基于“四類型六環節”實驗教學體系建設物聯網工程專業實驗案例庫

王 毅，張滬寅，黃建忠，彭紅梅，何承達

基于“四類型六環節”實驗教學體系建設物聯網工程專業實驗案例庫

王 毅，張滬寅，黃建忠，彭紅梅，何承達

（武漢大學 計算機學院，湖北 武漢 430070）

根據物聯網工程專業人才培養規律，以課群為核心，建設了“四類型六環節”的本科實驗教學體系，完整覆蓋了物聯網工程專業本科實驗教學的實驗類型與教學環節；為了夯實實驗教學體系培養效果，提升學生的實踐能力，提高學生復合型設計素養，從通用性、避免碎片化、跨學科、重開放的角度出發，建設了與實驗教學體系相適應的實驗案例庫。

實驗教學體系；物聯網工程；實驗案例庫

新一輪工業革命正在全球范圍內進行，工業智能化轉型是此輪工業革命的核心主題，這是一次經濟社會系統變革，其全方位、多層次的演進特征將對國際產業分工和競爭格局產生深遠影響[1-2]。物聯網工程專業人才培養必須符合這一變革需要，而實驗教學是培養學生實踐能力、創新思維的重要環節，是人才培養體系的重要組成部分[3]，實驗課程體系建設必須平衡本科實驗教學的基礎性及復合型人才培養的廣泛性，應本著“厚基礎、寬口徑、高素質、創新型”的原則。基于此原則，作為2011年全國首批獲教育部批準開設物聯網工程專業的我校計算機學院，結合人才培養的實際需求，建立了物聯網工程專業“四類型六環節”的實驗教學體系。

物聯網課程實驗內容涉及學科較多，人才培養難度較高，學生不僅要很好地掌握專業知識，還要具備跨行業的自主設計能力，即必須具備廣基礎、泛專業特點。因此，建設與實驗教學體系相適應的實驗案例庫十分必要。

1 傳統教學體系下，物聯網實驗教學的常見問題

將傳統實驗教學體系用于物聯網實驗教學是有問題的[4-5]。物聯網專業涉及學科較多，雖然技術層次劃分明確，但技術標準繁雜，諸如硬件接口適配、網絡通信協議、軟件編譯環境等并沒有統一的標準，如果按照傳統的實驗教學體系進行實驗教學，會存在如下一些問題。

1.1 標準升級迭代迅速，實驗案例缺乏通用性

2005年國際電信聯盟ITU在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上正式確定了“物聯網”概念，并隨后發布了《ITU Intenet Reports 2005: The Internet of Things》[6]，物聯網行業開始加速發展。美國權威咨詢機構Forester預測，到2020年，世界物物互聯業務與人人通信業務的比例將達到30∶l，“物聯網”因此被稱為下一個萬億級通信業務[7]。但物聯網涉及領域眾多，技術發展迅猛，標準迭代迅速，實驗教學設備始終缺乏統一的采購與評估標準。雖然根據具體課程定制化生產實驗教學設備，可在一定程度上解決標準缺失帶來的通用性問題，但卻使建設成本居高不下，而且由于實驗內容的局限性，通常在行業技術升級后便難以繼續使用，降低了使用效率和教學效能。

1.2 實驗課程間的內部聯動不足，實驗案例碎片化

傳統實驗教學一直存在“重理論輕實驗”傾向。物聯網產業是“中國制造2025”計劃的重要支撐產業，所需人才不僅要理論與實踐能力并重，還要在精通本專業知識的基礎上，初步具備跨專業、跨學科的綜合設計能力，因此在不同類型實驗課程間實現聯動是這類人才培養的客觀要求。在傳統實驗教學體系中，由于學科與學科、課程與課程沒能建立有效關聯，課程分布及案例資源呈現“碎片化”，與“中國制造2025”發展要求不符[8]。

1.3 實驗案例資源難以支撐跨專業、跨學科復合型人才培養

物聯網可按技術領域劃分為感知層、傳輸層、應用與控制層。僅以傳輸層為例，相關實驗可能涉及的各類協議及設備如圖1所示。

圖1 物聯網傳輸層所涉及的各類協議及硬件

相較于物聯網專業理論教學中知識點的體系化和線性分布，實驗教學中所涉及的知識點呈碎片狀且相互交織。物聯網專業的學生可通過相關課程的理論與實驗教學掌握物聯網專業各類應用技術，具備初步物聯網項目設計能力，但卻難以滿足其他專業、學科學生對物聯網知識的跨專業、跨學科學習需求。

1.4 計劃外開放資源不足，不利于學生主觀能動性發揮和設備使用績效提升

傳統的實驗課程體系注重課程實驗的計劃內開放。在進行基于硬件設備的物聯網專業實驗課程時，教師需對設備原理、操作方法、實驗要點、安全事項、結果觀測、故障排查等內容進行系統的集中授課講解，教師或實驗員還要全程輔助。在此模式下，實驗案例資源大多不具備獨立操作性，不利于學生進行自主學習、自行設計，更限制了物聯網實驗室的計劃外開放能力，導致設備績效（年均人機時等）不高。

2 基于“四類型六環節”實驗教學體系的案例庫建設思路與方法

建立滿足創新創業能力培養需求的新的實驗教學體系，不能簡單地做加減法，例如增加一些創新創業教育課程、實踐育人環節和創業平臺，或減少一些課程、教學環節，甚至盲目鼓勵學生脫離專業學習、過早介入創業實踐等[9]。我校計算機學院根據物聯網工程專業人才培養規律，以課群為核心，將新的教學理念與傳統的教學流程相融合，建立了“四類型六環節”的本科實驗教學體系（見圖2），完整覆蓋了物聯網工程專業本科實驗教學的各種實驗類型與教學環節。在此實驗教學體系下，為解決通用性低、碎片化程度高、跨專業及學科培養能力不足、開放程度不高等傳統實驗教學體系下的實驗案例缺陷，應從以下幾方面入手。

圖2 物聯網工程專業“四類型六環節”實驗教學體系

2.1 分解實驗課程知識點，打造模塊化的實驗案例單元，提升案例通用性

按照“四類型六環節”實驗教學體系，將實驗案例劃分為認知、驗證、設計、綜合、畢業設計、科研競賽6種類型（或環節）。將各類實驗案例所包含的知識點進行分解，以設備底層硬件模塊為案例單元界限，按照知識點最大公約數原則將案例重構為獨立的實驗案例單元。在同類知識點采用不同硬件設備的情況下，以編譯環境、軟件工程文件、硬件接口普適性為參考原則，選取通用性最高的設備作為案例單元的硬件載體。

模塊化的實驗案例單元可以較好地解決不同硬件平臺間因協議或標準不統一而產生的通用性問題，由其構成的實驗案例資源庫也因此具有較好的通用性。同時，行業相關技術更新迭代后，所對應的案例資源也易于根據技術更新方向進行改造升級。

2.2 以課群建設為指導思想構建教學體系，避免案例內容碎片化

卓越的課程體系來源于精準的頂層設計[10]。為了滿足新工科人才培養需求，必須以課群建設為指導思想來構建實驗教學體系。“四類型六環節”實驗教學體系將課程劃分為基礎實驗、專業實驗、綜合實驗、科研創新實踐4種類型，將實驗案例資源庫中的模塊化案例單元作為橋梁，聯通各類實驗課程。

各類課程中涉及到的實驗知識點可按照案例復雜程度，由模塊化案例單元采用層層嵌套、循序漸進的方式，依次組成以上4類實驗課程所包含的認知性、驗證性、設計性、綜合性、畢業設計性、科研競賽性實驗案例。由于案例單元具備較好的通用性，不同課程間的實驗案例便具備較好的聯通性，避免了課程間案例內容的碎片化以及分割知識點制作案例單元所帶來的知識點碎片化。

2.3 以應用為導向，采取案例單元積木拼接方式開展實驗，降低跨專業、跨學科人才培養門檻

為了避免非物聯網專業學生學習物聯網知識時遇到的知識儲備不足、時間成本高昂等普遍性問題，必須以應用為導向，即以具體項目為實驗課題，將其分解為與案例庫所包含的知識點一一對應的多個“積木”模塊，引導學生采用積木拼接方式完成對相應知識點的認知性案例、驗證性案例、設計性案例的實驗過程。最終，學生可通過完成一個綜合性的實驗項目，掌握相關技術的學習方法，熟悉一些物聯網技術的應用方式，形成一體化的物聯網項目設計思維方式，降低跨專業、跨學科人才培養門檻。

2.4 細化實驗案例單元內容，積極采用云計算等新技術手段，滿足多種類型的開放需求

依照“四類型六環節”實驗教學體系，將實驗室開放分為計劃內開放（實驗授課）和計劃外開放（科研競賽、畢業設計）2類。為了有效解決傳統實驗教學體系中計劃外開放資源不足的情況，可針對不同需求的學生群體，采取不同的組織方式和教學方式。

對于物聯網專業學生，可采取云平臺的開放模式。通過服務器分配給對應學生團隊一個虛擬計算資源點，其內部包含可操作的各類實驗案例單元和往屆學生項目庫。學生可參照云平臺提供的資源，在實驗室或寢室中完成項目的硬件組成、軟件編譯等流程，再通過云平臺驗證項目的完成程度，并最終在云平臺上留存設計文檔、軟件編碼、實驗報告等，用以形成新的學生項目資源。

對于非物聯網專業學生，應細化實驗案例單元的指導資料，尤其是認知性實驗案例和驗證性實驗案例。從實驗指導書開始，在原理闡述、設備使用、操作要點、安全事項、結果觀測、故障排查等方面進行詳細的圖文說明，盡量保證學生通過閱讀相關指導資料即可獨立完成基礎實驗及部分專業實驗課程的內容。

3 案例庫建設的基本原則、注意事項及建設成果

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”戰略的責任[11]。物聯網工程專業是“中國制造2025”背景下新工科人才培養的重要專業，其實驗教學體系要有利于夯實學生的實驗實踐能力，同時要有利于培養具有跨專業、跨學科能力的復合型人才目標的實現。

我校計算機學院物聯網工程專業于2014年獲批財政部改善辦學條件專項“物聯網實驗室建設項目”資金200萬元后，基于“四類型六環節”實驗教學體系，采用模塊化案例單元思維，建設了“RFID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”等，目前可開設11門實驗教學課程。

通過日常教學過程的不斷驗證，單元化的實驗案例庫較好地支撐了“四類型六環節”實驗教學體系，取得了較好的教學效果，同時也總結出了一些需要注意的基本原則和要點。

3.1 分解重構模塊化案例單元的基本原則與成果說明

3.1.1 具體知識點抽象化

針對種類繁多的實驗資源，必須抽象化看待知識點，方能構建基于大類概念下的分眾模塊化實驗單元。

以“RFID實驗教學平臺”建設過程為例。RFID技術的抽象概念為讀卡操作，應用方向為通過射頻信號完成信息傳遞，區分方法一是頻段、二是協議。基于以上幾點，可將RFID實驗教學平臺的案例單元劃分為高頻ISO 15693協議類案例單元（可完成尋卡、讀卡、信息寫入、商品防盜等多個基礎實驗課程的實驗內容，其他種類案例單元亦可完成類似內容）、高頻ISO 14443協議類案例單元、超高頻UHF案例單元、2.4G與125K頻段讀卡器案例單元、驗證性應用案例單元（槍械管理、圖書租借、身份認證共3個）、綜合設計性案例單元（學生課程項目轉化17個）、科研競賽性案例單元（學生競賽項目轉化1個）。

3.1.2 以硬件設備便利性評價案例單元

由于物聯網實驗大多基于各類硬件設備完成，因此實驗案例單元建設必須以適配性最好的硬件設備為基礎承載單元。

以“RFID實驗教學平臺”為例，ISO 14443協議類案例單元原本實驗硬件為實驗箱上的天線式ISO 14443協議讀卡器，后因其僅支持RS232串口通信，在后續課程的許多實驗中無法直接使用，因此將此部分案例單元轉換為提供SPI接口的RC522讀卡器模塊，提升了ISO 14443協議類案例單元課程間的通用性。

3.1.3 成果說明

目前物聯網工程實驗室針對物聯網實驗教學特點建設了“RFID實驗教學平臺”“傳感網實驗教學平臺”和“物聯網綜合應用實踐平臺”3大平臺，其中“RFID實驗教學平臺”包含各類案例單元25個。3大平臺共包含135個實驗案例單元，覆蓋認知、驗證、設計、綜合、畢業設計、科研競賽6種類型。

3.2 以應用為導向，積木化拼接案例單元的注意事項與成果說明

3.2.1 技術實施方法要注意簡易性

在設計針對跨專業、跨學科培養的實驗案例單元時，應考慮到非物聯網專業學生的知識儲備情況，相關技術應選擇同等實驗效果下最簡易的實施方法，便于學生學習掌握。

3.2.2 技術類別范圍需涵蓋物聯網三層劃分架構

為了便于學生通過完成綜合性項目，形成一體化的物聯網項目設計思維，項目需至少涵蓋“感知層”“傳輸層”和“應用與控制層”中各層的某一類技術應用方法。

3.2.3 成果說明

目前針對卓越工程師班（非物聯網專業），在嵌入式系統設計實驗課程中設計了“基于MCU設備的積木式安防監控系統設計與制作”綜合性實驗項目。

針對跨專業、跨學科的各類競賽集訓設計了“ROS機器人小車的控制與導航”“基于SLAM算法的激光雷達”“基于RFID技術的智能跑道監控系統”共3個綜合性實驗項目。

以“基于MCU設備的積木式安防監控系統設計與制作”項目為例，其實驗案例單元的拼接流程如圖3所示。該項目涵蓋感知層（RFID、傳感器）、傳輸層（有線或無線通信）、應用及控制層（樹莓派、Arduino），通過72學時的實驗教學，學生可在掌握各部分知識技能后自行設計一套安防監控系統（如用于校園、住宅小區等）。

圖3 單一知識點拼接成綜合性項目

3.3 實驗案例庫開放注意要點與成果說明

3.3.1 硬件網絡共享與針對小規模群體的開放模式

針對物聯網專業實驗案例均基于硬件、難以進行網絡共享的現實情況，可采用“案例單元硬件+網絡串口通信模塊+云服務平臺”的架構方式解決。而物聯網專業主要通過實驗課程完成相關教學計劃，因此開放規模一般較小，因此可采用SPOC小規模限制性在線課程模式進行開放。

目前我院使用的云平臺已進行了部分升級，可面對卓越工程師班（非物聯網專業）在課外小規模使用。該云平臺RFID實驗案例單元的開放情況如圖4所示。

圖4 RFID實驗案例以SPOC模式開放

3.3.2 針對非物聯網專業學生計劃外開放的注意要點

為避免實驗效率低、實驗設備損壞等問題，應要求學生的所有操作必須在實驗室內完成，不可外借設備。開放時間內的人員組織可交由經安全培訓的高年級學生負責。

3.3.3 成果說明

2017年全年面向900多名院內外學生開放實驗案例資源，參與開放培訓的學生團隊獲得了以下榮譽：第三屆全國“互聯網+”大學生創新創業大賽，獲全國金獎1項、銀獎2項、銅獎1項，獲湖北省金獎4項、銀獎7項、銅獎13項；第十屆中國大學生計算機設計大賽，獲全國一等獎1項、二等獎3項、三等獎7項；第四屆全國大學生物聯網設計競賽，獲全國一等獎3項，獲華中及西南賽區特等獎3項、一等獎2項。

4 結語

本科教育是高等學校長遠發展中最基礎、最重要的工作之一[12]，實驗教學是培養高水平、創新型人才的重要手段，是新形勢對高等教育教學的迫切要求[13]。我校計算機學院為應對新工科背景下人才培養的新變化與新需求，結合物聯網工程專業人才培養特點，提出了“四類型六環節”實驗教學體系，并針對該體系建設了較為完善的模塊化實驗案例單元庫，提升了實驗案例的通用性，避免了案例資源及實驗課程的碎片化，提高了對非物聯網專業學生的跨專業、跨學科培養能力，提升了實驗案例資源的開放效果與設備使用效能。

[1] 呂鐵，吳福象，魏際剛，等.“中國制造2025”的六重玄機改革傳媒發行人、編輯總監王佳寧深度對話六位知名學者[J].改革，2015(4): 5–25.

[2] 姜黎輝.“中國制造2025”發展戰略背景下工科人才培養模式創新研究[J].科技創新與生產力，2016(6): 1–5.

[3] 范公廣，劉永萍，謝軍.國家級實驗教學示范中心實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2013, 30(2): 134– 136.

[4] 秦鋼年，黃大明，盧福寧，等.構建適應創新型人才培養的實驗教學體系[J].實驗室研究與探索，2012, 31(1): 101–104.

[5] 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): 144–146.

[6] International Telecommunication Union. Internet Reports 2005: The Internet of things[R]. Geneva: ITU, 2005.

[7] 劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學，2010, 37(6): 1–4, 10.

[8] 洪大用.在“雙一流”建設中大力加強本科人才培養[J].中國大學教學，2016(4): 9–16.

[9] 楊麗媛.本科人才培養過程中的課程管理和改革新途徑[J].西南師范大學學報（自然科學版），2015, 40(1): 163–168.

[10] 周海銀.高等教育如何適應“中國制造2025”[J].山東師范大學學報（人文社會科學版），2015, 60(4): 119–124.

[11] 黃凱.優化實驗教學體系建設促進創新型人才培養[J].實驗室研究與探索，2008, 27(9): 79–81, 98.

[12] 董賈壽.高校實驗教學改革與實驗室建設的理念與模式[J].實驗科學與技術，2006, 4(4): 1–3.

Construction of experimental case library of Internet of Things Engineering specialty based on experimental teaching system with “Four types and six links”

WANG Yi, ZHANG Huyin, HUANG Jianzhong, PENG Hongmei, HE Chengda

(School of Computer Science, Wuhan University, Wuhan 430070, China)

According to the characteristics of cultivating talents in the Internet of Things specialty and by taking the course group as the core, the undergraduate experimental teaching system with “Four types and six links” has been constructed, which covers the different experimental types and teaching links of undergraduate experimental teaching in the Internet of Things specialty. In order to consolidate the training effect of experimental teaching system, enhance students’ practical ability and improve their comprehensive design literacy, an experimental case library suitable for the experimental teaching system is constructed from the perspectives of universality, avoidance of fragmentation, interdisciplinary learning and emphasis on opening.

experimental teaching system; Internet of things engineering; experimental case library

G642.0

A

1002-4956(2019)07-0174-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.042

2018-11-26

武漢大學實驗技術項目（WHU-2017-SYJS-06）；武漢大學實驗教學中心開放項目（WHU-2018-XYKF-03）

王毅（1984—），男，湖北武漢，碩士，助理實驗師，研究方向為物聯網工程.E-mail: aaronwangyi@163.com