虚拟仿真实验教学的具体研究内容
针对物联网工程专业人才培养的需求，研究计算机网络、无线网络、RFID标签设计与应用等专业课程，根据相关课程的基础性实验、设计性实验和综合性实验，构建系统、科学的物联网虚拟仿真实验教学体系。此外，通过分析云计算特点，设计基于云计算的物联网虚拟仿真实验教学平台。
基于云计算的物联网虚拟仿真实验教学探索与改革的具体研究内容包括：
1.构建系统、科学的物联网虚拟仿真实验教学体系
物联网专业课程涵盖硬件和软件，如何将软件类实验与硬件类虚拟仿真实验有效的融合是本课题研究的主要内容之一。首先，针对物联网的三层体系架构及核心课程知识点，提出从感知层、网络层、安全层和应用层四个层次将理论基础和应用技术等多门课程相互融合的思路。其次，将课程归属于某相应层次，设计相关课程的基础性实验项目和综合性实验项目，并将这些实验项目贯穿串口通信编程、网络通信和网络协议分析等专业知识，较好地解决物联网系统的应用与开发。最后，按照层次结构研究设计虚拟仿真实验的教学体系，整合教学资源，集中管理与分配资源，以最大限度的发挥虚拟仿真实验课程的效用。
通过对物联网课程的分析研究，我们得到了物联网核心课程知识点间的关系，如图1所示。
图1 物联网核心课程知识点
该体系结构按照物联网的3个层次来对专业课程的实验进行划分，各个层次可独立开展课程相关的基础实训，例如无线传感网络实训、计算机网络实训和服务器配置与管理等实训。另外还可以将各层仿真软件进行互联互通，构成一个端到端全网实验，按照“感知层—网络层—安全层—应用层”四层结构联合组网开展全网综合实训。
（1）感知层—基础型仿真实验课程：包括模拟电子技术、数字电子技术、单片机应用与开发、RFID标签设计与应用、无线传感器网络；
（2）网络层—设计型仿真实验课程：包括计算机网络、网络协议分析、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）组网仿真实验、RFID通信仿真实验、网络接入仿真实验和串口通信仿真实验等；
（3）安全层—研究型仿真实验课程：包括计算机系统安全、网络安全技术概论；
图2 物联网虚拟仿真实验教学体系
（4）应用层—综合型仿真实验课程：包括LINUX操作系统、分布交互仿真技术、云计算技术、移动端应用（Android开发、微信小程序应用开发）、深度学习、物联网的典型应用仿真实验（如智能家居仿真实验、智慧农业仿真实验、智慧上层仿真实验、智慧图书仿真实验等）、物联网系统创新等。结合物联网专业的课程内容，依托层次化的分析方法构建系统、科学的物联网虚拟仿真实验教学体系架构，如图2所示。
2.设计基于云计算的虚拟仿真实验教学平台
在对物联网虚拟仿真实验教学体系深入分析的基础上，设计基于云计算技术的物联网虚拟仿真实验教学平台，对物联网专业提供实验教学支持，根据教学任务的变更进行扩展，在教学内容方面覆盖软、硬件的不同层面，实现在一个平台环境下开设多门课程。整个平台设计为4个层次。(https://www.daowen.com)
（1）云计算平台。云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云计算的“云”是存在于计算机网络中的服务器集群上的资源集合，既包括诸如塔式或刀片式服务器、存储磁阵、交换机、路由器等硬件设备，也包括诸如服务器操作系统、管理软件、虚拟机操作系统、应用软件等软件资源。本地瘦客户端只需要通过计算机网络发送一个请求信息，远端服务器中虚拟机及计算资源会根据请求响应需要的资源并返回到本地客户端，因此本地瘦客户端几乎不需要太多硬件配备，所有的任务处理都在云计算服务器所提供的虚拟机集群中完成。
因此，将云计算平台作为整个虚拟仿真实验教学平台的基础，所有的实验和数据管理全部依赖云计算提供的各项虚拟增强服务。
（2）虚拟仿真平台。该仿真平台中，物联网虚拟仿真实验平台是核心的仿真操作平台，包括实验教学资源管理、实验教学管理、实验教务管理、在线考勤、在线测试、辅助答疑等系统，这些系统都是为虚拟仿真实验做辅助工作，并且这些系统的管理和仿真都依靠该平台进行。
（3）虚拟仿真实验。有了虚拟仿真平台的支持，就可以实现设计好的虚拟仿真实验。通过对物联网虚拟仿真实验体系的分析和构建，我们将物联网仿真实验共分为四大模块，分别是物联网基础实验、物联网综合实验、物联网研究实验、物联网应用创新实验。其中，基础实验系统中可以完成物联网中RFID、传感器等基本技能实验；物联网应用开发教学实验系统中可以依靠虚拟仿真实验平台完成基于Android、C＃、Java的上层物联网应用系统的开发，智慧农业、智能家居、智慧图书3D虚拟仿真实验教学系统、智慧商城等模块搭建了典型的物联网综合应用系统的实践环境，可以帮助学生体验实际物联网的应用场景。
（4）远程访问接口。最上层提供各种智能设备（PC机、笔记本电脑、智能手机等）的远程访问接口，实现随时随地的访问。
融合虚拟仿真技术、云计算的物联网虚拟仿真实验教学平台功能架构如图3所示。
图3 物联网虚拟仿真实验教学平台功能架构
该虚拟仿真实验教学平台以培养学生能力为主线，平台的建设按照工程性原则进行实践教学内容设计，核心是培养学生灵活运用理论知识、知识与技能相结合以及解决物联网工程问题的综合能力。同时考虑到学生的个体差异可以进行分层教学，设计不同层次实训项目。另外，还可以结合学生特点和教师技能水平，开设具有学校特色的自主创新性实验。
在设计物联网虚拟仿真实验平台时，要考虑利用现有的虚拟仿真软件和实验箱等硬件资源。如果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。因此，后期搭建虚拟仿真实验平台时，需综合考虑已有的软硬件资源和教师技能水平。
虚拟仿真实验平台能够方便教师将物联网实验项目带进课堂，在当前疫情没有完全解除的状态下，有效地利用虚拟仿真实验在课堂上进行现场操作和演示，能够使理论知识更加形象、生动，也解决了实验学时不能满足学生实验的难题，使物联网专业相关实验课程的学习不再局限于理论课堂和实验室，在教学时间和空间上拓展了学生对物联网专业相关实验课程的学习范围，为物联网课程的实验教学的开展提供较好的支持。
3.针对改革后的实验内容改变传统单一的实验教学模式，设计丰富多样的教学方法
传统的实验教学模式就是在实验室中老师讲、学生听，形式极为单一。虚拟仿真实验教学的实践意义是极大地丰富了实验内容和实验教学模式。另外，“线上线下混合式”实验教学模式是对平时基础实验的扩展和延伸，而设计“线上线下混合式”实验教学模式和“虚实结合”的实验教学模式，极大的改变和丰富传统的实验教学模式。