物聯網綜合性創新性項目驅動的實驗教學改革

郭曉然，張 總，許 燕

（1.西北民族大學 數學與計算機科學學院，甘肅 蘭州 730010；2.蘭州工業學院 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

物聯網是一個復雜龐大的系統，涵蓋了多領域的技術與知識，包括計算機、通信、電子、智能信息處理等多個學科。現今，物聯網技術廣泛應用于工業、農業、物流、安防、醫療等領域，發展前景十分廣闊，技術更新速度較快[1-2]。我國也將物聯網這一戰略性新興產業上升為國家新一輪經濟科技發展的重點。新時期下的物聯網行業發展對專業人才也提出了更高的要求。在產業發展和國家層面的共同推動下，物聯網工程相關專業相繼成立并發展起來。目前，物聯網的專業建設和人才培養模式仍處于探索階段，如何培養出真正適用于物聯網產業的創新復合型人才是物聯網專業建設的重點[3]。

物聯網專業具有工程性和實踐性強的突出特點，而當前的教學中普遍存在重理論、輕實踐的問題，知識體系與工程實踐能力之間沒有形成有效的互補與銜接，難以實現高素質工程類專門人才的培養目的[4-5]。實驗教學作為理論課的擴展及延伸，是教學過程中的一個重要組成部分，對于培養學生的實踐能力、創新能力具有不可替代的作用。因此，持續推進物聯網專業的實驗教學改革，對培養適合物聯網行業發展的特色人才，推動相關產業發展具有十分重要的意義。

1 物聯網實驗教學現狀

物聯網專業通常結合學校現有學科專業基礎、社會需求制定具有自身特色和側重性的人才培養方案。圍繞培養目標，建立學科相關的理論知識體系仍然是人才培養的基礎，而實驗作為實踐教學體系的重要環節，使學生將學到的理論知識與實際需求相結合，真正做到學以致用，對于提升整個教學體系的質量具有關鍵作用[6-7]。目前，許多院校在課程教學中仍是單一學科的應試教學模式，并不適應物聯網多學科交叉，強調系統性、綜合性的專業特點，主要表現在以下幾個方面：

（1）高校的物聯網專業多是從計算機科學為基礎發展而來，通過提取計算機科學技術、軟件工程、通信工程、電子工程、自動化等相關專業的部分核心課程，組成物聯網專業的課程體系。這種方式下，由于各類課程相對獨立，課程之間的聯系性差，導致課程體系較為松散，難以體現物聯網專業多學科有機融合的特點，從而出現專業理論和實際應用之間銜接不夠緊密的實際問題。

（2）物聯網專業的建設在實驗平臺方面也面臨一系列比較現實的問題，如：現有實驗室的功能相對單一，實驗設備較陳舊，不能有效開展物聯網綜合實驗，無法滿足物聯網綜合應用系統的開發需要。

（3）物聯網是跨眾多學科交叉的專業，由于涵蓋學科較多，研究內容比較寬泛，所需知識過于碎片化，許多學生在學習過程中難以有效整合形成體系，常常感覺困難，喪失學習興趣。尤其在實驗環節中，單一學科的實驗大都是原理驗證類的基礎性實驗，在基于開發板的實驗平臺上進行模塊化的實驗，往往缺乏系統性，很難提高學生對物聯網技術的總體認知，培養綜合應用能力[8]。

2 物聯網綜合性創新性實驗教學改革

針對現有物聯網實驗教學環節中普遍存在的問題，一方面需要整合現有的實驗室資源，建設物聯網專業綜合應用實驗室。通過購買先進的物聯網相關的實驗設備，搭建物聯網系統的硬件、軟件綜合實驗平臺和物聯網綜合應用實踐平臺，滿足典型物聯網應用系統的設計與開發。另一方面大力開展跨課程的綜合創新性實驗教學模式的改革和實踐，系統地提高學生的專業知識、應用能力和創新思維。

2.1 綜合創新性實驗教學改革內容

2.1.1 構建實驗教學新體系

物聯網的體系結構自底向上由感知層、傳輸層、網絡層和應用層組成，包含射頻識別、傳感器、無線網絡、數據傳輸、數據存儲、云計算、移動終端應用等各種支撐技術，分散在一系列主干課程中[9]。在教學中每門課程通常被孤立地看待，導致無形中分割了課程之間的關聯以及知識點之間的聯系。而實際的工程實踐問題往往具有復雜性，需要綜合分析和處理，因此必須保證課程體系的綜合性與實踐性，才能培養學生解決復雜工程問題的能力。

根據物聯網工程專業的定位和培養目標，按照“基礎能力培養、綜合能力提高、探索創新能力培養”的循序漸進式教學理念，提出物聯網專業層次化、多元化、過程化實驗教學培養體系的新思路。

（1）實驗內容按照常規基礎性實驗、綜合擴展性實驗和創新設計性實驗進行層次化設計。

（2）開展形式多元化。除了傳統的課程實驗，積極開展第二課堂實驗課堂之外，還鼓勵學生參加實驗室的開放實驗項目、學校的大學生創新實驗項目等。

（3）考核方式過程化。考核重點由單純的實驗結果向實驗過程轉變，不同層次實驗采取不同的考核方法。常規基礎性實驗重點考核學生實驗操作的規范性、數據的合理性、數據處理的正確性、實驗態度和實驗紀律等情況；綜合擴展性及創新設計性實驗重點考察設計方案、設計報告、創新意識和創新能力。

2.1.2 整合實驗教學內容

按照“基礎、綜合、創新研究”的實驗架構，緊緊圍繞物聯網技術應用領域的廣泛性、與其他學科的交叉性、技術發展的快速性等特點，優化實驗教學內容、教學方案和教學模式。實驗教學內容自底向上分為三個層次：常規基礎性實驗、綜合擴展性實驗和創新設計性實驗。基礎性實驗重在培養學生的基本實驗技能和實驗方法；通過綜合擴展性實驗培養電路級的綜合設計能力；創新設計性實驗培養系統級的設計與創新能力。

結合培養計劃和課程體系的特點，確定綜合與創新性實驗以單片機和嵌入式系統為依托，結合RFID、傳感器、無線網絡等，強化物聯網技術的綜合運用能力。單片機是嵌入式系統的基礎，常用于物聯網感知層，因此作為引導學生參與解決復雜工程問題的切入點非常適合[10]。

常規基礎性實驗屬于課內實驗，每個實驗一般需2～3個學時完成，幫助學生理解和掌握基礎知識和基本原理，以及基本的程序編寫和調試技能。實驗包括：LED跑馬燈、定時器、外部中斷、蜂鳴器、矩陣鍵盤、數碼管動態顯示、A/D轉換、串行通信等。

綜合性擴展實驗利用業余時間補充第二實驗課堂，定期開放實驗室，允許學生按照興趣選做其中幾種實驗。綜合擴展性實驗包括電子時鐘、溫濕度檢測、電子萬年歷、PWM控制、電子稱、出租車計價器、觸摸屏、OLED屏幕顯示等。這些實驗重在提高學生的綜合應用能力，以硬/軟件完成開發設計、調試、系統測試等技能。

創新設計性實驗的層次較高，開展方式除了第二實驗課堂，還需要依托實驗室的開放實驗項目、學校的大學生創新實驗項目以及教師的科研項目等。物聯網綜合實驗室提供開展相關系統應用開發的必要條件，創新性實驗項目包括：智慧家居、環境檢測系統、智慧農業、樓宇控制系統、智能小車系統等，重在培養學生的分析設計能力、創新設計思維和團隊合作意識。

綜合性和創新性實驗的難度較基礎性實驗大很多，為了消除學生的畏難心理，采用自上而下的模塊分解法，將大課題拆分成若干小題目，盡可能融入到基礎性實驗課或課后練習中[11-12]。以創新設計性實驗“基于單片機的智能門禁系統”為例，基于射頻卡的門禁系統設計框圖如圖1所示。

圖1 基于單片機的智能門禁系統（射頻卡）設計框圖

在此基礎上還可以進一步擴展，提高難度，如增加指紋和人臉識別的智能門禁功能，具體拆分情況見表1所列。

設立創新性和綜合性實驗是克服單一基礎性驗證實驗局限性的有效途徑。這類實驗通常是幾個實驗的有機組合，涉及到同一門課程的不同內容，或是多門課程的不同內容，實驗間具有一定的內在聯系，突出了知識間的交叉融合。通過這類實驗的訓練，學生對學科分屬與各個課程的知識有更深的系統性的了解，并把握其中的聯系，有利于提高學生對物聯網的整體認識和應用能力。

2.1.3 改進實驗教學模式

綜合性和創新性實驗教學的開展需要在基礎知識掌握的前提下，以項目化形式進行，最終實現相關領域中如智能家居、智慧農業、智能安防、無人工廠等常見物聯網應用系統的開發。由于這些實驗具有一定難度且開發周期較長，適宜以小組為學習單位進行。通過對項目內容加以具體劃分，由組內成員分工合作，通過相互交流和討論對項目的總體設計以及具體模塊的開發實現都能夠有深入的理解和掌握。在新型的項目化教學模式下，教師的教學方式、學生的學習方式都發生了很大的變化，教師只是引導者，學生占主體地位，是主要探究者。這種模式一方面會提升學生主動學習、獲取知識的興趣，另一方面還可以在過程中逐步培養學生團隊合作的能力。

表1 智能門禁系統的實驗拆分情況

2.2 綜合性創新性項目的實驗教學開展

綜合性和創新性實驗是基礎性實驗的擴展和延伸，也是課程設計、競賽項目、綜合實訓以及畢業設計之間的過渡與銜接，起到承上啟下的重要作用。以小組為單位，通過項目化形式開展，具體來說分為三個階段：準備階段、實施階段、驗收總結階段。

2.2.1 準備階段

準備階段的主要工作包括項目發布、項目介紹、學生選題、學生分組并確定小組負責人以及組員人員分工。項目發布之后，首先給學生講解項目的開展方式，宣講各個不同項目的具體內容和要求、每個項目的特點和實現方式、階段性檢查方式和考核方式，以便讓學生對綜合創新性實驗項目有較為清晰的了解和認識。

教師根據學生的實際選題情況以及不同學生的特點，按照小組內互補而小組間水平相對平均的平衡性原則，進行合理的分組，使學生之間能夠形成合作與競爭的機制。每個小組設一名組長，進行小組成員的角色分工以及協調。

2.2.2 實施階段

實施階段的開展情況直接決定實驗的效果，因此是整個項目化實驗教學的重點環節。在這個階段，應充分調用和發揮學生的主觀能動性，在教師的指導下實現實驗項目設計與開發任務。整個過程中，項目指導教師在系統方案設計、硬件電路設計、調試代碼、軟硬件測試等重要環節加強指導和交流，引導小組學生去查閱資料，相互交流和討論，及時解決遇到的各種各樣的問題，有效推進實驗項目的開發進程，使得學生在一個相對輕松的環境下學習和進步。

2.2.3 項目驗收階段

項目完成后的驗收和評價也是綜合創新性實驗必不可少的一部分，主要包括提交項目報告、組織項目答辯、成績評定、材料存檔等工作。其中一項最重要的環節是項目答辯，由項目指導組的教師來組織，每個小組對項目完成情況進行總結和展示，教師點評并給出建設性意見。通過答辯環節，使學生對自身和本組情況有全面的認識，尤其是針對不足之處思考改進的思路和方向，提升綜合實踐和創新能力。最后，指導教師結合每位學生的出勤、組內貢獻排名和項目完成情況及創新性改進情況等表現給出最終的考核成績。

3 結 語

物聯網作為一個新的應用方式，是多種技術手段在一定領域的綜合應用的體現。功能相對單一的基礎性實驗教學很難讓學生對物聯網架構有一個直觀而完整的認識。為提高學生對物聯網技術綜合應用的直觀認識和理解，開展綜合創新性實驗教學模式的改革與實踐，充分調動學生實驗實踐的積極性和主動性，養成自主式、合作式、研究式、開放式的學習方式，真正達到啟迪思維、提高能力、激發創新、教學科研互促互進的目的。