基于多學科交叉的物聯網控制技術教學改革研究

萬勇　王從慶

摘 要：為了提高“物聯網控制技術”課程的教學質量，基于該課程內容的多學科交叉性，探索培養學生理論遷移能力、工程應用能力和創新實踐能力的教學改革。該文首先對物聯網發展現狀、物聯網工程發展需求、物聯網與控制的關系進行了分析，然后對該課程的主要特點進行了討論，進而提出施行反饋式閉環教學模式、建設開放式綜合實驗體系、建設大學生實踐基地，最終形成一套科學的、完整的、滿足社會需求的、滿足學生需要的教學實驗實踐體系，旨在培養學生創新思維和實踐能力。

關鍵詞：物聯網控制技術 實踐能力 創新思維 人才培養

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0019-03

Teaching Reform Research on Internet of Things Control Technology Based on the Feature of Multi-disciplines Intersection

Wan Yong Wang Congqing

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing Jiangsu，211106，China）

Abstract：In order to improve the teaching quality of the internet of things control technology， based on the feature of multi-disciplines intersection of the contents of this course， the teaching reform that cultivates students theory migration abilities， engineering application abilities， and innovative practicing abilities is explored. Firstly， the current situation of the development of internet of things， the development requirement of internet of things engineering， the relationship between internet of things and control， are analyzed. Then， the main features of this course are discussed. As such， we have proposed to implement feedback closed-loop teaching mode， construct open synthetical experimental system， build undergraduate practicing base， and eventually a set of scientific， systematic teaching-experiment-practice system is formed， which can meet the needs of society and students， and is aiming at cultivating students innovative thoughts and practicing talents.

Key Words：Internet of things control technology；Practicing talents；Innovative thoughts；Talent cultivation

“物聯網”的概念于1999年被提出，主要特征是通過射頻識別、傳感器等方式獲取物理世界的各種信息，結合互聯網、移動互聯網等網絡進行信息的傳送與交互，采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提高對物質世界的情境感知能力，實現智能化的決策和控制。物聯網是一個交叉學科，核心技術覆蓋整個信息學科，包括電子、通信、計算機和控制等。“物聯網”不是單一的技術，而是跨學科的技術綜合，它不僅僅是將人、機器設備和基礎設施進行相連，更是要實現對人、物、環境進行實時的控制和管理，提高資源利用率和生產力水平。實現高效的、智慧型的物聯網，需要多種技術支撐，而控制技術是重要的支撐技術之一。物聯網是控制技術實施智能化決策和控制的應用對象。物聯網是外在的表現形式，而控制技術是驅動物聯網有效工作的內在核心技術。美國斯坦福國際研究院SRI對物聯網技術趨勢進行了預測，未來的物聯網技術將更加傾向高效的定位和控制能力。因此，物聯網控制技術在實現高效的、智慧型的物聯網領域具有廣泛的應用前景[1]。

“物聯網控制技術”是信息工程學科一門新興的專業教育課程，是物聯網領域一門前沿的專業特色課程，該課程對培養物聯網工程創新型人才發揮著重要作用。目前，許多高校設有“物聯網工程”專業，并開設有“物聯網控制技術”課程，但由于物聯網在我國尚屬于發展階段，該專業的人才培養模式仍屬于實驗探索發展階段，因此，該課程的教學研究尚屬起步階段，教學模式側重基礎理論教學，缺乏對學生創新實踐能力的培養。綜上所述，建立以培養學生理論遷移能力、工程應用能力和創新實踐能力為核心的多學科交叉融合的物聯網控制技術教學平臺，探索引導學生開展自主學習、科學研究與創新實踐的研究型教學，是提高該門課程教學質量和強化人才培養的有效途徑[2]。

1 本課程主要內容特點

“物聯網控制技術”是物聯網工程專業本科生選修的一門專業課程，是一門具有多學科交叉性、基礎理論性、工程實踐性的課程，主要包括：物聯網基礎、控制原理、物聯網控制技術的工程應用3個方面。通過本課程的學習，學生應該掌握物聯網的基本概念及其與控制技術的關系、經典控制理論（拉氏變換、時域法、根軌跡法、頻域法、PID控制基礎）、物聯網控制系統的分析與設計方法。該課程屬于面向物聯網工程應用的基礎理論型課程，著重建立學生的控制工程基礎，培養學生的控制工程思維，提高學生應用控制專業知識分析和解決問題的能力，為將來從事與物聯網工程相關的建模、控制、系統穩定性分析等物聯網領域的理論研究、系統研發和算法設計等工作打下堅實基礎。“物聯網控制技術”課程主要具有如下幾個方面的特點。

（1）多學科交叉性強。物聯網與控制技術涉及自動化、通信、計算機等多個學科，屬新興交叉學科。本課程需要學生明確各學科在物聯網工程應用中的作用，及其與物聯網的關系等。在此基礎上，本課程要求學生重點掌握經典控制原理，具備物聯網系統簡單建模的能力，能夠靈活應用控制理論和技術分析與解決簡單物聯網控制系統問題。

（2）理論性強。本課程對學生的數學基礎要求較高，要求學生深入掌握拉氏變換、時域法、根軌跡法、頻域法、PID控制基礎。但該課程中涉及的理論并非僅僅局限于理論本身，而是面向物聯網的工程基礎，因此，課程需要引導學生根據不同物聯網的具體特點，建立能夠滿足分析需要的數學模型，并利用控制理論方法分析控制系統設計以及控制參數對系統性能的影響。這一過程涉及大量的數學推導，因此要求學生掌握高等數學、復變函數等課程知識。

（3）工程實踐性強。“物聯網控制技術”是一門為物聯網工程服務的基礎理論型課程。由于該門課程具有工程實踐背景，所以在進行理論課教學的同時，需要開設配套的實驗課來培養學生的工程實踐能力。近年來，我校依托控制科學與工程、信息與通信工程、計算機科學與技術3個一級學科，整合資源，建設有江蘇省物聯網與控制技術重點實驗室、物聯網與控制技術江蘇高校優勢學科一期二期，各種軟硬件設備為開展實驗教學提供了條件，形成了可自主設計實驗、可實時驗證實驗、可在線分析實驗結果的互動教學環境，有利于幫助學生理解理論課知識，明確所學課程內容的意義，能夠靈活運用理論方法，以創造性地解決物聯網工程實踐問題。

2 反饋式閉環教學模式

高等學校教學的根本任務是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才，發展科學文化，促進社會主義現代化建設。本科教學是高等學校教學中的重要環節，學習主體是在校本科生，因此，教學目的的最終達成，需要結合每個學生不同的學習興趣、學習目的、學習能力，制定滿足學生學習需求的教學計劃和內容，而不是局限于教材、過分側重于教師的教而忽視了學生的學。

一方面，在某些教學中，部分學生經過一個學期甚至一個學年對某一門課的學習，雖然經過考試考核，但只是機械的接受知識，并不知道為什么學習該課程、學習該課程有什么用，缺乏對課程知識本質的深刻理解，喪失了學習興趣，缺乏學習動力和自主探究能力。另一方面，隨著社會經濟的發展，各行業對物聯網技術的需求也越來越大，這就要求我們對教學內容做出相應的調整，以滿足日益變化的需求。

因此，高等教學的根本任務是培養出能夠適應21世紀行業發展需求的新型復合式人才，以及能夠與國際接軌的創新實踐型人才[3]。“物聯網控制技術”課程學科交叉性強、理論難度深、實踐應用性強，單一的教學模式和內容無法滿足學生的學習興趣以及社會對人才的要求，更不能適應新時期工科專業的培養目標。

為了能夠科學的解決好上述教育目標及教學中遇到的實際問題，前提是要轉變教師教學態度，教學的主旨是為學生服務，目的是為社會輸送合格高級人才，而不是把學生考倒，考試只是手段，不是目的。我們要充分尊重學生的學習意愿、激發學生的學習興趣、跟蹤學生的學習效果，通過調查就業畢業生的反饋意見、對學校聘請的企業導師進行問卷調查，然后據此對現有教學內容、教學計劃進行調整。

反饋式閉環教學模式是“教學相長”的具體體現，是在傳統的單一教學模式基礎上進行改進的以培養學生創新實踐能力的多元化教學模式，充分尊重和確立學生在教學活動中的主體地位，加強教師的有目的、有針對性的指導作用，建立企業調研、學生反饋、指標分析、調整改進四位一體的閉環教學新理念。

如圖1和圖2所示，教師除了課堂上對知識點的講授教學，還需要指導學生熟悉國內外各大數據庫、掌握檢索科技文獻的方法，培養學生自主學習、課堂提問、討論，豐富課堂教學。然后，由教師根據學生反饋的提問、建議等對教學方法、內容等進行改進，不斷調整，形成閉環教學模式。

與此同時，反饋式閉環教學模式鼓勵學生進行課外自主研究學習，如建設課程網站，學生可以上傳自制的課外研究作品、撰寫的研究報告或論文等到網站展示，教師與學生可以利用課外時間進行網上討論，這樣有利于增加教師與學生的有效互動、將課內講授的概念、公式等知識轉化成學生頭腦中能夠解決實際工程問題的工具、加深知識的遷移、提升教學質量。

3 開放式綜合實驗體系

實驗課程是理論課程的輔助系統，是幫助學生對課上知識進行消化吸收、進一步明確課程意義、培養學生對知識的遷移能力、動手能力和創新實踐能力的重要手段。在教學方式上，以目前的授課、教學網站資源、物聯網與控制技術實驗室為基礎，不斷豐富實驗教學內容，積極采用啟發和研討式教學方法，促進課堂的生動性，提高學生學習的主動性和應用的積極性，從而提高實驗教學的質量[4]。

為了達到實驗課程的教學目標，我們根據已經改進的教學大綱不斷改進現有的實驗配套教材。新編教材旨在把基礎理論、軟硬件模塊、實驗設計、實驗數據分析等主要內容循序漸進地展現出來。此外，教材注重學生思維的拓展，在實驗章節中引入思考題，通過思考題啟發并拓展學生對實驗內容的理解。

實驗課教學不同于理論課，教師講授的實驗操作內容具有實時性的特點，學生自學或者復習往往達不到相應效果，一旦學生某一個環節沒有完全理解掌握操作技巧，不但達不到驗證和理解理論知識的目的，而且容易損傷實驗器材。因此，如圖3所示，我們在實驗課堂教學中，采用“邊講解邊動手”的實驗課教學特色，即教師與學生互動，每當教師講解到某一個環節，在教師指導并結合實驗教材的基礎上，學生立即動手驗證教師剛剛講解過的內容，做到“有問必答、有錯必究”。課后學生可以通過網絡留言的方式及時向教師反饋實驗學習心得體會，幫助教師改進實驗課的教學。教師也可以通過網絡留言的方式向學生提出實驗課的具體預習內容，需要提前完成的理論計算以及相應軟硬件的基礎知識。此外，在實驗過程中，通過啟發和討論的方式，引導學生自主排除故障，鍛煉學生思維和動手能力，提高學生實驗自主性。最終力求培養學生實驗素養，不斷豐富實驗課教學內容，提高實驗課教學質量。

我們開設的基于數據的物聯網智能建模與仿真實驗、物聯網控制系統時域仿真實驗、控制系統的頻率特性測試實驗等均通過對實驗過程中的3環節“實驗預習”、“實驗操作”、“實驗報告”層層把關，端正學生對實驗的態度，注重培養學生嚴謹求實的科學素養；其次，豐富實驗形式，通過“MATLAB仿真”、“自動控制原理實驗箱的電子模擬仿真”、“EWB電路仿真”等多樣化的實驗手段，既激發了學生的實驗積極性，又提高了學生的實驗技能。

4 大學生實踐基地建設

物聯網是國家與江蘇省的戰略性新興產業，物聯網與控制技術學科結合國家加快推進物聯網發展的重大戰略需求，整合我校控制、儀器、通信及信息工程、計算機等相關學科優勢資源，提高科研創新能力，建設國內一流的具有航空特色的物聯網與控制技術新興交叉學科。建立大學生實踐基地是培養學生工程實踐能力、加強校企合作、提高教學水平的有效手段[5-6]。實踐基地以“物聯網控制技術”課程為主導，為學生提供物聯網優化控制與智能決策研究平臺、面向航空的物聯網情境感知和無縫智能體系定位研究平臺、面向航空的物聯網系統智能診斷、健康管理研究平臺等創新實踐平臺。

實踐基地的建設不僅需要從實驗設備、實驗平臺等方面為學生提供良好的軟硬件工程實踐基礎，更為重要的是貫徹反饋式閉環教學模式、開放式綜合實驗體系，切實改變傳統教學模式，為探索教學新途徑提供重要保障。大學生實踐基地應具備以下幾個特點。

（1）以培養學生基本技能為目標，統籌安排理論教學和實踐教學課時，開設一批實驗選修課，注重培養學生處理復雜系統的能力，結合實踐基地資源，精心設計一系列綜合性、設計性實驗。

（2）以培養學生綜合設計能力為目標，抓好綜合實驗教學體系改革。把融會貫通理論知識、促進科學思維和創新思維作為實踐環節主要教學目標，設計一些具有較強航空航天應用背景的物聯網控制實驗實踐項目案例，讓學生結合實際案例自主學習、綜合設計與分析、進行創新和思考，提升大學生的綜合分析水平和創新能力。

（3）校企合作培養。實踐教育中心積極開展實踐教育活動，每年有組織地安排學生到校外實習實踐基地，與基地指導教師一起完成教學內容，形成課內與課外相結合，校內與校外相結合，理論與實踐相結合，學校課堂與企業車間相結合的實踐教學新模式，構建一個立體化、多通道的實踐方法和教學手段。培養學生與企業、與社會的溝通能力以及分析和解決實際問題的能力。

5 結語

“物聯網控制技術”課程是物聯網工程學科一門新興的專業教育課程，具有多學科交叉性強、理論性強和工程實踐性強等特點。該文對該課程進行教學改革探索，提出了反饋式閉環教學模式、開放式綜合實驗體系、大學生實踐基地建設。通過學生反饋、企業調研、獎勵機制、校企合作，培養學生創新思維、理論的工程遷移能力和實踐能力。

參考文獻

[1] 潘勇，熊江，高子林.物聯網工程“無線傳感網絡”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2014（14）：184-189.

[2] 周璀.《物聯網概論》課程教學改革與研究[J].科技資訊，2013，31（35）：198.

[3] 夏伏洋.基于項目化的物聯網應用技術專業實踐教學改革探索[J].產業與科技論壇，2015，14（3）：128-129.

[4] 李巖，汪永生.應用型本科院校物聯網實踐教學改革與創新研究[J].銅陵學院學報，2014（5）：123-125.

[5] 王俊波.物聯網專業應用型人才培養研究與改革[J].物聯網技術，2015（5）：106-108.

[6] 柏榮剛，張海燕，蔡祥，等.物聯網應用課程教學改革探索[J].計算機教育，2015（10）：25-28.