吳響+胡俊峰+俞嘯+王換換

摘要：依托GPL（GNU General Public License，通用性公開許可證）開源軟件，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬技術(shù)等信息手段構(gòu)建與醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系高度結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺；平臺符合物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)，感知層與傳輸層對硬件進(jìn)行虛擬，應(yīng)用層引入GPL開源軟件系統(tǒng)，打通三層之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和分析為一體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。通過構(gòu)建這一特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究，探索和實(shí)踐有利于醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺已在徐州醫(yī)科大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用并取得良好的教學(xué)效果。

G642；TN929.5-4；TP391.44-4

一、引言

2009年，溫總理在考察無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院時(shí)提出“感知中國”概念。2010年初，政府工作報(bào)告中明確將“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展任務(wù)。同年，教育部下達(dá)高?？梢陨陥?bào)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)[1]。作為一個(gè)起步階段的新專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在專業(yè)課開設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生實(shí)踐等教學(xué)模式上還處于探索階段，許多高校在開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程方面沒有足夠完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，存在實(shí)驗(yàn)器材不夠先進(jìn)、跟不上教學(xué)水平等問題，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。此外，醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)還具有其特殊性，要求實(shí)驗(yàn)條件具備HIS、LIS、PACS等醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)來支撐物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)踐技能培養(yǎng)，在實(shí)際教學(xué)過程中，由于各類醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)價(jià)格昂貴、可擴(kuò)展性較差等因素，不利于實(shí)驗(yàn)課程的開展。

因此，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件不足的情況下，徐州醫(yī)科大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)借助虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)了一套基于GPL開源軟件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺具有良好的開放性、擴(kuò)展性和交互性，教師可以在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行線上教學(xué)活動，學(xué)生完全不受時(shí)間和地域的限制就可以進(jìn)入虛擬環(huán)境開展學(xué)習(xí)[3]。在實(shí)際的實(shí)施過程中，形成了分層次、模塊化的虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)課程體系，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校資源的優(yōu)化配置與開放共享，有利于科研成果向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化，為高水平本科生培養(yǎng)和創(chuàng)新能力塑造打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)方案

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層虛擬節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)通過Zigbee、藍(lán)牙等形式傳輸至虛擬智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，虛擬網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至搭建的應(yīng)用層開源系統(tǒng)軟件[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺體系架構(gòu)如圖1所示。

平臺可以實(shí)現(xiàn)移動終端、PC機(jī)等多種設(shè)備通過Internet或VPN撥號方式登錄前端服務(wù)器。在前端服務(wù)器中，提供各種基礎(chǔ)服務(wù)器，包括Web服務(wù)器、VPN服務(wù)器、FTP服務(wù)器、開源HIS系統(tǒng)服務(wù)器、開源LIS系統(tǒng)服務(wù)器等。由于HIS，LIS等應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行需要較大的網(wǎng)絡(luò)資源，因此在后端應(yīng)用服務(wù)器中構(gòu)建分布式協(xié)作環(huán)境，通過服務(wù)器分配調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)多機(jī)并行計(jì)算，提高系統(tǒng)整體處理效率。

（二）結(jié)合專業(yè)知識體系對專業(yè)課程進(jìn)行分類

根據(jù)知識類型結(jié)合醫(yī)學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系對專業(yè)課程進(jìn)行分類，并對課程所屬知識類型有針對性的設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)，保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺滿足各課程所需實(shí)驗(yàn)環(huán)境[5]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程分類如圖2所示。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺功能模塊設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺主要實(shí)現(xiàn)：學(xué)生使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；教師能夠利用教師機(jī)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)、組織管理學(xué)生實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上考試和評價(jià)。

功能模塊主要包含：用戶管理模塊：主要實(shí)現(xiàn)對于各種身份用戶的基本信息維護(hù)、管理和權(quán)限分配；學(xué)生模塊：實(shí)現(xiàn)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的各種功能；教師模塊：實(shí)現(xiàn)教師組織實(shí)驗(yàn)、管理學(xué)生的各種功能；管理員模塊：負(fù)責(zé)對學(xué)生、教師以及整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)工作。具體功能模塊組成如圖3所示。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺特色及成效

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建體現(xiàn)了醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)與醫(yī)學(xué)信息技術(shù)的深度融合，平臺具體特色如下：

在設(shè)備利用方面，虛擬設(shè)備成本低，種類全、零損耗，節(jié)省空間，升級維護(hù)簡單，功能全，無需搬運(yùn)，可統(tǒng)一管理和調(diào)配，實(shí)現(xiàn)設(shè)備共享，提高利用率。模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程，減少實(shí)驗(yàn)誤操作帶來的設(shè)備損壞，解決教學(xué)資金、資源緊張的問題[6]。表1為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)缺點(diǎn)對比，體現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)越性。

在實(shí)驗(yàn)組織和管理方面，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)編排管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室24小時(shí)開放，學(xué)生可隨時(shí)隨地參與實(shí)驗(yàn)；教師通過在線輔導(dǎo)和監(jiān)管學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，減少教師的工作強(qiáng)度；整合計(jì)算機(jī)教學(xué)資源、實(shí)現(xiàn)資源共享。

在教學(xué)模式方面，實(shí)現(xiàn)兼顧理論與實(shí)踐，以學(xué)生為主體，課程面授的同時(shí)可通過遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)演示。師生還可不受時(shí)空限制參與實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何設(shè)備”的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建，滿足遠(yuǎn)程教育的需求。

在實(shí)驗(yàn)過程方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺能滿足學(xué)生構(gòu)建任何規(guī)模、任何類型的實(shí)驗(yàn)環(huán)境需求，也為高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、高端醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提供可能，真正實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的綜合性、設(shè)計(jì)性、規(guī)范性、復(fù)雜性和真實(shí)性；通過配置文件的保存、實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，保存過程數(shù)據(jù)，控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)“過程式”實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

在教學(xué)效果方面，突出以學(xué)生為中心，為學(xué)生提供一個(gè)集學(xué)習(xí)、開發(fā)、研究為一體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與計(jì)算機(jī)、教師、學(xué)習(xí)者的“交互式”操作訓(xùn)練；可視化的實(shí)驗(yàn)操作界面，形象直觀，符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)；學(xué)生能夠自行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，充分?jǐn)U展學(xué)生的思維空間和發(fā)揮余地；提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建立提高了學(xué)生實(shí)踐能力，徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)成立已有4年，學(xué)生在學(xué)生競賽方面碩果累累，以第一屆2013級醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)班級為例，班級36人近三年共獲得25個(gè)獎項(xiàng)，其中國家級4項(xiàng)、省級8項(xiàng)、市級5項(xiàng)、院級8項(xiàng)。

四、小結(jié)

醫(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺是對醫(yī)學(xué)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索，平臺通過對硬件的高仿真虛擬，能夠有效改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境、簡化實(shí)驗(yàn)操作、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)規(guī)模、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程、提升實(shí)驗(yàn)效率，為學(xué)生們的實(shí)踐實(shí)習(xí)提供了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對GPL開源軟件的首次引入，避免以往應(yīng)用層可用軟件數(shù)量少、種類單一、功能局限的尷尬局面，提供豐富的實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際需要來選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為學(xué)生的的實(shí)踐學(xué)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了有效的平臺支持，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與醫(yī)學(xué)背景的高度結(jié)合，具有巨大的使用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]溫家寶.政府工作報(bào)告[R].北京：第十一屆全國人民代表大會第三次會議，2015，（3）：60-61.

[2]倪志平.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探討[J].科技資訊，2015，13（6）：182.

[3]呂強(qiáng)，高慧敏，吳晨曦等.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（5）：114-117，122.

[4] 高晨.基于短協(xié)議傳輸?shù)尼t(yī)學(xué)物聯(lián)網(wǎng)[J].生命科學(xué)儀器，2013，11（4）：10-13.

[5]施云波，劉泊，楊明極等.多學(xué)科融合構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系的思考[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（4）：108-110，113.

[6]肖迎元，溫顯斌，王法玉等.面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程實(shí)訓(xùn)平臺的構(gòu)建[J].教育教學(xué)論壇，2015，（9）：256-257.