基于Packet Tracer的中職物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究

藍(lán)魏

摘 要：文中介紹了思科公司Packet Tracer 7.1的IoE新組件在實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)的作用，及在中職物聯(lián)網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了探討和研究。

關(guān)鍵詞：Packet Tracer；物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；職業(yè)教育

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）08-0-03

0 引 言

2009年8月7日，溫家寶總理在無(wú)錫傳感網(wǎng)工程技術(shù)研究中心視察中指出：在國(guó)家重大科技專項(xiàng)中，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展，盡快建立中國(guó)的傳感信息中心，或稱為“感知中國(guó)”中心[1]。傳感網(wǎng)即物聯(lián)網(wǎng)，被預(yù)言為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[2]。

近幾年，越來(lái)越多的中高職院校都增設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，有些也增加了相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)方面課程；省市教育局等部門也開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)類的相關(guān)項(xiàng)目比賽，如何有效進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)課程的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)問(wèn)題顯得愈加嚴(yán)峻。在物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)方面，老師們普遍發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備較缺乏，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)校采用的都是物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)裝置、智能家居工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、編程實(shí)驗(yàn)箱等成形實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，有的僅讓學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單布線或一些基本編程的操作配置及觀看演示效果。這些實(shí)訓(xùn)設(shè)備不能直觀地演示一些原理問(wèn)題，學(xué)生也只能獲取一點(diǎn)感性的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)知識(shí)，缺少實(shí)際動(dòng)手實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，學(xué)生在進(jìn)行過(guò)一兩次的實(shí)驗(yàn)后就會(huì)很快失去學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)及創(chuàng)新型思維。針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于思科公司的Packet Tracer 7.1實(shí)現(xiàn)中職物聯(lián)網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行探討和研究。

1 中職學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“加強(qiáng)現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，建設(shè)智慧城市”。同時(shí)，國(guó)家加大了對(duì)中等職業(yè)教育的投入，大量示范院校紛紛通過(guò)選拔，進(jìn)入建設(shè)階段。各類學(xué)校為提升專業(yè)建設(shè)水平不斷引進(jìn)專業(yè)人才，購(gòu)置實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方式來(lái)加大投入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)。

中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)企業(yè)所急需的一線應(yīng)用型技術(shù)人才[3]，主要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新的綜合能力。能夠依據(jù)規(guī)范選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)；能設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試應(yīng)用系統(tǒng)；能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理。學(xué)生應(yīng)初步具備計(jì)算機(jī)知識(shí)、電子技術(shù)知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)知識(shí)、傳感器知識(shí)、信息處理知識(shí)、通信知識(shí)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程等基礎(chǔ)知識(shí)，了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸層、傳感層與應(yīng)用層關(guān)鍵設(shè)計(jì)等專業(yè)知識(shí)。在教學(xué)中應(yīng)以工學(xué)結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為依托，重視學(xué)習(xí)與實(shí)際工作的一致性，在課堂中引進(jìn)實(shí)際工作情境，讓學(xué)生感受真實(shí)的工作任務(wù)，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)出實(shí)用性的行業(yè)人才。

各院校在開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)時(shí)都投入了大量的軟硬件資源，但如果辦不下去，會(huì)出現(xiàn)大量的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備閑置。因此，目前很多學(xué)校在建設(shè)實(shí)驗(yàn)室時(shí)猶疑不決，怎樣才能將理論和實(shí)踐更好的結(jié)合，怎樣才能降低投入成本，怎樣才能不受硬件的桎梏，如何提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率，更好地把學(xué)生創(chuàng)造能力和動(dòng)手能力培養(yǎng)起來(lái)是一個(gè)重要課題。

根據(jù)目前物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)在學(xué)校的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，把思科模擬器Packet Tracer引入到課堂中，讓學(xué)生在一個(gè)仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)，這樣就不用考慮硬件故障，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)成本的投資，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的完成效率以及提高學(xué)生的動(dòng)手、創(chuàng)新能力，把學(xué)生培養(yǎng)成為具備理論與實(shí)踐知識(shí)的高素質(zhì)人才，實(shí)際意義上還能提高教師的理論、教研水平。

2 思科模擬器Packet Tracer 7.1的新功能

思科公司免費(fèi)發(fā)布的Packet Tracer 是學(xué)習(xí)思科網(wǎng)絡(luò)課程的一個(gè)仿真模擬器，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境中學(xué)習(xí)組網(wǎng)、配置網(wǎng)絡(luò)、排除網(wǎng)絡(luò)故障。軟件界面圖形化，方便學(xué)生拖曳組件來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中是如何行進(jìn)的，學(xué)生可通過(guò)軟件觀察到詳細(xì)的處理過(guò)程。思科提出IoE概念后就在Packet Tracer 7.1中加入了實(shí)現(xiàn)IoE的各種仿真設(shè)備、編程接口，在新版本中不但可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)也十分方便。這些新加入物聯(lián)網(wǎng)的仿真設(shè)備使物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的直觀性、趣味性和實(shí)用性都得以

提高。

從IoT到IoE，不僅僅是一個(gè)單詞，一個(gè)字母的變化，更是代表人類的認(rèn)知上升到了一個(gè)新的臺(tái)階，開啟一個(gè)全新的萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代。將有數(shù)以萬(wàn)億計(jì)配備智能功能的新設(shè)備，如：家電、個(gè)人穿戴設(shè)備、機(jī)器人、汽車等接入網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用，使人們的生活和城市智能管理方面更加具有網(wǎng)絡(luò)性，也將更加高效地帶動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及智能城市的發(fā)展。第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等新技術(shù)為萬(wàn)物互聯(lián)提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施支撐能力[4]。

思科 Packet Tracer 7.1中增加的新特性和新設(shè)備能針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān)可改成無(wú)線配置、服務(wù)器則增加了新的“虛擬機(jī)管理”及“萬(wàn)物互聯(lián)”選項(xiàng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可直接注冊(cè)到服務(wù)器上、MCU（單片微型計(jì)算機(jī)）、SBC（類似于樹莓派）。把新的IoE設(shè)備分成家庭、智能城市、工業(yè)、電力四大類，基本包括了各種傳感器及智能設(shè)備，另外還有太陽(yáng)能電池板、舊汽車（可用于產(chǎn)生廢氣）、功率計(jì)、溫度傳感器、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器、聲響檢測(cè)器、氣體檢測(cè)器、風(fēng)力檢測(cè)器等，以及各種設(shè)備、傳感器連接的物聯(lián)網(wǎng)專用連接線，在智能設(shè)備配置框中還新增了可用Python，JS，Visual語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的編程選項(xiàng)卡，從而進(jìn)行智能設(shè)備的編程，還新增加了無(wú)線RFID標(biāo)簽傳感器、無(wú)線RFID讀卡器。

為了實(shí)現(xiàn)智能化特性，思科在Packet Tracer 7.1網(wǎng)絡(luò)組件選項(xiàng)中提供了擁有網(wǎng)絡(luò)接口且可連接到服務(wù)器或家族網(wǎng)關(guān)各種各樣的智能物件及作動(dòng)器（components），還提供了無(wú)網(wǎng)絡(luò)接口但具有模擬或數(shù)學(xué)接口簡(jiǎn)單設(shè)備組件，它們可以通過(guò)連接到微控制單元（MCU）或類似于Raspberry Pi的單板計(jì)算機(jī)

（SBC）進(jìn)行與服務(wù)器或家庭網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信。這些組件被放在三個(gè)不同的子類別中：

單板（Boards）：主要有微控制單元（MCU），類似于Raspberry Pi的單板計(jì)算機(jī)（SBC）和自定義各種物品的設(shè)備（Thing）。

執(zhí)行器（Actuators）：主要有LCD、智能LED、報(bào)警器、制冷設(shè)備、加熱設(shè)備、聲音設(shè)備等元件。

傳感器（Sensors）：主要有溫度傳感器、光電探測(cè)器、金屬傳感器、RFID以及電位器、按扭等。

3 Packet Tracer在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)

Packet Tracer不同于其它物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)只針對(duì)傳統(tǒng)學(xué)科理論培養(yǎng)體系，以對(duì)教材知識(shí)的演示為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。利用Packet Tracer進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，能把物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)與通信、射頻識(shí)別、嵌入式系統(tǒng)、傳感器及檢測(cè)以及管理技術(shù)和學(xué)科恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合在一起，在課堂上不僅僅是對(duì)已有的案例欣賞，而是深入研究清楚， 一步一步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的發(fā)明的運(yùn)作，在必修課程的教學(xué)活動(dòng)中體現(xiàn)“做中學(xué)、玩中學(xué)”的精神，把傳統(tǒng)課堂與創(chuàng)意作品的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)結(jié)合起來(lái)，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用開源技術(shù)的“口袋”實(shí)驗(yàn)，不斷創(chuàng)作出由簡(jiǎn)單逐步過(guò)渡到復(fù)雜的設(shè)計(jì)模式的作品。學(xué)生充分體驗(yàn)到一個(gè)真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，貼近學(xué)生日后的工作崗位，增強(qiáng)就業(yè)信心。

3.1 借鑒自帶實(shí)驗(yàn)包自我學(xué)習(xí)

Packet Tracer 7.1自帶60個(gè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)包，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的各種原理及了解各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用有著十分重要的學(xué)習(xí)意義。

學(xué)生的學(xué)習(xí)是一個(gè)積極主動(dòng)的過(guò)程，教師引導(dǎo)學(xué)生充分利用這些實(shí)驗(yàn)包進(jìn)行學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的合作互動(dòng)性、積極主動(dòng)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生從實(shí)際環(huán)境需求出發(fā)，構(gòu)建良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

3.2 分層次實(shí)訓(xùn)教學(xué)

可利用Packet Tracer進(jìn)行分層次的綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，適合不同層次的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。智能城市綜合實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，包括了智能家居、智能電網(wǎng)、智能交通、智能停車、智能城市辦公室、ISP云。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理解智能城市的理念前提，即城市要利用軟件來(lái)監(jiān)控和分析各種事件并做出改善居民生活的決策。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的智能城市已被分解為多個(gè)集群，取決于應(yīng)用，有些數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程處理和監(jiān)控，智能城市辦公室提供讓城市管理者可以監(jiān)控整個(gè)城市的各種事件的功能，綜合實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力，進(jìn)行分層學(xué)習(xí)。

在智能城市綜合實(shí)驗(yàn)中分解出來(lái)的智能家居實(shí)驗(yàn)，如

圖2所示，學(xué)生可清楚地了解智能家居所用到的各種設(shè)備：家庭網(wǎng)關(guān)、智能窗、警報(bào)器、煙霧傳感器、智能咖啡機(jī)、智能門、MCU、太陽(yáng)能電板等。學(xué)生可根據(jù)需要自行添加其它設(shè)備，并可通過(guò)設(shè)定智能條件，或通過(guò)MCU編程，智能設(shè)備在達(dá)到條件時(shí)自行開啟或關(guān)閉。當(dāng)煙霧檢測(cè)器檢測(cè)到有煙霧時(shí)，自動(dòng)報(bào)警及打開窗戶，煙霧警報(bào)條件如圖3所示。圖4的部分代碼是利用Java語(yǔ)言（也可用Python語(yǔ)言）進(jìn)行編程，當(dāng)煙霧檢測(cè)器的值達(dá)到10時(shí)，自動(dòng)把門、風(fēng)扇等智能設(shè)備打開。

3.3 制作PKA文件方便考查

在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，教師們最頭痛的是對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查，很多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首先要求學(xué)生對(duì)設(shè)備及各種檢測(cè)器進(jìn)行電源和數(shù)據(jù)線的連接，再用一定的語(yǔ)言進(jìn)行編程，教師不但要檢查線路的正確性，還要檢查編程的正確性，而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，連線的損耗，設(shè)備的破壞性等都是比較常遇見的問(wèn)題。在Packet Tracer中，教師可把需要考查學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)做成一個(gè)PKA文件，把這個(gè)文件發(fā)給學(xué)生進(jìn)行考查，自動(dòng)判斷學(xué)生的成績(jī)。

4 結(jié) 語(yǔ)

思科公司Packer Tracer設(shè)計(jì)為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)提供良好的平臺(tái)，能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性。中職學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的核心，必須以良好理念為先導(dǎo)，緊密結(jié)合人才培養(yǎng)目標(biāo)，打破學(xué)生只知其名、不知其所謂的情況，構(gòu)建起符合學(xué)生就業(yè)崗位需要的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系。通過(guò)近兩年的探索與實(shí)踐，在教學(xué)中取得了較好的效果，使用Packer Tracer能提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和效率，更能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、解決問(wèn)題的能力。不僅使培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生具有真正的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能力，還能提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[5]。

參考文獻(xiàn)

[1]馬忠梅，孫娟，李奇，等.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系與實(shí)踐探討[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（10）：1-4.

[2]劉去浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社， 2013.

[3]黃永前，劉凌.中職計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程設(shè)置探索[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016.

[4]物聯(lián)網(wǎng)的十三五規(guī)劃（2016—2020年）：物聯(lián)網(wǎng). [2016-7-9]. http：//www.ciotimes. com.

[5]胡文輝，王麗.談物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課堂教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].教育信息，2015（1）：22.

[6] Cisco system，Packet tracer 7.0-IoT devices configuration [EB/OL] [2015-10-21]. http：//www. packettracernetwork. com.

[7]譚強(qiáng). 基于現(xiàn)代職業(yè)教育體系的中高職課程銜接研究[D]. 重慶：西南大學(xué)，2016：17-19.

[8]卜錫濱. 高職院校特色專業(yè)建設(shè)研究與實(shí)踐[M] 北京：中國(guó)水利水電出版社，2013：89-95.