（1）专业与年级要求

本项目主要面向电子信息类专业，包括但不限于通信工程、电子信息工程、广播电视工程、信息工程、电子科学与技术、电子信息科学与技术等相关专业，或者其他相关专业中已具备相关专业知识储备的学生，年级建议为三年级或四年级。

（2）基本知识和能力要求

本项目设计的基本知识和能力包括：电子电路类基础知识、通信原理类基础知识、计算机网络或通信网基础知识等，要求学生掌握基本的计算机应用能力，包括计算机操作系统应用能力、应用软件操作能力、网络配置能力等。

本实验项目来源工业互联网领域的重要环节，通过项目组近年来科研成果积累，综合运用无线通信、网络交换技术、通信原理、数字信号处理等课程的基础理论，根据实际工业互联网的部署与资源优化设计过程，设计了完整的实验流程。其中所运用的网络模型均源自工程实际，依托实验项目开发团队在领域内近年来的科研成果积累；所采用的网络节点系统参数均来自滨江智能制造基地的生产制造。

一、 实验的必要性

1、 工业互联网和边缘计算是国家重大战略新基建的迫切需求

工业互联网作为新一代工业变革的基石，从概念提出到应用落地，目前已经发展成为我国核心战略之一。2017年，我国首次提出工业互联网概念，并主张深化 “互联网+先进制造业”发展。2020年，工信部发布 《关于推动工业互联网加快发展的通知》。与此同时，国家发改委明确将工业互联网纳入“新基建”之中，工业互联网成为我国数字经济发展的重要推力。作为工业互联网体系架构的重要组成部分，边缘计算在网络通信、平台应用等方面提供计算服务，极大地拓展了工业互联网平台收集和管理数据的范围和能力。习近平总书记在浙江考察时强调，要抓住产业数字化、数字产业化赋予的机遇，加快5G网络、工业互联网等新型基础设施建设。本团队主要成员近年来一直参与工业互联网系统网络资源优化方面的研究、实验工作，深切体会到企业、社会、国家对工业互联网关键技术建设方面人才的迫切需求。

2、 工业互联网资源优化是网络优化设计人才培养的重要环节

通过先进的无线网络技术将人、机、物按需互联,实现智能化生产,提高生产效率，对当前及未来通信工程、电子信息工程乃至广播电视工程专业人才的培养提出了新的需求。工厂环境下资源优化技术,是工业互联网相关技术中重要的一环。工业无线网络技术是满足工业应用高可靠,低能耗,硬实时等特殊应用需求的一类无线传感器网络技术.工业无线网络相比于传统的工业有线通信方式,拥有低成本,高可靠,易维护和高度灵活性的特点.工业无线网络的广泛应用,将会大大地节约生产成本从而极大地提高生产效率,它将带来工业控制领域翻天覆地的变化.在保障系统高可靠性的同时,工业控制网络对于实时性要求很高,过长的网络时延会对控制系统的性能产生影响,甚至可能破坏系统的稳定性,所以如何降低网络时延是工业控制网络的研究重点之一。可见工业互联网资源优化，降低网络时延是工业互联网应用的重要环节，也是新时代电子信息类高校通信信息和网络专业从事网络资源优化设计人才培养的重要环节，是帮助学生理解和掌握工业互联网场景下资源技术、优化和管理的核心实践性教学环节。此外，创新教育不是一种新的教育类型，也不是一个专业方向，而是渗透到教学和实验各个环节。在信息化、智能化的时代背景下，虚拟现实技术在现代工业互联网中的应用日趋广泛，依托虚拟仿真、人工智能等技术手段的工业互联网技术已经成为行业发展的重要趋势，在实验教学和设计教学中必须进行针对性的进阶式训练，为培养创新型的设计人才奠定基础。

3、工业互联网现场不可及，智能制造设备造价高，资源优化效果难呈现，实际网络运行低容错。

a、现场不可及，实装生产线难支持实验教学。真实实装生产线难支持实验教学，可重复多次、满足大量学生同时使用的真实实验环境搭建困难。，而开展工业互联网场景下的资源优化综合性实验时往往需要在实际的真实应用场景中进行，这在学校的实验教学环境下基本难以实现。因此本虚拟仿真实验是非常必要的。

b、设备造价高，高校难搭建完整的制造场景。实体实验设备通常价格高昂，不仅初期建设成本高，而且设备运行过程中的维修费用也相应较高；其次，网络技术变化快，产品生命周期有限、更新换代频繁，及时跟进更新需要大量的建设经费投入，若不及时更新则导致产品与技术陈旧过时，无法满足教学需要；另外实体设备不仅占有较大的物理空间，而且能耗指数高，散热量大，运行低容错，因此维持成本高，也制约了实体实验室的长时间开放。虚拟仿真实验教学平台只用较低的设备成本，就可通过硬件虚拟、软件仿真的方式实现设备的更新换代，且更新周期短、频度高；借助于云计算技术，大量的虚拟化网络设备共同运行于数量有限的物理服务器上，可大幅降低能耗与运维成本，提供绿色、低碳、环保的实验环境。

c、效果难呈现，网络传输性能无法值观展示。设备类型、数量和通信控制是反映与衡量工业互联网路由优化设计实验教学功能与特性的重要因素，设备类型越丰富、数量越多、通信越多样，可提供的实验教学功能与特性越完备。由于成本因素，实体实验室可提供的设备数量往往有限，而且设备类型固定受限，一般局限于少数厂商、有限类型、固定配置的若干设备，可实现的设备组合少、特性丰富度低。这将导致：1)实验教学规模受限，每个实验可容纳的学生数、每个学生可用的设备类型与数量均受到限制；2)网络拓扑构造与拓展的灵活性低，只能支持有限类型的实验，难以支持设备规模较大、类型较多的大中型实验项目；3)难以支撑基于多厂商、多类型和多特性设备的综合性、设计性或创新性实验教学项目。而虚拟实验教学平台，通过有效的硬件虚拟、软件仿真和云计算平台作底层支撑，不仅设备类型不受限制，数量与规模扩大便捷，可支持灵活自主的网络拓扑构造，而且建设成本低，可很好地解决实体实验室可扩展性弱、完备性差问题。

d、网络资源优化难呈现、设计过程不可及。为了保证网络的高效性，需要对网络进行必要的网络优化。在工业互联网环境下，不同的智能制造场景对时延带宽需求不同，因此可以通过有效的带宽选择和上下行帧结构设计来优化网络。网络资源优化流程、策略等均无法直接在实体实验中观察到。同时，日常生活中，学生基本接触不到工业互联网场景下的边缘智能设备，实际的边缘网络节点也无法用于教学使用，这使得学生对路由优化设计的理解将仅仅停留在课本中的枯燥协议架构中，大大降低了学生探究的兴趣与专业目标的达成情况。

二、 实验的实用性

1）实验围绕教学目标，解决了工业互联网实体实验教学的难点

为了适应高校相关专业发展需要，按金课的标准打造高阶性、创新性和有挑战度的实践类课程。从实际工业互联网应用系统中提炼合适题目，用工程应用中的软硬件集成，多知识点融合来保证设计内容的高阶性，题目从应用和理论两个方向留白，给学生选择、优化和创新的空间。针对任务，学生可以设计不同的实现方案，可以选择不一样的边缘终端、不一样的处理算法、不一样的处理流程来实现同一个需求。丰富了学生的知识面，解决了工业互联网实体实验教学的难点。

2）实验符合教学课程标准，完善了本科人才培养方案

本实验坚持落实教育部高等教育司《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》的文件精神，基于以学生为中心的项目建设宗旨，立足于新工科背景下电子信息类专业人才培养方案，根据通信工程专业的课程建设需求，围绕工业互联网资源优化设计教学主题，实验要求学生从最初的信道容量、大带宽和低时延出发，选定智能工厂场景中网络节点，设计方案，从原来的简单的单一目标实验题目，转变为直面工程应用的复杂系统设计与实现，其难度和复杂度上升了一个台阶。这是对学生综合运用所学知识，解决问题能力，特别是整体方案设计能力的一个巨大挑战。建设面向通信工程、电子信息工程、广播电视工程等专业在校本科生、研究生及社会相关从业人员的虚拟仿真实验教学资源，通过虚拟仿真方式，训练和培养学生专业素质和职业精神，提高通信类专业人才技能与水平。

3）面向学生能力培养，广泛服务以通信工程为核心、大信息类相关专业实验实践

整个系统中需要用到边缘终端、网络节点、工业互联网体系架构、移动互联网编程和算法等多种知识，有些算法只能根据最新学术期刊，这些知识和能力学生从课堂教学中不一定能全部获取到，这就对学生的自学能力提出挑战，要求学生能在课堂学习的基础上，根据任务的需要，快速获取自己所需知识和能力，并在应用中熟练掌握。实验项目界面设计简洁，交互操作清晰，能够支撑包括通信工程、电子信息工程、广播电视工程、信息工程、电子科学与技术、电子信息科学与技术等专业在内的各专业相关课程的实验教学，应用面广泛。

三、 教学设计的合理性

（1）教学目标明确、重点突出、支撑课程培养目标

该实验围绕通信工程、电子信息工程、广播电视工程相关专业人才培养方案和核心实践教学课程《通信系统综合训练》教学大纲，紧扣工业互联网网络资源优化核心知识点与需要培养的关键技能，综合运用《交换技术》、《通信原理》、《无线通信基础》、《移动通信系统》等多门专业基础和专业课程知识，准确把握网络节点部署、带宽选择、资源优化配置等教学难点，合理设计实验环节，适宜安排试验任务，提高学生对课程培养目标的掌握水平，能够有效支撑培养目标中“工程知识：掌握工程知识与数学模型，解决工程问题”、“问题分析：能够分析工程实际复杂问题，得出有效结论”、“设计开发解决方案：能够针对复杂工程问题提出解决方案并优化”等要求。

（2） 实验流程完整、循序渐进、跳转灵活、支持探究

项目采用“认知先行、任务驱动、设计为本、优化提升”的设计思路，围绕“什么是网络、选择合适带宽、设计上下行帧结构、实现资源优化”的设计路线展开实验内容。实验引导学生从回顾和理解网络资源优化设计知识开始，直面真实通信任务，运用通信理论分析任务内容，根据智能工厂网络设计环境下各参数的数据模型进行参数设计，并探究实际工业互联网场景下资源优化方法。实验后台集成真实模型，实时对实验过程的参数进行运算，全真模拟帧结构时隙配置、子载波分配，信息传输等实体实验不可见的要素，并能够在各模块间自由跳转，反复尝试，让学生能够及时并准确的评估资源优化设计方案，从而加深对资源优化设计原理的理解。

（3）实验结果客观合理、评估全面、注重教学目标达成

本实验项目克服了传统操作验证性实物实验中固化的实验过程记录和确定性的实验结论，利用虚拟仿真平台的优势，后台集成完整网络模型，设立了面向多目标优化问题的资源优化设计模块，以设计任务为牵引，可行解不唯一。同时，为科学评判实验过程，对实验过程中各模块、各步骤的操作次数和每次操作均分别赋分，最终形成实验报告与综合评价，使学生更加清晰地了解自身在实验过程中的不足。指导教师可通过实验平台得到实验分析数据，直观发现完整实验流程中主要失分环节，便于持续改进理论课授课重点以及实验课辅导方式。

四、 实验系统的先进性

（1）实验技术的先进性

本实验项目来源工业互联网领域的重要环节，通过项目组近年来科研成果积累，综合运用无线通信、网络交换技术、通信原理、数字信号处理等课程的基础理论，根据实际工业互联网的部署与资源优化设计过程，设计了完整的实验流程。其中所运用的网络模型均源自工程实际，依托实验项目开发团队在领域内近年来的科研成果积累；所采用的网络节点系统参数均来自滨江智能制造基地的生产制造。

（2）仿真技术的先进性

本实验项目采集了大量真实设备与环境的信息，构建了基于真实场景的数字化虚拟仿真环境，并根据实际网络优化设计过程，营造了虚实有机结合的交互式沉浸体验，让学生在任务引导下，逐步完成链路设计过程。对于其中重点的带宽选择、子载波分配、帧结构配置等步骤，均采用“边缘—中心”结合的后台模型运算方式，以优化运算效率与数据传输间的矛盾，保证了实验项目运行中的流畅性。

本课程的教学目标是：以工业互联网工程领域为应用目标，进一步系统地掌握工业互联网相关网络及边缘端的基本理论、基本知识、基本技能和基本方法，巩固通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广的专业知识，提高工业互联网相关技术的研发及网络系统规划、分析、设计、实施等工作的创新能力。引导学生树立求真务实、独立思考、勇于创新的科学精神。培养具备职业道德和社会责任感、具有扎实的专业知识、有较强实践能力和团队精神的专业技术人才。具体目标包括：

价值目标：

1、了解国家重点战略需求

2、锻炼学生艰苦奋斗的科学品格

3、培养学生科技报国的爱国情怀

4、强化学生求真求实的工程伦理教育

5、培养学生大国工匠精神

知识目标：

1、使学生巩固5G及时频资源的相关理论知识

2、使学生获得5G智能制造的实际场景和性能需求方面的认知

3、使学生掌握5G智能制造的性能评价的多元方式及具体指标

能力目标：

1、培养学生创新思维与创造能力

2、锻炼学生解决特定复杂问题的综合能力

3、培养学生的科学探究精神与能力

本实验项目克服了传统操作验证性实物实验中固化的实验过程记录和确定性的实验结论，利用虚拟仿真平台的优势，后台集成完整网络模型，设立了面向多目标优化问题的资源优化设计模块，以设计任务为牵引，可行解不唯一。同时，为科学评判实验过程，对实验过程中各模块、各步骤的操作次数和每次操作均分别赋分，最终形成实验报告与综合评价，使学生更加清晰地了解自身在实验过程中的不足。指导教师可通过实验平台得到实验分析数据，直观发现完整实验流程中主要失分环节，便于持续改进理论课授课重点以及实验课辅导方式。

学生交互性操作步骤，共15步