新工科背景下物聯網專業實驗教學體系探討

王毅 張滬寅 黃建忠 何承達 彭紅梅

摘 要：“新工科”既包含新興產業的對應專業，如物聯網、機器人和云計算，也包括傳統工科專業的升級改造。物聯網技術是新工科背景下各行業發展、升級的重要支撐，因此從實驗實踐角度探討其實驗教學體系，對提升高校物聯網專業建設質量，進一步夯實“中國制造2025”等國家計劃有積極意義。

關鍵詞：新工科；物聯網；實驗教學體系

中圖分類號：TP3-0 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

為應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，高校要主動服務國家創新驅動發展和“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略實施，加快工程教育改革創新，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，支撐產業轉型升級[1]。

在工業智能化轉型背景下，世界著名工科院校逐漸摒棄工程教育傳統狹隘的知識結構內涵，如麻省理工學院（MIT）建立了“大工程觀”的改革理念，提出了知識的完整性和系統性[2]?！靶鹿た啤贬槍π屡d產業的對應專業及傳統工科專業的升級改造，更強調實際應用性和綜合交叉性。物聯網是新工科重要的支撐技術之一，因此對物聯網實驗教學體系，從軟硬件整合角度進行深入的探索和改進[3]，對提高高校物聯網專業建設水平，夯實各類國家戰略具有積極意義。

2 從實驗實踐角度，當前物聯網專業實驗教學建設的共性問題分析（From the perspective of experiment，the analysis of the common problems in the current experimental teaching construction of IOT）

自2010年起，國內已先后有200多所本科高校和400多所專科學校經教育部批準后開設了物聯網相關專業，目前與物聯網相關專業的本科和大專學生共近十萬人/年，并且數量在逐年增加。目前整個物聯網產業標準不統一、核心技術不成熟、商業模式不清晰，以及存在潛在的安全隱患等問題，而合格人才短缺則是當今物聯網發展的重大瓶頸[4，5]。以武漢大學計算機學院為例，物聯網專業建設常見問題如下

（1）實驗室硬件環境建設容易滯后于實驗教學的實際需求。我院物聯網工程實驗室建設一度滯后于教學需求，主要原因有兩個：一是物聯網的實驗教學設備缺乏統一標準導致設備采購困難，即便根據實驗課程的實際需求進行定制生產，其招投標流程時間長、設備供應商前期投入巨大等一系列問題都導致了短時間內硬件建設難以滿足教學需求；二是物聯網相關技術迭代迅速，教學設備生產商無法短期內提供使用了新技術的實驗設備，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?；駿mber協議棧教學設備，定制開發也缺乏足夠人力支持，最終只能tinyos系統。后續為了確保實驗教學體系的完整性，不得不花費大量時間從軟件方面升級相關實驗平臺，以滿足實驗課程需求。

（2）物聯網實驗課程內容的整體質量有待提升。目前物聯網專業課程中的大部分實驗案例，主要由各設備供應商根據自身設備特性所提供，因此存在部分實驗課程的實驗案例主要以展示性和驗證性實驗為主，內容較為單一，且相關開發資源由供應商掌握，因此案例內容的延續性和穩定性較差。

（3）原創優秀案例內容難以保持。由于近年來各類物聯網相關競賽的正面激勵，產生了許多學生參賽的物聯網實驗項目，部分高校也將其轉化為實驗教學案例在實驗課程中面向學生開放。但由于學生項目的特殊性，存留在實驗室1—2年后，其可用性有較大存疑。

（4）傳統物聯網教學系統中，結課考核常作為評價標準，課間考核僅作為輔助性評價[6]。這種單一課程的授課與考核模式限制了學生的創新思維方式，使其僅局限于單門實驗課程的內容，無法培養其整體化的物聯網工程思維能力。

3 物聯網專業實驗教學體系建設的核心要素與問題

解決方案（The core elements and solutions for the

construction of the Internet of things experimental

teaching system）

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比l，因此，“物聯網”被稱為是下一個萬億級的通信業務[7]。物聯網行業的迅速發展，更需要高素養人才的強力支撐，因此對于以上物聯網專業實驗教學體系的缺陷和不足，只需抓住新工科對人才培養的核心需求，即增強實驗實踐能力，提高跨專業、學科的復合創新能力，就可以在一定程度上解決以上問題。

（1）以頂層設計為切入點，在本科人才培養方案中強化實驗實踐培養的比重。

物聯網技術極其強調實踐實驗能力的培養，想要合理解決教學中存在的實踐不足的問題，必須從頂層設計入手，編撰均衡完善的物聯網本科人才培養方案，提升實驗實踐課程的學時比例，通過大量時間的實驗實踐課程來提升學生的項目設計能力和實際動手能力。

（2）以課群建設為核心，提升實驗教學體系的人才培養效能。

物聯網專業三層次（感知、傳輸、應用）間的知識點相互關聯性極強，因此實驗教學體系的建設必須以課群建設為核心，可以按照“四類型六環節”的方式，如圖1所示，將各門實驗課程的內容劃分為認知環節所對應的基礎性實驗、驗證與設計環節所對應的專業性實驗、設計與綜合實訓環節所對應的綜合性實驗、畢業設計與科研競賽環節所對應的科研創新實踐，且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，提升實驗教學體系對人才培養效果的支撐能力。實驗課群體系圖如圖1所示。

圖1 四類型六環節的實驗課群體系

Fig.1 The experimental group system of four types

and six links

（3）建立校企共建機制，為實驗教學體系建設提供外部動力。

以實驗案例內容建設為重點，建立校企共建機制，由設備供應商提供開源軟件和咨詢服務支持，引導師生參與實驗案例內容的開發、拓展，豐富實驗教學案例的內容，可以為實驗教學體系的完善提供有效的外部動力。

（4）建立競賽引導機制，增加實驗教學體系的內在動能。

將競賽激勵導入實驗教學課程之中，即滿足了一般學生的教學需要，也拓展了優秀學生的培養方式，但前提是需要充分重視學情分析，切實做到以學生為中心組織教學過程[8]。只有以人才培養為中心，才可以保證實驗教學體系不出現根本性的偏差。在實際培養過程中，可根據競賽等級和難度的不同，分不同年級，利用不同的實驗課程，在完成實驗案例的同時，進行諸如人員選拔；競賽隊伍基礎培訓；項目設計與完善；文檔資料整理；競賽項目分層級轉換為基礎、綜合、設計性實驗案例資源等方面的工作。

（5）結合云計算技術，建立符合物聯網專業特點的開放機制，使物聯網專業實驗教學體系滿足新工科的核心需求。

高校院系之間的課程資源共享存在壁壘，院系專業課程只供本院系學生修讀，高校人才培養與科學研究之間、本科生培養與研究生培養之間、學院與學院之間、高校與高校之間的資源共享存在較大壁壘，存在壁壘的主要原因主要在于機制問題[9]。除了機制問題外，物聯網專業實驗教學案例均基于各類硬件設備，其實驗案例較為復雜，除實驗授課以外，難以有效實現案例資源對外開放。

利用云計算及網絡串口模塊通信技術，同時結合競賽隊伍開放引導培訓制度，可建立一套適合于物聯網專業特點的分層開放機制，有效支撐新工科背景下的跨專業、跨學科人才培養核心需求。

4 物聯網專業實驗教學體系建設的一些具體措施

（Some measures for construction of experimental

teaching system of Internet of things）

物聯網的技術構成主要體現在感知控制層、網絡層、應用層三個層次上。物聯網專業是計算機、電子、通信、自動控制、軟件、管理工程等多個學科的融合[10]。在新工科背景下，建設相對完善的物聯網專業實驗教學體系，就必須以社會產業的變革需求作為最重要的驅動要素，依次驅動相關專業頂層設計、案例資源建設、開放共享模式等要素的不斷優化。武漢大學計算機學院物聯網專業實驗教學體系建設中存在的一些亮點，可以分享如下。

4.1 合理進行頂層設計，夯實物聯網專業的跨專業、重

實踐的實驗教學培養體系

結合學院推行的大類招生培養模式及全新的課群建設方案，學院于2017年初重新編撰了物聯網專業本科人才培養方案，增強跨專業選修課程，尤其是面向卓越工程師班及計算機科學與技術專業開設更多物聯網相關的專業選修實驗課程，如RFID綜合設計等。合理分配了實驗課程工作量，讓專職實驗員全流程的參與到物聯網專業實驗課程的教學之中，做到在同等學分下，實驗課程學時兩倍于理論課程學時，夯實物聯網專業跨專業、重實踐的實驗教學培養體系。

4.2 根據課群建設需求，申請國家級專項資金，完善實

驗教學體系

實驗教學中心以“四類型六環節”的實驗課程建設理念，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”，涵蓋了10門本科實驗教學課程，共100多個實驗教學案例，較好的支撐了物聯網專業本科人才培養的均衡發展。

4.3 以社會資本支持為助力，培養學生自主設計能力，

完善實驗教學培養內容，提高學生優秀實驗案例的

轉化率

以我院物聯網專業的物聯網應用系統設計（1學分，72學時）實驗課程為例，在設備采購招標時就規定中標企業需按照實驗課程需求，提供設計性實驗案例的開發支持。目前該課程學生案例中，已有兩組項目分別轉化為全國大學生物聯網設計競賽參賽作品，分別是2015年一等獎作品“基于多傳感器協助的智能視頻監控系統（智能頭盔）”及2017年一等獎作品“SmartMat智能坐墊”。

4.4 建立“課程——競賽”的一體化引導機制，增

強實驗教學體系的培養深度與廣度，擴展優秀

實驗案例來源

基于合理的頂層設計，實驗教學中心負責多門物聯網專業的必修、選修課程，因此實驗教師得以利用相關實驗課程，分層級引導學生參與不同等級的學生競賽。

我院實驗教師可在大一的必修課（計算機導論）中，面向全年級學生進行初步選拔。后續由實驗教學中心提供軟硬件資源的技能培訓，并在暑期由實驗教師進行一對一指導，最終推選優秀項目組參與中國大學生計算機設計大賽。

大二分專業后，實驗教師可利用RFID系統綜合設計、物聯網應用系統設計、嵌入式系統綜合設計三門面向物聯網專業、卓越工程師班及計算機科學與技術專業的實驗課程，引導學生自發組隊。在完成實驗課程內容的同時，指導其中優秀項目隊伍細化項目內容，并參加全國大學生物聯網設計競賽。

同時實驗教師也負責遴選合適于實驗教學的優質競賽項目進行改造，將其分解為基礎、綜合、設計等多類型實驗案例后，利用云計算技術存留優秀實驗案例的軟件資源和指導文檔。

目前已引導學生參加2017年中國大學生計算機設計大賽，獲全國二等獎兩項、三等獎九項。

4.5 利用云計算技術，建設虛實結合的開放系統，

完善物聯網專業的實驗教學體系

適合于傳統課程體系的管理模式，可能完全不適用于跨學科課程體系的管理[11]。在新工科背景下，必須以新思維、新技術為前提，針對不同的人才培養需求，設計一套符合自身專業培養特色的開放管理模式，才能真正的提升人才培養效果。教學信息化是推動教育變革的重要力量，課程信息化是課程建設的發動機，課程信息化與教學方法與手段改革相結合可為當今我國高校課程教學改革提供系統性解決方案[9]。有效使用云計算技術，結合課外實驗室開放培訓，設計一套符合物聯網專業特色的開放模式，可以有效的完善物聯網專業實驗教學體系，提升跨專業、跨學科的人才培養能力。

目前我院物聯網專業實驗室除日常實驗授課外，還承擔了大量競賽培訓工作，因此學院利用云計算技術結合課外實驗室開放培訓，建立了一套較為完善的，符合物聯網專業實驗教學特色的開放制度。

（1）自主設計基于硬件實驗的開放網絡平臺架構，面向非物聯網專業學生開放基礎硬件實驗案例。

傳統實驗教學的硬件設備，難以解決接入網絡后的兼容性及實時操作性的限制，因此傳統硬件實驗教學案例的開放共享大多采用虛擬仿真形式或開放實驗室的形式，其整體改造成本較高且增加了實驗室安全管理成本。

利用云計算技術及網絡串口通信設備建設云開放平臺，體系架構如圖2所示?？梢酝ㄟ^網絡共享的形式，對授權對象開放部分物聯網專業實驗教學案例。

圖2 云開放平臺

Fig.2 Open platform of clouds

學生可以通過實驗課程申請、競賽基礎培訓申請等方式

獲取VPN服務器登錄權限，通過實驗教學中心開放網絡平臺詳細查閱相關實驗案例指導書，理解基本原理后進行相應實驗操作。在學生申請期間，對應實驗設備會接入有ups電源保障的網格實驗室，保證24小時開放共享。學生進行實驗時，可選擇網絡平臺中空閑的虛擬機，啟動虛擬機內相關操作軟件，通過網絡串口通信模塊將源碼或命令寫入設備，同時讀取對應虛擬串口的反饋數據。下一步我們還計劃在虛擬機中開放網絡視頻端口，使學生可以實時觀察實驗結果。

目前可開放RFID讀卡器實驗、傳感器原理基礎實驗、光纖傳感器應用共三類20個基礎實驗案例。

（2）基于競賽培訓的物聯網專業實驗室開放制度。

針對競賽培訓的復雜程度不同，建立物聯網專業實驗室開放制度，主要包括集中培訓與自由開放兩類。集中培訓在暑期進行，由實驗教師主導，負責由淺入深的進行實驗軟硬件操作技能培訓。自由開放采取申請授權的方式，將獲得授權的相關人員的生物信息（指紋、人臉等）導入物聯網專業實驗室的門禁管理系統，允許其在經過基本安全培訓后，在非授課時段進入物聯網專業實驗室，實驗教師可通過網絡攝像頭對其行為進行監控管理。

5 結論（Conclusion）

無論是從教育的起源和本質來講，還是從人類第一所大學誕生來講，任何一所學，特別是高等學校都必須把人才培養作為首要職責來抓[12]。在新工科背景下，新興產業發展及傳統產業改造升級，對培養相關專業人才產生了極大的社會需求，因此相應專業的實驗教學體系必須不斷探索以適應不斷變化的社會需求，其中增強學生的實驗實踐能力，培養跨專業、學科的復合型創新能力將會比以往更加重要。探討、分享物聯網專業實驗教學體系建設的優缺點和變革方向，將會為新工科背景下的各行業提供更多優秀的復合型人才，對“中國制造2025”等國家重大戰略提供有力支撐。

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作者簡介：

王 毅（1984-），男，碩士，實驗師.研究領域：物聯網工程.

張滬寅（1962-），男，博士，教授.研究領域：計算機科學與技術.

黃建忠（1975-），男，博士，高級實驗師.研究領域：計算機科學與技術.

何承達（1990-），男，碩士，助理實驗師.研究領域：軟件工程.

彭紅梅（1972-），女，碩士，講師.研究領域：軟件工程.