更改。模擬超市設置了一進一出兩套標簽讀寫系統(tǒng)，一套為商品入庫，一套為商品出庫，具備對超市內(nèi)所有貨物批量盤點的功能?；诖?，學生可以充分感受到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給人們工作帶來的方便。學生通過對商品信息化管理模塊的學習，能夠做到對實驗室資產(chǎn)的信息化管理。

智慧停車場模塊。本模塊主要通過智慧停車系統(tǒng)讓學生熟悉車輛管理在日常生活中的應用，通過車輛進出管理、車牌識別與設置了解圖像識別與數(shù)據(jù)庫應用等課程知識。學生通過對智慧停車場模塊的學習，會對實訓樓地下停車場的在冊車輛進行信息添加、刪減等操作，能根據(jù)要求調(diào)整收費標準等任務。為安全運作，設置標準工作模式，完成數(shù)據(jù)恢復復位。

智慧航空物流模塊。特殊商品，如貴重食品藥品、鮮活貨物和精密儀器等，對運輸時間、物理環(huán)境和安全要求等都有嚴格的標準，航空運輸可以確保迅捷、安全、準時的交付貨物。航空運輸模塊模擬特殊商品的運輸流通管理過程，特殊商品在空運過程中會嚴格記錄商品的倉儲、運輸點，并實時監(jiān)測商品存放點的物理環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、光照度等）。本模塊用寫入標簽的試管模擬疫苗，投放到高速模擬飛機運送，中間設置溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器，能如實記錄“疫苗”沿途的環(huán)境溫度、濕度、光照度，并上傳客戶（教師）手機供查詢，實現(xiàn)“出產(chǎn)有記錄、過程留痕跡”的追蹤溯源。傳感器的數(shù)據(jù)直接傳輸至實驗室大屏，教師可以比對實驗室大屏數(shù)據(jù)與手機接收數(shù)據(jù)是否一致，要求學生（商家）不能私自更改商品信息，以培養(yǎng)學生誠實守信的職業(yè)道德。

四、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓系統(tǒng)使用成效

該實訓系統(tǒng)的建設與運行使得本專業(yè)課教師得到很好的理實一體化實踐鍛煉，同時也為學生課程實訓、畢業(yè)設計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能競賽、師生技能大賽和教師課堂教學大賽等提供了實踐平臺。系統(tǒng)支撐物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡層和應用層的各類實驗實訓要求，能根據(jù)實訓內(nèi)容隨時擴展升級模塊功能。目前，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程《單片機原理與應用》《無線傳感網(wǎng)組建》《感知識別與自動化技術(shù)》等均已經(jīng)在該系統(tǒng)上完成綜合實訓。整體化理實一體的課程設計，學生不但學習到專業(yè)知識技能，而且能夠在復雜的工作過程中獲得職業(yè)認知。通過在系統(tǒng)的單元模塊中巧妙設計具有“學習潛力”的模擬工作任務，學生能夠?qū)嶒炇屹Y產(chǎn)進行管理，對學校停車場進行管理。已有30余位學生的畢業(yè)設計在物聯(lián)網(wǎng)實訓系統(tǒng)上完成數(shù)據(jù)采集和功能模擬控制，對“整樹”培養(yǎng)學生綜合實踐能力提供了根本保障。在課外，學生志愿組成興趣小組進行中小規(guī)模的綜合項目設計并測試運行，體驗真實的項目成果，不斷積累形成了應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的知識遷移能力。依托該實訓系統(tǒng)孵化完成的《物聯(lián)網(wǎng)考生身份識別系統(tǒng)》《人體跌倒檢測》等實踐創(chuàng)新訓練項目獲得省市創(chuàng)新大賽佳績。2018年投入使用至今，已為學校參加“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用與維護”和“智能家居安裝與維護”兩項技能大賽培養(yǎng)訓練了一大批技能優(yōu)才，師生合計取得國賽二等獎以上2項，省賽一等獎3項，成效顯著。在主持和研發(fā)系統(tǒng)的過程中，系統(tǒng)建設負責人被評為2018年度“常州市龍城十佳雙師型教師”。

參 考 文 獻

[1]戴士弘. 職教院校整體教改[M].北京：清華大學出版社，2012：138-141.

[2]劉瓊，張韋深，龍?zhí)斐危? 對虛擬仿真實驗室建設的再認識——基于“第三屆高等學校國家級實驗教學示范中心建設研討會暨虛擬仿真技術(shù)與教學資源建設論壇”[J].中國醫(yī)學教育技術(shù)，2017（2）：162-165.

[3]張煒，崔瑾，成丹. 農(nóng)業(yè)生物學虛擬仿真實驗教學資源建設[J]. 高校生物學教學研究，2015（1）：51-56.

[4]趙志群. 我國職業(yè)教育課程模式的發(fā)展[J]. 職教論壇，2018（1）：52-57.

[5]趙志群. 支撐工業(yè)4.0的職業(yè)教育課程建設[J]. 江蘇職教，2019（4）：29-33.