物聯網“感知與標識”專題實驗改革研究與探索

安 健，楊麥順，桂小林

（西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安 710049）

物聯網“感知與標識”專題實驗改革研究與探索

安 健，楊麥順，桂小林

（西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安 710049）

針對當前物聯網課程建設中存在的重理論、輕實踐等問題，以“感知與標識”專題實驗為切入點，研究與探索適合物聯網專業的創新實驗體系，構建支持基礎驗證型、綜合設計型和創新研究型的實驗一體化硬件平臺。通過實驗教學體系、實驗平臺和實驗室開放管理機制的全方位建設，構建科學合理的物聯網工程專業實驗體系，科學劃分知識領域、知識單元和知識點，促進理論教學與實踐教學緊密結合，以適應學科發展和企業對高層次物聯網專業人才的更高需求。

物聯網；感知與標識；專題實驗；實驗教學體系

實踐教學與動手能力的培養是物聯網工程專業本科教學體系中的重要組成部分，是培養創新性物聯網專業人才的重要環節。專題實驗課程則是理論聯系實際最直接、最有效的方法之一，“感知與標識”作為物聯網課程中的核心內容，涉及到數據的感知、獲取、傳輸、處理、應用等多方面技術，是掌握物聯網核心技術的關鍵課程［1－2］。本文以西安交通大學計算機系物聯網創新實驗室為基礎，以“感知與標識”專題實驗課程為主體，以培養理論基礎扎實、實踐動手能力強、研究創新型的物聯網專業技術人才為目標，探索并建立能滿足物聯網專業實驗教學需求，集實踐性、先進性、開放性、創新性為一體的先進硬件實驗教學體系，結合物聯網綜合感知實驗箱、RFID標識實驗箱以及物聯網實訓平臺等先進實驗設備，建立集基本驗證、綜合設計和創新研究為一體的進階型“感知與標識”實驗課程，構建科學合理的物聯網工程專業實驗體系，科學劃分知識領域、知識單元和知識點，促進理論教學與實踐教學緊密結合，以適應學科發展和企業對高層次物聯網專業人才的更高需求，并最終形成一套立足交大、面向陜西、輻射全國的物聯網精品實驗課程體系。

1 當前現狀

物聯網作為我國五大新興戰略產業之一，學習并掌握物聯網關鍵技術理論，培養適合國家和行業發展特色的專業人才已經成為高校物聯網專業的核心教育目標［3］。當前，教育部在“985工程”、“211工程”等重點高校開展了物聯網專業的試點，作為物聯網專業建設的重要實踐基地，物聯網實驗室建設和專題實驗內容的設計將成為重中之重。目前，國內物聯網專業的建設還屬于初期探索階段，國外也沒有相關專業提供參考，高校在專業教師、培養計劃、課程體系、知識架構等方面都比較欠缺［4－6］。目前國內高等院校的物聯網實驗組織模式和實驗手段主要存在以下問題：

（1）實驗課程設置封閉、獨立。目前，大多數已開設物聯網專業的高等院校都是根據自身的辦學特點和培養目標，采用相對獨立、單一的教學實驗體系。實驗課程主要是按單門課程配套設置，相應的實驗訓練裝置也只能支持一些知識點的驗證類實驗，對設計類、綜合類實驗支持很少或根本無法支持，實驗體系不健全，實驗教學缺乏系統化。

（2）實驗的內容及操作步驟過于死板。學生實驗只是簡單地重復實驗步驟，而不是在理解實驗內容的基礎上進行實驗，很難達到通過實驗加深理解課堂內容的實驗效果。大多數實驗采用以驗證為主的實驗模式，學生在實驗訓練過程中，實際上是在“驗證”課程上的部分內容，實驗裝置對簡單的“設計”型訓練支持不夠，更談不上對綜合性、創新性“設計”的支持了。實驗的過程就是“按圖接線、查線排故障、查看結果”的過程，實際收獲不大。

（3）實驗內容重疊且關聯性不大。物聯網專業的課程內容具有很強的交叉性和相關性。針對每門具體課程單獨設置實驗及單獨提供實驗環境，一方面很難使學生對其前導課程所完成的基礎能力做要求，同時也很難兼顧到其后續課程，各自獨立，相互間缺少有效的貫通；另一方面實驗環境重復建設，實驗資源得不到充分利用。

（4）實驗內容陳舊，與工程實際脫節。物聯網專業是目前發展最快的信息學科之一，課程內容需要不斷更新，特別是課程相關實驗從內容及實驗設備的選擇上必須與時俱進，要能夠基本與實際技術發展保持同步。否則，一方面影響學生學習的積極性，另一方面也不利于學生今后的實際工作。

2 物聯網實驗教學改革核心目標

針對目前物聯網工程專業實驗教學中存在的內容設置孤立、知識點發散、實踐訓練和創新設計不足等問題，結合最新成立的物聯網創新實驗室及感知與標識綜合實驗設備等，提出以基礎驗證性實驗、知識點提高性實驗、課程綜合實驗、科研訓練和畢業設計創新性實驗為一體的層次化的“感知與標識”專題實驗課程體系和相應的開放環境管理機制。

（1）完善和優化物聯網“感知與標識”專題實驗課程體系。以“感知與標識”專題實驗為切入點，構建一套集驗證性、實踐性、創新性為一體的層次化實踐教學體系，全方位提高學生專業素質和能力。

（2）構建以工程能力培養為目標驅動的物聯網硬件綜合實驗平臺。結合物聯網核心課程實踐動手的需要，構建適合物聯網專業特色的，包括感知、傳輸、分析、應用等核心知識點的綜合實驗平臺，將實驗設備按知識體系劃分為感知模塊、通信模塊、數據動態組織與管理模塊和應用模塊，支持學生進行驗證、設計等基本實驗，并鼓勵學生在教師指導下開展創新實驗，提高學生的實踐動手能力、科研創新意識和綜合應用能力。

（3）以“感知與標識”專題實驗為背景，研究多樣化、開放性、互動式的實驗教學方法，實現教學觀念的改變。以傳授知識為主向能力培養和素質提升轉變，從單一知識對口教育向多學科交叉與綜合應用轉變，研究“互動式”和“探究式”教學方法，進一步提升學生知識領域的寬度和深度。

3 物聯網創新實驗教學改革體系

物聯網工程專業涉及計算機科學與技術、通信工程、控制科學與工程、電子科學與工程等多學科，除了數學、物理、人文社科等通識知識外，依據物聯網本身的特點和發展趨勢，結合自身特色，提出面向物聯網專業的創新實驗教學體系，主要包括以下3個方面：

（1）基于“感知與標識”專題實驗指導思想，提出面向物聯網工程專業的“1＋4＋8”核心實驗教學體系；

（2）設計支撐學生創新能力培養的層次化實驗教學平臺；

（3）研究多樣化、多通道、模塊化的實驗室開放機制。

3．1 “1＋4＋8”核心實驗教學體系

面向物聯網工程專業的核心實驗教學體系的建立，主要依賴于對物聯網關鍵技術的基本認知上，課題組以“感知與標識”專題實驗為改革背景，提出 “1＋4＋8”的核心實驗教學體系，即1個核心目標，4類核心知識模塊和8單元核心實驗課程。

針對物聯網工程專業的實驗教學核心目標是培養能夠系統地掌握物聯網的相關理論、方法和技能，具備通信技術、網絡技術、傳感技術等信息領域寬廣的專業知識的高級工程技術人才。教學過程中由傳統單一的教學型授課向創新實踐方向轉變，采用工程案例化教學，突出科技創新在人才培養中的作用。建立科學化、進階性、貫通性和可持續發展的實驗教學體系，以進一步適應社會需要，提高學生的知識應用能力、實踐能力。通過以就業為導向，以能力為本位的培養目標，突出培養“技能型、實踐型、應用型、創新型”人才。基于“感知與標識”專題實驗課程的核心目標，結合專業自身特點，構建了包含感知系統、通信系統、數據動態組織與管理系統和應用系統的4類核心知識模塊。通過4類核心知識模塊的導向，并由此逐步形成一系列由低到高、由淺入深的專題實驗內容，指導“感知與標識”實驗課程的開展，具體包括系統認知、傳感與檢測、標識與定位、組網與通信、數據分析、安全與隱私、工程與應用等8個單元的實驗核心課程［7－8］。如圖1所示，實驗課程內容應由驗證型、提高型向綜合型、設計開發型和創新型逐層遞進。

圖1 “感知與標識”專題實驗體系

3．2 層次化、進階性實驗教學平臺

通過深入研究物聯網技術的國內外發展趨勢、剖析課程與實驗之間的銜接關系、分析基礎實驗和創新實驗的實驗內涵，發現面向不同階段需求和特性的教學規律，構建集課程層次、平臺層次和階段性層次為一體的多層次的實驗教學體系［9－10］。

（1）課程層次。主要研究核心課程知識點與實驗內容的關系，探索更好的相互協調和相互促進的理論教學和實踐教學模式，以培養具有一定實踐能力和創新能力的物聯網專業學生為目標導向。

（2）平臺層次。主要研究基礎驗證型、綜合設計型和創新研究型實驗體系及平臺建設。合理規劃不同類型實驗課程內容之間的關聯性和遞階性，避免出現交叉和重疊。結合現代學科發展特點，啟發學生多向思維和創新能力的培養，保證從實驗內容到實驗手段的與時俱進，使學生處于學科發展前沿。

（3）階段性層次。實驗應采取階梯式的、循序漸進的教學方法，通過基礎驗證型實驗、綜合演示型實驗和實踐創新型實驗，將實驗由低到高，由淺入深逐級遞增，由感性認識到系統能力培養，實現不同知識系統間的融會貫通，逐步形成有特色的實驗教學方法。

3．3 多樣化、多通道、模塊化的實驗室開放機制

實驗室作為學生理論夯實和實踐創新的重要場所，其建設規劃將直接關系到學生素質的培養。因此，物聯網實驗室的建設應堅持以學生能力培養為導向，通過構建多樣化、多通道、模塊化的實驗室開放機制，充分調動學生積極性，實現教師與學生之間的良性互動。同時，研究實驗教學新型管理方法，實現基于開放實驗教學模式的實驗過程管理，將排課、預約、實驗、成績統計等各個流程納入管理范圍，實現真正的數字化實驗室、無紙化實驗室［11－12］。

3．4 專題實驗課程體系建設遵循的原則

針對物聯網專業自身特點和建設目標，專題實驗課程體系的建設應該遵循以下幾個原則：

（1）建設完善的實驗體系，以培養綜合型、設計型和創新型人才為目標；

（2）啟發式教學模式和開放型實驗環境相結合，培養學生自主實踐能力；

（3）面向專業各個階段的不同需求，構建支持多層次需求的實驗環境；

（4）結合實際場景應用需求，構建靈活多樣的實驗課程；

（5）開放式的實驗室環境，以學生為主導的實驗室管理機制。

4 結束語

針對物聯網學科自身特點，以“感知和標識”專題實驗為研究切入點，提出了包括課程體系、教學手段、管理機制三位一體的創新實驗教學體系，旨在構建多樣化、開放性、互動式的實驗教學方法，實現以傳授知識為主向能力培養和素質提升轉變，從單一知識對口教育向多學科交叉與綜合應用轉變，進一步提升學生知識領域的寬度和深度。

（References）

［1］Atzori l，Iera A，Giacomo M．The internet of things：a survey［J］．Computer networks，2010，54（15）：2787－2805．

［2］桂小林，安健，張文東，等．物聯網技術導論［M］．北京：清華大學出版社，2012．

［3］黃崢，古鵬．物聯網實驗室建設研究與探討［J］．實驗技術與管理，2012，29（2）：191－195．

［4］桂小林．物聯網技術專業課程體系探索［J］．計算機教育，2010（16）：1－3．

［5］肖克輝．物聯網背景下的計算機實驗中心管理［J］．實驗室研究與探索，2011，30（8）：89－90．

［6］孔銳，張冰．物聯網工程專業實驗課程設置探索［J］．實驗技術與管理，2014，31（2）：179－182．［7］沈蘇彬，范曲立，宗平，等．物聯網的體系結構與相關技術研究［J］．南京郵電大學學報：自然科學版，2009，29（6）：1－11．

［8］孫其博，劉杰，黎羴，等．物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述［J］．北京郵電大學學報，2010，33（3）：1－9．

［9］吳旭，陳仁安，魏德志，等．論高校創新型實驗教學體系的構建［J］．實驗室科學，2012，15（1）：5－8．

［10］何晉浙，徐靜波．高校實驗室資源共享機制的探索與研究［J］．實驗室科學，2010，13（6）：132－135．

［11］馬傳峰．實驗室資源的開發與開放［J］．實驗技術與管理，2010，27（12）：1－3．

［12］蔡苗，蔡紅娟，黃松，等．信息類專業平臺課程實驗教學體系改革的探索與實踐［J］．實驗室研究與探索，2012，31（9）：154－156．

Research and exploration on reform of topic experiment of sensing and identification of Internet of Things

An Jian，Yang Maishun，Gui Xiaolin
（School of Electronics and Information Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

Due to the deficient of heavy theory and practice of light in the recent course construction of IoT，suitable innovative experimental system of IoT，based on the topic experiment of sensing and identification，should be researched to construct an integrated hardware platform supporting three types of experiments including basic authentication，comprehensive design and innovative research．A scientific and rational experimental system of IoT will be built by the comprehensive construction of the experimental teaching system，the experimental platform and the open laboratory management mechanism．Scientific division of the knowledge areas，knowledge units，and knowledge points will promote closer integration of theory and practical teaching to adapt to the academic development．And the students taught by this teaching plan will satisfy the business demand of the IoT professionals．

Internet of Things；sensing and identification；topic experiment；experimental teaching system

TP393

B

1002－4956（2015）3－0193－03

2014－07－08 修改日期：2014－07－17

國家自然科學基金項目（61172090）；陜西省自然科學基金項目（2014JQ8322）；陜西省科技統籌創新工程項目（2013SZS16－K01）；中央高校基本科研業務費（xjj2014049）

安健（1983—），男，山西晉中，博士，工程師，主要從事物聯網實驗教學、服務計算與群智計算等方向的研究．

E－mail：anjian＠mail．xjtu．edu．cn