物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)多學(xué)科 融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

穆帥 盛羽 段桂華

摘? ? 要：文章以中南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例，對“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0背景下的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了研究與實(shí)踐。通過確定改革目標(biāo)、制定實(shí)施方案、構(gòu)建支撐平臺、實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)等步驟，形成一套可行的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。

關(guān)鍵詞：“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0;物聯(lián)網(wǎng)工程;多學(xué)科融合;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2021）05-0035-02

2019年4月29日，教育部、中央政法委、科技部等13個部門在天津聯(lián)合啟動“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0（以下簡稱“卓越2.0”）。教育部部長陳寶生表示，通過“卓越2.0”的實(shí)施，將引導(dǎo)高校全面優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)，深化專業(yè)綜合改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能，讓學(xué)生忙起來、讓教學(xué)活起來、讓管理嚴(yán)起來，全面振興本科教育，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[1]。中南大學(xué)作為國家“985”“雙一流”建設(shè)和第一批開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的重點(diǎn)大學(xué)，積極適應(yīng)“卓越2.0”的建設(shè)要求，研究與探索在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開展多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型卓越人才作出了貢獻(xiàn)。

一、確定多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)

為培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的卓越工程師，必須強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。多學(xué)科融合能使學(xué)生突破舊的思維方式束縛，多維度運(yùn)用綜合知識思考問題和解決問題，有效增進(jìn)合作意愿，激發(fā)交叉靈感，從而提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中實(shí)施多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)是：在“卓越2.0”的背景下，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，通過建設(shè)多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐平臺、制定多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案、設(shè)計(jì)開發(fā)多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)例程、應(yīng)用合適的教學(xué)模式和教學(xué)方法，來充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)造靈感和自身潛能，提高學(xué)生學(xué)以致用、工程實(shí)踐、科學(xué)研究和應(yīng)用創(chuàng)新的能力，為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型的卓越人才。

二、制定多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施方案

面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的總體實(shí)施方案，主要分為以下四個階段。

第一階段：提煉多學(xué)科融合的相關(guān)知識點(diǎn)，確定多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，制定多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

首先，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，提取可用于多學(xué)科融合的相關(guān)知識點(diǎn)，找到多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的契合點(diǎn)和切入點(diǎn)。其次，對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生和任課教師進(jìn)行調(diào)研，綜合各方面對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見和建議，確定可進(jìn)行多學(xué)科融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，制定多學(xué)科融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

第二階段：對面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐平臺進(jìn)行研究和建設(shè)，設(shè)計(jì)和開發(fā)多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。

以面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)和內(nèi)容為藍(lán)本，征求相關(guān)任課教師、專家和學(xué)生的要求和意見，調(diào)研有資質(zhì)的公司和廠商，確定多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐平臺的功能需求、功能模塊結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流程、關(guān)鍵技術(shù)和配套設(shè)備等。逐步建設(shè)可支撐本次研究與改革的實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。

第三階段：以現(xiàn)代教育技術(shù)理論和信息化教學(xué)設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)施多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

深入研究現(xiàn)代教育技術(shù)中的學(xué)習(xí)理論（如行為主

義、認(rèn)知主義、構(gòu)建主義、人本主義等）、教學(xué)理論（如關(guān)注行為、關(guān)注認(rèn)知、關(guān)注人格等）和信息化教學(xué)設(shè)計(jì)理念（如目標(biāo)導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動、翻轉(zhuǎn)課堂、CDIO等），學(xué)習(xí)借鑒其他高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和成果，用合適的理論（理念）指導(dǎo)不同目標(biāo)和環(huán)節(jié)的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。指導(dǎo)學(xué)生從學(xué)習(xí)和模仿現(xiàn)有教學(xué)案例開始，最終能夠自主設(shè)計(jì)和開發(fā)，爭取研發(fā)出創(chuàng)新型的多學(xué)科融合項(xiàng)目。對學(xué)生的實(shí)踐結(jié)果，實(shí)施多元化的綜合評價方式。

第四階段：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中不斷總結(jié)，并對發(fā)現(xiàn)的問題及時進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要不斷檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案、教學(xué)案例和教學(xué)模式（方

法）的改革效果，以便及時歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)

驗(yàn)、教訓(xùn)和成果，對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。完成階段任務(wù)后，教師組織學(xué)生分小組展示實(shí)驗(yàn)成果、交流、討論和觀摩學(xué)習(xí)，之后將其中的優(yōu)秀作品納入項(xiàng)目資源庫。經(jīng)過不斷循環(huán)優(yōu)化和完善，構(gòu)建具有自身特色的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

三、構(gòu)建多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐平臺

中南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院設(shè)置計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、信息安全、通信工程、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)6個本科專業(yè)，現(xiàn)有國家級研究基地2個，省部級研究基地13個。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)校充分利用學(xué)科資源，逐步構(gòu)建面向物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐平臺。平臺的架構(gòu)如下。

1.物聯(lián)網(wǎng)核心層：可進(jìn)行北斗定位、傳感器、嵌入式、二維碼及RFID、近距離通信、WSN等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

2.核心層通過智能網(wǎng)關(guān)、接口和通信協(xié)議和外部進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.通信技術(shù)層：可進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)、微波等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

4.信息安全層：可進(jìn)行防火墻、信息加密、身份認(rèn)證、安全協(xié)議、入侵檢測等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

5.軟件工程技術(shù)層：可進(jìn)行軟件開發(fā)、軟件工程、軟件體系結(jié)構(gòu)、軟件項(xiàng)目管理等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

6.大數(shù)據(jù)技術(shù)層：可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)查詢分析和數(shù)據(jù)可視化等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

7.計(jì)算機(jī)技術(shù)層：可進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺、圖形圖像處理等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

8.應(yīng)用場景層：包括智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能倉儲、智慧實(shí)驗(yàn)室等。

該平臺以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，融合物聯(lián)網(wǎng)、通信、計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、信息安全和軟件工程等多個學(xué)科的常見技術(shù)，兼顧沙盤演示、實(shí)際操作、算法驗(yàn)證、綜合創(chuàng)新和支持團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)等要求。支撐平臺的組織結(jié)構(gòu)呈模塊化，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用場景來搭配組合，模塊之間依靠網(wǎng)關(guān)、接口和通信協(xié)議進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

四、基于智能交通沙盤的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

下面以基于智能交通沙盤的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，介紹中南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐。

（一）部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

1.智能小車套件。智能小車具有ZigBee通信、WiFi傳輸、RFID識別、高精度無線定位、視頻采集、無線充電、電磁循跡、超聲波測距和紅外避障等功能。可進(jìn)行嵌入式開發(fā)、串口通訊、超聲波測距、直流電機(jī)驅(qū)動、電磁尋跡、RFID芯片讀寫、WIFI通信等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

2.ETC不停車收費(fèi)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶信息同步、車輛進(jìn)站信息存儲、移動端查詢用戶車輛信息和車輛出站收費(fèi)功能。可進(jìn)行光電傳感器、RFID芯片讀寫、近距離無線通信、智能網(wǎng)關(guān)開發(fā)、嵌入式開發(fā)、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

3.智能停車場子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同步車位預(yù)訂信息、停車場計(jì)費(fèi)規(guī)則、車輛進(jìn)場、停車位導(dǎo)航、預(yù)訂停車位、更新停車位信息和車輛出場收費(fèi)等功能。可進(jìn)行RFID芯片讀寫、超聲波測距、近距離無線通信、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、圖形學(xué)等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

4.紅綠燈調(diào)度子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)同步紅綠燈控制規(guī)則和控制模式、修改紅綠燈控制模式、修改紅綠燈控制規(guī)則和上傳車流量信息等功能。可進(jìn)行RFID芯片讀寫、近距離無線通信、智能網(wǎng)關(guān)開發(fā)、計(jì)算機(jī)算法、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

5.違章信息管理子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上傳闖紅燈違章車輛圖片、上傳進(jìn)入BRT專線車輛圖片、識別車輛信息、判斷是否違章、設(shè)置處罰規(guī)則以及移動終端查詢車輛違章信息等功能。可進(jìn)行RFID芯片讀寫、近距離無線通信、智能網(wǎng)關(guān)開發(fā)、計(jì)算機(jī)視覺、圖形圖像處理、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

在智能交通沙盤上進(jìn)行多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，可采用項(xiàng)目教學(xué)法[2]和任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法[3]相結(jié)合的方式。

1.教師首先把智能交通沙盤按功能劃分為若干個

子項(xiàng)目任務(wù)，對每個子項(xiàng)目明確相應(yīng)的目標(biāo)，制定子項(xiàng)目任務(wù)說明書。

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的實(shí)際情況，將子項(xiàng)目任務(wù)分解為難度不同的多個實(shí)驗(yàn)任務(wù)，明晰每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的目標(biāo)、內(nèi)容、知識點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，供不同層次的學(xué)生選擇。

3.實(shí)驗(yàn)過程中，教師指導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料、自主探索與合作交流來完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新的思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)實(shí)踐能力。

4.階段性任務(wù)完成之后，教師根據(jù)任務(wù)量大小、難易程度、學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況、任務(wù)完成程度、任務(wù)完成質(zhì)量、學(xué)生自我評價和相互評價等，進(jìn)行形成性和綜合性的評估，并及時將評估結(jié)果反饋給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生反思和總結(jié)。

5.將其中的優(yōu)秀作品納入項(xiàng)目資源庫，公開提出表揚(yáng)、給予適當(dāng)獎勵，組織觀摩、學(xué)習(xí)和交流，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、榮譽(yù)感和積極性。

五、結(jié)語

本文以中南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，對“卓越2.0”背景下多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了研究與實(shí)踐。通過確定改革目標(biāo)、制定實(shí)施方案、構(gòu)建支撐平臺、實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)等步驟，形成一套可行的多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。實(shí)施結(jié)果表明，該方案能有效提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，有助于為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型的卓越人才。

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