新工科背景下物聯網實驗教學案例建設

王毅 張滬寅 黃建忠 彭紅梅 何承達

摘 要：為了使物聯網專業實驗教學培養過程符合其課程體系建設發展需要，滿足新工科背景下人才培養需求，緊跟日新月異的物聯網技術發展走向，對現有實驗授課的形式、內容、方法進行全面歸納總結，針對物聯網專業實驗教學特點進行升級改造。武漢大學計算機學院為解決“通用性不足”、“難以跨專業培養”、“課程資源不足”3個問題，提出了“四環節六類型”實驗教學體系連通實驗課程間的案例資源;以案例資源模塊化方式實現跨專業教學;利用競賽、云計算等課程外動力補足課程資源、提高開放效能，有效提升了物聯網實驗教學培養效果。

關鍵詞：新工科;物聯網實驗教學;實驗案例

DOI：10. 11907/rjdk. 182216

中圖分類號：G436文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）002-0182-04

Abstract：In order to make the experimental teaching and training process of Internet of Things specialty meet the development needs of the curriculum system construction of Internet of Things specialty， and to meet the training needs of talents under the background of new subjects， as well as to keep abreast of the rapid development trend of Internet of Things technology，it is necessary to summarize the forms， contents and methods of the experiment teaching，and upgradation and reform are conducted aiming at the experimental teaching characteristics of Internet of Things specialty. In order to solve the three problems of insufficient generality， difficult cross-specialty training and insufficient curriculum resources，school of computer science，Wuhan? University has put forward four links and six types experimental teaching system to connect case resources between experimental courses， modularized the case resources to satisfy the realization of cross-specialty teaching，as well as made use of extracurricular power such as competition and cloud computing to supplement curriculum resources and improve open efficiency. These measures have effectively improved the training effect of Internet of Things experimental teaching.

Key Words：new engineering and technical disciplines;the experimental teaching of IOT;experimental case

0 引言

根據國際電信聯盟ITU發布的2005年報定義，物聯網（Internet of Things）主要解決物到物（Thing to Thing， T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）、人到人（Human to Human，H2H）之間的互聯[1-2]。教育部2010年正式設立物聯網及相關專業后，眾多高校在如何建設符合物聯網行業特色的實驗教學體系、完善物聯網實驗案例資源方面進行了許多有益嘗試，并總結了許多有效的教學理念和實驗、實踐教學方法[3-7]。但是，誠如哈佛大學前任校長德里克·博克所言，一個課程體系的壽命不會超過20年，所以作為新工科支柱產業之一的物聯網，其課程體系建設必須圍繞行業自身規律及社會需求不斷發展革新。在具體實驗教學過程中，如何確保實驗內容、模式、理念始終符合課程體系建設標準與人才培養實際需求，是一個值得探討與研究的問題。同時，考慮到教育資源有限，如何以最低成本、最大效果解決以上問題，從軟硬件整合角度進行深入探索和改進，對提高高校物聯網專業建設水平，夯實國家戰略具有積極意義[8]。

1 可能存在的問題

武漢大學計算機學院物聯網工程專業是全國首批獲得教育部審批開設的物聯網專業之一，于2014年申請獲批國家級改善辦學條件專項（物聯網實驗室建設項目）資金200萬元，陸續建設了“RFID綜合實驗教學平臺”、“傳感網實驗教學平臺”、“物聯網綜合應用實踐平臺”三大實驗教學平臺，目前可開設10門實驗教學課程，共143個實驗案例。雖然其在物聯網工程專業建設方面取得了一定成果，但由于經驗、資金和人員等多方面原因，在實驗案例資源建設過程中還存在一些問題。

1.1 部分實驗案例資源碎片化，無法跨課程使用，缺乏通用性

目前工科院校課程結構缺位錯位現象普遍，由于學科與學科、課程與課程沒能建立有效關聯，造成課程分布“碎片化”，使得現有課程體系與“中國制造2025”發展路徑之間出現“分離化”現象[9]。由于物聯網工程專業開設時間較短，初期建設實驗案例時只做到滿足單一實驗課程的具體教學需求，而忽視了課群建設中課程間的內在聯系，因此導致實驗案例資源碎片化。

以RFID相關實驗課程為例，面向物聯網工程專業、卓越工程師班開設了RFID原理及應用（含18學時課間實驗）、面向物聯網工程專業開設了RFID綜合設計（1學分，72學時）共2門課程。RFID相關實驗案例包含基礎、設計、綜合3類共21個，較好地滿足了RFID相關課程的教學需求。但后續實驗教學中發現，由于教學設備在硬件數據接口及軟件API方面存在使用限制，僅能在PC上的vs2010環境中運行，導致卓越工程師班學生在嵌入式系統綜合設計（1學分，72學時）中，物聯網工程專業學生在物聯網應用系統綜合設計（1學分，72學時）中無法直接使用RFID相關案例資源，影響了實驗教學效果。

1.2 技術迭代迅速，但標準化教學資源較少，難以打造跨專業實驗教學資源

美國權威咨詢機構Forester預測，到2020年，世界上物物互聯的業務，跟人與人通信的業務相比，將達到30∶1，因此“物聯網”被稱為是下一個萬億級通信業務[10]。物聯網行業迅猛發展導致相關技術更新換代，而部分實驗課程的案例資源卻因為軟硬件限制無法升級，進而無法跟上技術發展。如2011年學院計劃為無線傳感器網絡課程（1學分，72學時）配置以ZigBee為主要通信模式的實驗設備，但當時國內并沒有教學設備公司生產基于z-stack協議棧或Ember協議棧教學設備，定制開發也缺乏足夠人力支持，最終只能采用工業界已較少應用的TinyOS系統為實驗教學設備，其復雜的協議架構及高昂的課前學習時間成本，限制了該類資源面向非聯網專業學生實驗教學開放。

1.3 課程內資源不足，影響實驗教學培養效果

2014年通過國家項目資助方式陸續建設了3大實驗教學平臺，雖然較好滿足了物聯網工程專業的實驗教學需求，但在后續日常教學過程中，仍然有許多值得改進之處。主要矛盾點在于課程案例資源的制作成本與日常維護成本較高，而物聯網行業技術發展迅速，導致實驗教學中無法體現行業技術的發展走向，降低了實驗實踐對復合型人才培養的主動效能。

案例資源制作成本較高，主要是因為初期建設相關平臺時，案例資源均由設備供應商隨教學設備提供，設備采購、人員培訓、案例講解、技術交流均不由實驗中心掌握，單一案例平均成本較高，限制了實驗案例資源數量。

日常維護成本較高，主要是因為初期采購均以實驗箱和實驗臺的整套件設備為主，實驗授課時難以根據課程具體情況進行調整，設備相關配件及耗材僅能購買設備供應商提供的類型，人為提高了使用成本，也限制了實驗案例資源整體質量。

因課程實驗資源不足造成的實驗教學效果不足，主要體現在以下幾點：①實驗案例專業性太強，無法整體向非物聯網專業學生開放;②實驗案例缺乏實時性，跨課程使用有較高的學習成本;③實驗案例資源多基于實驗箱硬件，缺乏有效開放手段與模式。

2 整體思路

據2012年全國教育事業發展統計公報顯示，“全國各類高等教育總規模達到 3 325萬人，高等教育毛入學率達到30%”[11]。我國已經成為世界上高等教育第一大國，但是數據背后的實際效能轉化率沒有達到國際先進水平，還不是世界上高等教育第一強國[9]。因此，為了實現教育大國向教育強國轉換，在新工科背景下，相關課程體系建設應以跨行業人才培養需求為第一考量點，人才培養模式要突破傳統單一學科、單一專業的固有框架，以“廣基礎、泛專業”的教學體系建設方向為切入點，積極采用以虛擬仿真為代表的信息化新技術，以課程群建設為核心，以競賽、開放項目為助推動力。

2.1 將實驗案例建設融入課群建設中，提升實驗案例通用性，避免碎片化

我國大多數高校人才培養實施的仍是專業加學年學分制，雖然不少高校創辦了拔尖人才培養班、綜合人才培養實驗班、雙學位班等特色人才培養班，突出寬口徑培養，但受益學生較少，專業口徑過窄嚴重影響了學生的創新意識與創新能力[12]。因此，在實驗案例建設過程中，基礎部分應做到案例資料詳實詳盡，即便非物聯網專業學生也可在閱讀案例指導書后理解其實驗原理，進而進行相關實驗。在綜合設計部分，應突出對學生創意性設計能力的培養，盡量拓展學生的項目設計思路。同時，將實驗案例按照基礎、設計、綜合、科研創新4環節分層次后，與其它實驗課程的相關環節相互串聯，提升實驗課程間的聯動性，形成課群效果。

2.2 注重“廣基礎、泛專業”教學方式，建設模塊化實驗資源庫，提高跨專業培養能力

卓越課程體系來源于精準頂層設計，跨學科課程體系頂層設計要充分體現交叉性、前沿性、實踐性和研究性[13]。新工科背景下的人才培養需求主要表現為“廣基礎、泛專業”，物聯網專業實驗課程必須在夯實學生實驗實踐能力的同時，培養具有跨專業、跨學科能力的復合型人才，所以相關實驗案例和設計性實驗項目內容必須體現以上特點，要符合不斷變化的技術標準與技術革新速度。因此，可將實驗案例按技術標準、硬件接口、軟件環境逐一分類后，分解并重新組合為模塊化的實驗資源案例庫，以有效規避在硬件設備、軟件環境、通信接口等多方面阻礙實驗案例資源建設與升級的具體難題。

2.3 以競賽、項目、新技術等為外部動力，提升實驗案例教學效能

可在具體實驗課程中增加競賽及各類教師項目的引導動力，進而拓展相關實驗案例資源使用群體，更好地培養不同專業學生工程設計、應用開發、運營管理等方面的復合型能力，提升其就業后動手實操能力及跨專業視野。

信息技術發展是具有革命性的，對社會生產、生活各個方面都產生了廣泛而深刻的影響，對大學教育過程也已產生巨大沖擊[14]。因此可以利用物聯網行業技術的進步浪潮，為學生提供更多采用新技術的案例資源支持，為實驗案例資源的跨課程使用鋪平道路。

在具體實驗課程之外，也可采用互聯網新技術（如云計算）面向全體師生開放各環節實驗案例資源，培養學生的物聯網專業素養，開闊學生的計算機思維與視野，提升學生創新能力，更好地滿足新工科背景下的人才培養需要。

3 具體方案

工科院校作為培養工科人才的主力軍，應高度認識“中國制造2025”對實現中華民族偉大復興的重大意義，勇于承擔推進“中國制造2025”戰略應盡的社會責任[15]。優化新工科背景下的人才培養方式，完善相應專業的課程體系建設，完善具體實驗課程的案例建設，就是對國家創新驅動發展和“中國制造2025”等重大戰略實施的有力支撐。

3.1 建設“四類型六環節”實驗教學體系，以課群建設思維提高實驗案例通用性

物聯網專業3層次（感知、傳輸、應用）間的知識點相互關聯性極強，因此實驗教學體系建設必須以課群建設為核心，按照“四類型六環節”的實驗教學體系建設方向（如圖1所示），將各門實驗課程的實驗案例劃分為：認知環節對應的基礎性實驗、驗證與設計環節對應的專業性實驗、設計與綜合實訓環節對應的綜合性實驗、畢業設計與科研競賽環節對應的科研創新實踐，各環節間可通過學生課堂項目的方式相互聯動，大幅提升實驗課程間知識點的關聯性，提升現有實驗案例資源對人才培養效果的支撐能力。

3.2 建設模塊化實驗案例資源，以積木拼接方式組建案例資源庫，提升跨專業培養效果

如果已有課程形式、課程結構難以改變，就選擇新的課程形式，在新課程形式中施行新的教學方式，便是推動課程改革的可選途徑之一[16]。交叉復合型人才培養拓寬了學生的知識面，使學生知識運用能力強，具有科學創新精神[17]。在新工科人才培養需求下，物聯網實驗案例建設過程中可以按照物聯網3層次劃分方式，將不同課程的實驗案例以技術標準、硬件接口、軟件環境等方式分類后，抽取單個案例中的核心資源（軟硬件均可）作為其模塊化資源。

例如，將屬于感知層的RFID基礎類實驗案例，按技術標準分為ISO14443協議、ISO15693協議、ISO18000-C協議共3種常見的RFID模塊，其分別對應3種不同應用場景的RFID讀卡器硬件，也分別對應3類不同案例軟件資源（Windows下的讀卡協議API、MCU環境下的串口封裝協議等）。進行RFID相關實驗課程時，模塊化的實驗資源可組合為基礎、設計、綜合3類實驗教學案例，而面向非物聯網專業學生開放相關實驗案例資源時，學生僅需分析其課程或競賽項目中需要的RFID應用場景，對應3類硬件模塊特性，選擇最適合的一款后，采用積木式拼接思路即可完成其項目設計。

模塊化物聯網實驗案例建設，既提升了案例資源建設效率（僅定制少量對應類型的模塊，無需采購整體化的全功能實驗箱，低成本解決了案例資源不同課程間無法通用的難題），又提升了跨學科培養效率（無需整體化升級，僅需針對不符合課程需求部分進行替換）。

嵌入式系統綜合設計課程在使用物聯網模塊化案例資源庫后，可為卓越工程師班及計算機科學與技術專業學生提供多類型物聯網設計案例，圖2為采用物聯網模塊化案例庫（RFID模塊案例、傳感器模塊案例、通信模塊案例）的課程題目：智能環境感知與監控系統設計。

3.3 利用競賽、項目、新技術等課程外驅動力，提升案例資源教學效能

教學就是使人成其為人的活動，“成人”的教學要求突出教學的人本性[18]。以人為本才能發揮出教育的最大效能，通過競賽、教師項目、新技術等方式引導與激勵學生，可以調動學生主觀能動性，從更廣闊的角度思考項目設計與實施方式，同時也能為學生提供更豐富的實驗資源，滿足新工科對物聯網專業復合型人才培養的現實需求。

（1）加強競賽、項目的引導，擴大案例資源使用群體。引導學生將實驗案例轉化為設計性課程作業項目，鼓勵學生將其細化為可參加競賽或教師項目的相關課題資源，擴大實驗案例在課程外的使用群體，提升案例資源的教學效能。

（2）利用物聯網行業新技術發展浪潮，為學生提供更多模塊化案例資源。通過項目資助方式采購模塊化的新技術模塊，如NB-IoT（窄帶物聯網技術），可通過購買基礎NB-IoT模塊及包月SIM卡的方式，為無線傳感器網絡（1學分，72學時）、物聯網應用系統綜合設計（1學分，72學時）等多門物聯網專業綜合設計性課程提供更豐富的實驗案例資源，提升實驗案例資源的跨課程兼容性，最終提高實驗案例的教學效能。

（3）利用互聯網新技術，探索更多類型計劃內、外開放模式。針對物聯網專業和非物聯網專業學生，設計兩套不同實驗資源網絡共享模式，即SPOC、MOOC。

針對物聯網專業，主要采用“案例硬件模塊+串口通信模塊+云服務平臺”的SPOC小規模限制性在線課程開放模式。RFID案例資源的具體開放流程如圖3所示。同時，該平臺目前也得到部分升級，可面對卓越工程師班（非物聯網專業）在課外小規模使用。

針對非物聯網專業，主要依托于學院國家級虛擬仿真實驗教學中心的網絡開放平臺，用于競賽培訓、計劃外教學等，采用MOOC大型開放式網絡課程模式。開放流程如圖4所示。平臺內的物聯網案例資源包含完整源代碼、設計報告、實驗報告、操作視頻、案例環境搭建與實操說明文檔等。除3大物聯網平臺包含的各類案例外，部分設計性案例資源來自原教師項目成果或學生課程設計項目轉化。采用MOOC開放模式，極大地提升了物聯網教學設備的使用人時數及使用效率，提高了實驗案例資源的教學效能。

4 結語

目前地方高校學生高分低能現象較為普遍，解決實際問題的能力有待提高，主要原因是現行計算機課程教學體系普遍缺少對學生工程能力和創新能力的培養[4]。為了避免高分低能人才培養困局，物聯網專業實驗案例建設必須順應新工科人才培養潮流，即復合型實踐人才培養。因此，采用新的案例建設思維模式，更新授課內容、方法和形式，大膽使用新技術是極有必要的。注重實驗教學體系設計中的課群建設;以模塊化方式解構原有實驗案例并建設積木拼接式的案例資源庫;利用競賽、項目與新技術等課程外動力的引導推動，都可以有效提升物聯網專業的跨專業培養能力，擴展實驗案例開放水平，提高課內課外實驗效能，并最終提升物聯網專業在新工科背景下的跨專業、跨學科培養能力。

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（責任編輯：何 麗）