医学院校物联网工程专业虚拟仿真实验教学体系建设与实践

王竞，吴响，黄怡鹤，胡俊峰

摘 要：针对医学院校物联网工程专业实验教学中出现的共性问题，徐州医科大学采用“虚实结合”的教学理念构建物联网工程专业虚拟仿真实验教学体系。结合网络技术、虚拟技术、多媒体技术等信息化手段在自主研发的MNSS（Medical Network System Simulator，医学网络系统仿真软件）基础上建设虚拟仿真教学平台，形成“模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系。在建设这一特色虚拟仿真教学体系的过程中，探索医学院校物联网工程专业创新复合型人才培养的教学模式和方法。同时，该教学体系的建设为医学院校物联网工程专业大学生创新和实践能力的培养开辟了新的路径。

关键词：虚拟教学；教学体系；创新创业

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）21-0035-03

Abstract： Xuzhou Medical University establishes the virtual simulation experiment teaching system to deal with some common problems aroused in the experiment teaching activities of Internet of Things engineering. Based on the Medical Network System Simulator（MNSS）， virtual simulation teaching platform is established by combining the network technology， virtual technology， mass media technology and other information methods. And virtual simulation experiment teaching system is formed. In the process， we actively explore the teaching pattern and teaching method of all-round talents of the internet of things engineering in medical college. At the same time， the teaching system will explore a new path to cultivate innovative and practical ability of students from internet of things engineering.

Keywords： virtual teaching； the teaching system； innovation and entrepreneurship

一、概述

2009年伴随着“感知中国”概念的提出，物联网被认为是世界下一次信息技术浪潮和新的经济引擎[1]。徐州医科大学物联网工程专业的培养目标是面向国家战略性新兴物联网产业，立足于医疗卫生领域，在宽口径专业基础教学的基础上，注重培养学生医疗信息采集技术、数据通信技术、传感技术、网络技术、RFID技术、嵌入式系统技术的理论知识和实践技能，在物联网领域内着重培养具有医学背景的物联网系统设计、应用、研究和开发的复合型高级技术人才。作为一个仍处于起步阶段的新专业，物联网工程专业在专业课开设、实验教学设计、学生考核评价等教学模式上还处于探索建设阶段。尤其是培养过程中需要考虑医学背景，使其实验教学体系的建设更加困难。具体而言，在实验教学过程中存在以下问题：

1. 实验设备欠缺的问题明显。学生培养中需要使用的路由器、交换机等网络设备数量种类繁多，造价昂贵，例如：一台CISCO 2900系列路由器需要5000元左右，一台CISCO 3800系列路由器更要上万元。同时，网络拓扑的搭建需要多台设备才能完成互联实验，最简单的网络路由交换实验也至少需要两台以上路由器，通过购买上百台的实验设备满足教学需要显然不切实际。此外，学生培养中使用的各类医学信息系统价格昂贵，种类繁多，扩展性差，无法直接引入到实验教学，导致学生无法对医院网络架构进行仿真实验。

2. 相关教材欠缺的问题明显。学生所学课程与医学特色难以挂钩，信息类与医学类课程的分离使得医学院校物联网工程专业学生在相关部门就业时出现对网络设备与各种医院信息系统不了解、不熟悉的情况，出现了教学与就业的断层现象。

3. 考核方式不配套的问题显著。医学院校物联网工程专业的传统考核方式通常是笔试，部分注重理论学习的学生通过短时间的死记硬背就能出成绩，难以考察学生的实际动手能力，更难以提高学生的实践操作能力和自主创新能力。

因此，在现有实验条件不足、相关教材缺乏与考核方式不配套等困境下，徐州医科大学物联网工程专业借助网络技术、虚拟技术、多媒体技术，在多款开源软件的基础上自主研发了具有医学专业特色的虛拟仿真教学软件MNSS，并在此基础上构建了一套“模块化、层次化、多元化”的实验教学体系[2]。该实验教学体系的建设不仅有助于学生对医院信息系统相关知识的深入了解和掌握，培养实践技能，提高自主创新能力[3]，而且可以使学生在教学过程中熟悉医院信息系统网络架构，为实习实践中的相关技能培养打下夯实基础，为高水平本科生培养和实践创新能力的塑造提供有力的支撑和保障。

二、基于MNSS虚拟仿真教学平台的实验教学体系

（一）虚拟仿真实验教学的教学理念

紧密结合医学院校物联网工程专业实践性强、工程能力培养要求高的专业特点，仿真教学平台建设始终坚持“虚实结合”的理念[4]，坚持“理论教学和实验教学相结合、虚拟仿真和真实实验相结合”的原则，以“实”为要求，以“虚”为工具，用“虚”的理论知识来增强与实践动手操作的联系，以“实”的仿真实践来提高学生解决处理实际问题的能力。通过仿真教学平台进行交互性仿真实验使其成为理论和实践教学的重要补充和有效的辅助手段，从而最大限度地提高学生的工程素养和操作能力。

（二）虚拟仿真实验教学的教学特色

1. 模块化

（1）“理论教学”模块主要针对的是理论教学，将教学中抽象的难点知识和演示性实验内容仿真虚拟为可视化的对象，加深了学生对医学信息网络架构基本概念和基础理论知识的理解，达到了学生对知识直观理解的教学目标，取得了良好的教学效果。

（2）“案例仿真”模块主要针对医院信息系统网络架构的仿真模拟，通过在虚拟教学平台中再现大型三甲医院信息系统网络架构，使学生理解所学知识的实用性，从而调动学生的学习积极性，强化训练学生实际的动手实践操作能力。

（3）“科研活动”模块主要结合教师科研项目和各类竞赛项目，学生通过参与相关的项目内容，使学生获得科研方法和学习技能方面的锻炼。

2. 层次化

（1）“教学实验”层次主要是实验案例，让学生了解医院信息系统网络架构的搭建配置和一些常见问题的解决方法，使学生对医院网络架构有整体了解。

（2）“仿真实验”层次主要是仿真案例，学生通过虚拟仿真教学平台自由搭建医院网络架构，培养学生自主创新意识。

（3）“创新实验”层次主要是面向学科的发展前沿，让部分有兴趣继续发展深造的学生参与科研项目，将其研究成果转化为虚拟仿真实验教学资源。

3. 多元化

（1）教学内容多元化。该虚拟仿真教学体系融合医学信息系统和网络通信两方面内容，进行学科的融合，使得学生对所学知识有更深层次的了解和整体的把控。

（2）学习方式多元化。课堂上学生分组进行合作交流，在教师的指导下进行思考与探究，课堂外学生可以通过该虚拟仿真教学软件下载相关教学资源进行自主学习。

（3）评价模式多元化。评价模式包括学生互评、学生自评、学生评教、教师评学等，体现评价主体的多元化，既可以使学生在评价过程中相互学习，自我反思，又避免评价结果的主观倾向，有利于形成开放、民主的学习氛围，促进师生的共同进步。

（三）虚拟仿真实验教学的实现方法

依托徐州医科大学自主研发的MNSS虚拟仿真教学软件，结合网络技术、虚拟技术、多媒体技术等信息化手段构建具有医学院校专业特色的物联网工程专业的教学体系。

1. 虚拟仿真实验软件简介

MNSS是一款可以运行在多平台（包括Windows， Linux， and Mac OS等）的医学网络系统虚拟仿真教学软件。该软件整合了思科开源网络模拟软件GNS3和各个知名的开源医学信息系统（GNU Health，OpenSourcePACS，OpenLIS等），为学习、构建、设计和测试医院信息网络虚拟环境提供统一的实践平台。MNSS提供了一个简单的方法来设计和建造任何规模的网络架构，而不需要硬件设备。将医学网络系统仿真教学平台的功能模块分为四个部分，分别为网络传输模块、网络安全模块、医院信息系统模块和终端模块。并且在建设过程中，通过扩展模块的方式来增添和更新已有模块，从而增强模块的功能。其中网络传输模块包括可使用的各种传输设备，如路由器、交换机等；网络安全模块主要包括提供网络安全的设备，如传统的防火墙设备等；医院信息系统模块包含了开源的医院信息系统，如主流的HIS，LIS，PACS等；终端模块包括Windows终端、Linux终端等。通过这些模块，学生可以对医院信息网络架构进行仿真实验，充分将理论知识与实践动手能力相结合。医学网络系统仿真软件MNSS的主界面如图1所示。

2. 虚拟仿真实验软件的优点

（1）提供大量的医学网络仿真相关设备。包括：路由器、交换机、服务器、主机终端和连接线等。

（2）经济性。网络设备价格偏高一直是计算机网络实验难以开展的一个重要原因。通过MNSS仿真软件，可基于现有的计算机实验室，通过云端提供的网络设备镜像为学生提供课程学习相关的模拟实验环境。

（3）真实性。无论网络设备还是医学信息系统都采用的是真实的系统，而不是模拟，因此，MNSS可以再现一个真实的网络，体现了“能实不虚”的设计理念。

（4）具有图形化的操作界面。可视化的界面设计使得初学者很容易上手，学生可以自己绘制拓扑图进行仿真实验，其人性化的设计提高了学生的主观能动性与学习积极性。

（5）方便的交互体系。MNSS的用户交流功能使得在教学过程中，教师可通过软件与学生进行交流互动，增强了师生互动和教学效果。

3. 虚拟仿真实验软件在教学中的使用

首先，在理论教学中，教师可结合MNSS模拟软件设计教学案例，通过教学案例的演示引入相关的知识点，从而调动学生的学习兴趣，更促进了学生的直观理解，让学生摆脱枯燥的理论知识所带来的厌烦情绪。

其次，MNSS可为学生提供便捷的实验仿真平台。MNSS操作简单，用户体系的加入使得教师可以布置作业给学生，即使没有计算机实验室，单靠一台个人电脑，学生也可以独自完成各种仿真实验。

最后，MNSS的引入可使传统的考核方式发生变革。传统的计算机网络课程的考核方式常常是理论考试，学生仅靠死记硬背，不能完全检查学生的掌握程度，并且对于医学院校的学生来说，缺乏专业的相关性，学生毕业后进入工作岗位难以直接应用于实践。通过引入MNSS，考核方式可采取笔试加上机试的方式，学生通过笔试完成理论考核，通过该软件完成实验考核。

三、结束语

徐州医科大学虚拟仿真实验教学体系建设依托虚拟仿真软件MNSS，以培养大学生自主创新精神和工程实践能力为目标，引入虚拟技术、仿真技术、多媒体技术，探索“模块化、层次化、多元化”的教学模式，从教学方法和手段上突破传统模式，实现实验仿真案例的模式互动教学；与此同时，注重学生自主性和创新性培养，在我校物联网工程专业人才队伍建设的道路上迈出了重要的一步，为学生的實践学习和实习就业提供了有效的教学平台，实现了物联网实验设计和医学背景的高度融合，取得了较好的实验教学效果。

参考文献：

[1]温家宝.政府工作报告[R].北京：第十一届全国人民代表大会第三次会议，2015（3）：60-61.

[2]马文顶，吴作武，万志军，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31（9）：14-18.

[3]郑春龙，邵红艳.以创新实践能力培养为目标的高校实践教学体系的构建与实施[J].中国高教研究，2007（4）：85-86.

[4]吴响，刘菁，蒋璐.面向医院环境的网络仿真平台的设计与实现[J].中国新技术新产品，2012（15）：21.

[5]朱宗奎.地质专业虚拟仿真实验教学平台建设探析[J].高教学刊，2016（20）：54-55.

[6]吴响，胡俊峰，俞啸，等.基于GPL开源软件的医学院校物联网工程专业实验教学改革研究[J].课程教育研究：新教师教学，2016（31）.

[7]刘雪岭，王悦.流体力学课程虚拟仿真教学资源库平台开发[J].高教学刊，2017（04）：76-77.