基于多學科交叉的物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)教學改革研究

萬勇　王從慶

摘 要：為了提高“物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)”課程的教學質(zhì)量，基于該課程內(nèi)容的多學科交叉性，探索培養(yǎng)學生理論遷移能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力的教學改革。該文首先對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、物聯(lián)網(wǎng)工程發(fā)展需求、物聯(lián)網(wǎng)與控制的關(guān)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(huán)教學模式、建設(shè)開放式綜合實驗體系、建設(shè)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(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù) 實踐能力 創(chuàng)新思維 人才培養(yǎng)

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(lián)網(wǎng)”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(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進行信息的傳送與交互，采用智能計算技術(shù)對信息進行分析處理，從而提高對物質(zhì)世界的情境感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。物聯(lián)網(wǎng)是一個交叉學科，核心技術(shù)覆蓋整個信息學科，包括電子、通信、計算機和控制等?！拔锫?lián)網(wǎng)”不是單一的技術(shù)，而是跨學科的技術(shù)綜合，它不僅僅是將人、機器設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進行相連，更是要實現(xiàn)對人、物、環(huán)境進行實時的控制和管理，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平。實現(xiàn)高效的、智慧型的物聯(lián)網(wǎng)，需要多種技術(shù)支撐，而控制技術(shù)是重要的支撐技術(shù)之一。物聯(lián)網(wǎng)是控制技術(shù)實施智能化決策和控制的應(yīng)用對象。物聯(lián)網(wǎng)是外在的表現(xiàn)形式，而控制技術(shù)是驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)有效工作的內(nèi)在核心技術(shù)。美國斯坦福國際研究院SRI對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)趨勢進行了預(yù)測，未來的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將更加傾向高效的定位和控制能力。因此，物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)在實現(xiàn)高效的、智慧型的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

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

1 本課程主要內(nèi)容特點

“物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)”是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科生選修的一門專業(yè)課程，是一門具有多學科交叉性、基礎(chǔ)理論性、工程實踐性的課程，主要包括：物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)、控制原理、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的工程應(yīng)用3個方面。通過本課程的學習，學生應(yīng)該掌握物聯(lián)網(wǎng)的基本概念及其與控制技術(shù)的關(guān)系、經(jīng)典控制理論（拉氏變換、時域法、根軌跡法、頻域法、PID控制基礎(chǔ)）、物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法。該課程屬于面向物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)理論型課程，著重建立學生的控制工程基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生的控制工程思維，提高學生應(yīng)用控制專業(yè)知識分析和解決問題的能力，為將來從事與物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)的建模、控制、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的理論研究、系統(tǒng)研發(fā)和算法設(shè)計等工作打下堅實基礎(chǔ)?！拔锫?lián)網(wǎng)控制技術(shù)”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(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)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(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用中的作用，及其與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系等。在此基礎(chǔ)上，本課程要求學生重點掌握經(jīng)典控制原理，具備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)簡單建模的能力，能夠靈活應(yīng)用控制理論和技術(shù)分析與解決簡單物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)問題。

（2）理論性強。本課程對學生的數(shù)學基礎(chǔ)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(chǔ)。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(lián)網(wǎng)的工程基礎(chǔ)，因此，課程需要引導學生根據(jù)不同物聯(lián)網(wǎng)的具體特點，建立能夠滿足分析需要的數(shù)學模型，并利用控制理論方法分析控制系統(tǒng)設(shè)計以及控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。這一過程涉及大量的數(shù)學推導，因此要求學生掌握高等數(shù)學、復變函數(shù)等課程知識。

（3）工程實踐性強?！拔锫?lián)網(wǎng)控制技術(shù)”是一門為物聯(lián)網(wǎng)工程服務(wù)的基礎(chǔ)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(shè)配套的實驗課來培養(yǎng)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(shù)3個一級學科，整合資源，建設(shè)有江蘇省物聯(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)重點實驗室、物聯(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)江蘇高校優(yōu)勢學科一期二期，各種軟硬件設(shè)備為開展實驗教學提供了條件，形成了可自主設(shè)計實驗、可實時驗證實驗、可在線分析實驗結(jié)果的互動教學環(huán)境，有利于幫助學生理解理論課知識，明確所學課程內(nèi)容的意義，能夠靈活運用理論方法，以創(chuàng)造性地解決物聯(lián)網(wǎng)工程實踐問題。

2 反饋式閉環(huán)教學模式

高等學校教學的根本任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才，發(fā)展科學文化，促進社會主義現(xiàn)代化建設(shè)。本科教學是高等學校教學中的重要環(huán)節(jié)，學習主體是在校本科生，因此，教學目的的最終達成，需要結(jié)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(nèi)容，而不是局限于教材、過分側(cè)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(jīng)過一個學期甚至一個學年對某一門課的學習，雖然經(jīng)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(zhì)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(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求也越來越大，這就要求我們對教學內(nèi)容做出相應(yīng)的調(diào)整，以滿足日益變化的需求。

因此，高等教學的根本任務(wù)是培養(yǎng)出能夠適應(yīng)21世紀行業(yè)發(fā)展需求的新型復合式人才，以及能夠與國際接軌的創(chuàng)新實踐型人才[3]?！拔锫?lián)網(wǎng)控制技術(shù)”課程學科交叉性強、理論難度深、實踐應(yīng)用性強，單一的教學模式和內(nèi)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(yīng)新時期工科專業(yè)的培養(yǎng)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(zhuǎn)變教師教學態(tài)度，教學的主旨是為學生服務(wù)，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(fā)學生的學習興趣、跟蹤學生的學習效果，通過調(diào)查就業(yè)畢業(yè)生的反饋意見、對學校聘請的企業(yè)導師進行問卷調(diào)查，然后據(jù)此對現(xiàn)有教學內(nèi)容、教學計劃進行調(diào)整。

反饋式閉環(huán)教學模式是“教學相長”的具體體現(xiàn)，是在傳統(tǒng)的單一教學模式基礎(chǔ)上進行改進的以培養(yǎng)學生創(chuàng)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(yè)調(diào)研、學生反饋、指標分析、調(diào)整改進四位一體的閉環(huán)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(nèi)外各大數(shù)據(jù)庫、掌握檢索科技文獻的方法，培養(yǎng)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(jù)學生反饋的提問、建議等對教學方法、內(nèi)容等進行改進，不斷調(diào)整，形成閉環(huán)教學模式。

與此同時，反饋式閉環(huán)教學模式鼓勵學生進行課外自主研究學習，如建設(shè)課程網(wǎng)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(wǎng)站展示，教師與學生可以利用課外時間進行網(wǎng)上討論，這樣有利于增加教師與學生的有效互動、將課內(nèi)講授的概念、公式等知識轉(zhuǎn)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(zhì)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(tǒng)，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(yǎng)學生對知識的遷移能力、動手能力和創(chuàng)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(wǎng)站資源、物聯(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)實驗室為基礎(chǔ)，不斷豐富實驗教學內(nèi)容，積極采用啟發(fā)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(yīng)用的積極性，從而提高實驗教學的質(zhì)量[4]。

為了達到實驗課程的教學目標，我們根據(jù)已經(jīng)改進的教學大綱不斷改進現(xiàn)有的實驗配套教材。新編教材旨在把基礎(chǔ)理論、軟硬件模塊、實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)分析等主要內(nèi)容循序漸進地展現(xiàn)出來。此外，教材注重學生思維的拓展，在實驗章節(jié)中引入思考題，通過思考題啟發(fā)并拓展學生對實驗內(nèi)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(nèi)容具有實時性的特點，學生自學或者復習往往達不到相應(yīng)效果，一旦學生某一個環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)，在教師指導并結(jié)合實驗教材的基礎(chǔ)上，學生立即動手驗證教師剛剛講解過的內(nèi)容，做到“有問必答、有錯必究”。課后學生可以通過網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)留言的方式向?qū)W生提出實驗課的具體預(yù)習內(nèi)容，需要提前完成的理論計算以及相應(yīng)軟硬件的基礎(chǔ)知識。此外，在實驗過程中，通過啟發(fā)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(yǎng)學生實驗素養(yǎng)，不斷豐富實驗課教學內(nèi)容，提高實驗課教學質(zhì)量。

我們開設(shè)的基于數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)智能建模與仿真實驗、物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)時域仿真實驗、控制系統(tǒng)的頻率特性測試實驗等均通過對實驗過程中的3環(huán)節(jié)“實驗預(yù)習”、“實驗操作”、“實驗報告”層層把關(guān)，端正學生對實驗的態(tài)度，注重培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學素養(yǎng)；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(fā)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(shè)

物聯(lián)網(wǎng)是國家與江蘇省的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)學科結(jié)合國家加快推進物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，整合我校控制、儀器、通信及信息工程、計算機等相關(guān)學科優(yōu)勢資源，提高科研創(chuàng)新能力，建設(shè)國內(nèi)一流的具有航空特色的物聯(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)新興交叉學科。建立大學生實踐基地是培養(yǎng)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(lián)網(wǎng)控制技術(shù)”課程為主導，為學生提供物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化控制與智能決策研究平臺、面向航空的物聯(lián)網(wǎng)情境感知和無縫智能體系定位研究平臺、面向航空的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能診斷、健康管理研究平臺等創(chuàng)新實踐平臺。

實踐基地的建設(shè)不僅需要從實驗設(shè)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(chǔ)，更為重要的是貫徹反饋式閉環(huán)教學模式、開放式綜合實驗體系，切實改變傳統(tǒng)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(yīng)具備以下幾個特點。

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

（2）以培養(yǎng)學生綜合設(shè)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(chuàng)新思維作為實踐環(huán)節(jié)主要教學目標，設(shè)計一些具有較強航空航天應(yīng)用背景的物聯(lián)網(wǎng)控制實驗實踐項目案例，讓學生結(jié)合實際案例自主學習、綜合設(shè)計與分析、進行創(chuàng)新和思考，提升大學生的綜合分析水平和創(chuàng)新能力。

（3）校企合作培養(yǎng)。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(nèi)容，形成課內(nèi)與課外相結(jié)合，校內(nèi)與校外相結(jié)合，理論與實踐相結(jié)合，學校課堂與企業(yè)車間相結(jié)合的實踐教學新模式，構(gòu)建一個立體化、多通道的實踐方法和教學手段。培養(yǎng)學生與企業(yè)、與社會的溝通能力以及分析和解決實際問題的能力。

5 結(jié)語

“物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)”課程是物聯(lián)網(wǎng)工程學科一門新興的專業(yè)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(huán)教學模式、開放式綜合實驗體系、大學生實踐基地建設(shè)。通過學生反饋、企業(yè)調(diào)研、獎勵機制、校企合作，培養(yǎng)學生創(chuàng)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(lián)網(wǎng)工程“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實踐教學改革探索[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015，14（3）：128-129.

[4] 李巖，汪永生.應(yīng)用型本科院校物聯(lián)網(wǎng)實踐教學改革與創(chuàng)新研究[J].銅陵學院學報，2014（5）：123-125.

[5] 王俊波.物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)研究與改革[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（5）：106-108.

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