安 健，杨麦顺，桂小林

（西安交通大学电子与信息工程学院，陕西西安 710049）

物联网“感知与标识”专题实验改革研究与探索

安 健，杨麦顺，桂小林

（西安交通大学电子与信息工程学院，陕西西安 710049）

针对当前物联网课程建设中存在的重理论、轻实践等问题，以“感知与标识”专题实验为切入点，研究与探索适合物联网专业的创新实验体系，构建支持基础验证型、综合设计型和创新研究型的实验一体化硬件平台。通过实验教学体系、实验平台和实验室开放管理机制的全方位建设，构建科学合理的物联网工程专业实验体系，科学划分知识领域、知识单元和知识点，促进理论教学与实践教学紧密结合，以适应学科发展和企业对高层次物联网专业人才的更高需求。

物联网；感知与标识；专题实验；实验教学体系

实践教学与动手能力的培养是物联网工程专业本科教学体系中的重要组成部分，是培养创新性物联网专业人才的重要环节。专题实验课程则是理论联系实际最直接、最有效的方法之一，“感知与标识”作为物联网课程中的核心内容，涉及到数据的感知、获取、传输、处理、应用等多方面技术，是掌握物联网核心技术的关键课程［1－2］。本文以西安交通大学计算机系物联网创新实验室为基础，以“感知与标识”专题实验课程为主体，以培养理论基础扎实、实践动手能力强、研究创新型的物联网专业技术人才为目标，探索并建立能满足物联网专业实验教学需求，集实践性、先进性、开放性、创新性为一体的先进硬件实验教学体系，结合物联网综合感知实验箱、RFID标识实验箱以及物联网实训平台等先进实验设备，建立集基本验证、综合设计和创新研究为一体的进阶型“感知与标识”实验课程，构建科学合理的物联网工程专业实验体系，科学划分知识领域、知识单元和知识点，促进理论教学与实践教学紧密结合，以适应学科发展和企业对高层次物联网专业人才的更高需求，并最终形成一套立足交大、面向陕西、辐射全国的物联网精品实验课程体系。

1 当前现状

物联网作为我国五大新兴战略产业之一，学习并掌握物联网关键技术理论，培养适合国家和行业发展特色的专业人才已经成为高校物联网专业的核心教育目标［3］。当前，教育部在“985工程”、“211工程”等重点高校开展了物联网专业的试点，作为物联网专业建设的重要实践基地，物联网实验室建设和专题实验内容的设计将成为重中之重。目前，国内物联网专业的建设还属于初期探索阶段，国外也没有相关专业提供参考，高校在专业教师、培养计划、课程体系、知识架构等方面都比较欠缺［4－6］。目前国内高等院校的物联网实验组织模式和实验手段主要存在以下问题：

（1）实验课程设置封闭、独立。目前，大多数已开设物联网专业的高等院校都是根据自身的办学特点和培养目标，采用相对独立、单一的教学实验体系。实验课程主要是按单门课程配套设置，相应的实验训练装置也只能支持一些知识点的验证类实验，对设计类、综合类实验支持很少或根本无法支持，实验体系不健全，实验教学缺乏系统化。

（2）实验的内容及操作步骤过于死板。学生实验只是简单地重复实验步骤，而不是在理解实验内容的基础上进行实验，很难达到通过实验加深理解课堂内容的实验效果。大多数实验采用以验证为主的实验模式，学生在实验训练过程中，实际上是在“验证”课程上的部分内容，实验装置对简单的“设计”型训练支持不够，更谈不上对综合性、创新性“设计”的支持了。实验的过程就是“按图接线、查线排故障、查看结果”的过程，实际收获不大。

（3）实验内容重叠且关联性不大。物联网专业的课程内容具有很强的交叉性和相关性。针对每门具体课程单独设置实验及单独提供实验环境，一方面很难使学生对其前导课程所完成的基础能力做要求，同时也很难兼顾到其后续课程，各自独立，相互间缺少有效的贯通；另一方面实验环境重复建设，实验资源得不到充分利用。

（4）实验内容陈旧，与工程实际脱节。物联网专业是目前发展最快的信息学科之一，课程内容需要不断更新，特别是课程相关实验从内容及实验设备的选择上必须与时俱进，要能够基本与实际技术发展保持同步。否则，一方面影响学生学习的积极性，另一方面也不利于学生今后的实际工作。

2 物联网实验教学改革核心目标

针对目前物联网工程专业实验教学中存在的内容设置孤立、知识点发散、实践训练和创新设计不足等问题，结合最新成立的物联网创新实验室及感知与标识综合实验设备等，提出以基础验证性实验、知识点提高性实验、课程综合实验、科研训练和毕业设计创新性实验为一体的层次化的“感知与标识”专题实验课程体系和相应的开放环境管理机制。

（1）完善和优化物联网“感知与标识”专题实验课程体系。以“感知与标识”专题实验为切入点，构建一套集验证性、实践性、创新性为一体的层次化实践教学体系，全方位提高学生专业素质和能力。

（2）构建以工程能力培养为目标驱动的物联网硬件综合实验平台。结合物联网核心课程实践动手的需要，构建适合物联网专业特色的，包括感知、传输、分析、应用等核心知识点的综合实验平台，将实验设备按知识体系划分为感知模块、通信模块、数据动态组织与管理模块和应用模块，支持学生进行验证、设计等基本实验，并鼓励学生在教师指导下开展创新实验，提高学生的实践动手能力、科研创新意识和综合应用能力。

（3）以“感知与标识”专题实验为背景，研究多样化、开放性、互动式的实验教学方法，实现教学观念的改变。以传授知识为主向能力培养和素质提升转变，从单一知识对口教育向多学科交叉与综合应用转变，研究“互动式”和“探究式”教学方法，进一步提升学生知识领域的宽度和深度。

3 物联网创新实验教学改革体系

物联网工程专业涉及计算机科学与技术、通信工程、控制科学与工程、电子科学与工程等多学科，除了数学、物理、人文社科等通识知识外，依据物联网本身的特点和发展趋势，结合自身特色，提出面向物联网专业的创新实验教学体系，主要包括以下3个方面：

（1）基于“感知与标识”专题实验指导思想，提出面向物联网工程专业的“1＋4＋8”核心实验教学体系；

（2）设计支撑学生创新能力培养的层次化实验教学平台；

（3）研究多样化、多通道、模块化的实验室开放机制。

3．1 “1＋4＋8”核心实验教学体系

面向物联网工程专业的核心实验教学体系的建立，主要依赖于对物联网关键技术的基本认知上，课题组以“感知与标识”专题实验为改革背景，提出 “1＋4＋8”的核心实验教学体系，即1个核心目标，4类核心知识模块和8单元核心实验课程。

针对物联网工程专业的实验教学核心目标是培养能够系统地掌握物联网的相关理论、方法和技能，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广的专业知识的高级工程技术人才。教学过程中由传统单一的教学型授课向创新实践方向转变，采用工程案例化教学，突出科技创新在人才培养中的作用。建立科学化、进阶性、贯通性和可持续发展的实验教学体系，以进一步适应社会需要，提高学生的知识应用能力、实践能力。通过以就业为导向，以能力为本位的培养目标，突出培养“技能型、实践型、应用型、创新型”人才。基于“感知与标识”专题实验课程的核心目标，结合专业自身特点，构建了包含感知系统、通信系统、数据动态组织与管理系统和应用系统的4类核心知识模块。通过4类核心知识模块的导向，并由此逐步形成一系列由低到高、由浅入深的专题实验内容，指导“感知与标识”实验课程的开展，具体包括系统认知、传感与检测、标识与定位、组网与通信、数据分析、安全与隐私、工程与应用等8个单元的实验核心课程［7－8］。如图1所示，实验课程内容应由验证型、提高型向综合型、设计开发型和创新型逐层递进。

图1 “感知与标识”专题实验体系

3．2 层次化、进阶性实验教学平台

通过深入研究物联网技术的国内外发展趋势、剖析课程与实验之间的衔接关系、分析基础实验和创新实验的实验内涵，发现面向不同阶段需求和特性的教学规律，构建集课程层次、平台层次和阶段性层次为一体的多层次的实验教学体系［9－10］。

（1）课程层次。主要研究核心课程知识点与实验内容的关系，探索更好的相互协调和相互促进的理论教学和实践教学模式，以培养具有一定实践能力和创新能力的物联网专业学生为目标导向。

（2）平台层次。主要研究基础验证型、综合设计型和创新研究型实验体系及平台建设。合理规划不同类型实验课程内容之间的关联性和递阶性，避免出现交叉和重叠。结合现代学科发展特点，启发学生多向思维和创新能力的培养，保证从实验内容到实验手段的与时俱进，使学生处于学科发展前沿。

（3）阶段性层次。实验应采取阶梯式的、循序渐进的教学方法，通过基础验证型实验、综合演示型实验和实践创新型实验，将实验由低到高，由浅入深逐级递增，由感性认识到系统能力培养，实现不同知识系统间的融会贯通，逐步形成有特色的实验教学方法。

3．3 多样化、多通道、模块化的实验室开放机制

实验室作为学生理论夯实和实践创新的重要场所，其建设规划将直接关系到学生素质的培养。因此，物联网实验室的建设应坚持以学生能力培养为导向，通过构建多样化、多通道、模块化的实验室开放机制，充分调动学生积极性，实现教师与学生之间的良性互动。同时，研究实验教学新型管理方法，实现基于开放实验教学模式的实验过程管理，将排课、预约、实验、成绩统计等各个流程纳入管理范围，实现真正的数字化实验室、无纸化实验室［11－12］。

3．4 专题实验课程体系建设遵循的原则

针对物联网专业自身特点和建设目标，专题实验课程体系的建设应该遵循以下几个原则：

（1）建设完善的实验体系，以培养综合型、设计型和创新型人才为目标；

（2）启发式教学模式和开放型实验环境相结合，培养学生自主实践能力；

（3）面向专业各个阶段的不同需求，构建支持多层次需求的实验环境；

（4）结合实际场景应用需求，构建灵活多样的实验课程；

（5）开放式的实验室环境，以学生为主导的实验室管理机制。

4 结束语

针对物联网学科自身特点，以“感知和标识”专题实验为研究切入点，提出了包括课程体系、教学手段、管理机制三位一体的创新实验教学体系，旨在构建多样化、开放性、互动式的实验教学方法，实现以传授知识为主向能力培养和素质提升转变，从单一知识对口教育向多学科交叉与综合应用转变，进一步提升学生知识领域的宽度和深度。

（References）

［1］Atzori l，Iera A，Giacomo M．The internet of things：a survey［J］．Computer networks，2010，54（15）：2787－2805．

［2］桂小林，安健，张文东，等．物联网技术导论［M］．北京：清华大学出版社，2012．

［3］黄峥，古鹏．物联网实验室建设研究与探讨［J］．实验技术与管理，2012，29（2）：191－195．

［4］桂小林．物联网技术专业课程体系探索［J］．计算机教育，2010（16）：1－3．

［5］肖克辉．物联网背景下的计算机实验中心管理［J］．实验室研究与探索，2011，30（8）：89－90．

［6］孔锐，张冰．物联网工程专业实验课程设置探索［J］．实验技术与管理，2014，31（2）：179－182．［7］沈苏彬，范曲立，宗平，等．物联网的体系结构与相关技术研究［J］．南京邮电大学学报：自然科学版，2009，29（6）：1－11．

［8］孙其博，刘杰，黎羴，等．物联网：概念、架构与关键技术研究综述［J］．北京邮电大学学报，2010，33（3）：1－9．

［9］吴旭，陈仁安，魏德志，等．论高校创新型实验教学体系的构建［J］．实验室科学，2012，15（1）：5－8．

［10］何晋浙，徐静波．高校实验室资源共享机制的探索与研究［J］．实验室科学，2010，13（6）：132－135．

［11］马传峰．实验室资源的开发与开放［J］．实验技术与管理，2010，27（12）：1－3．

［12］蔡苗，蔡红娟，黄松，等．信息类专业平台课程实验教学体系改革的探索与实践［J］．实验室研究与探索，2012，31（9）：154－156．

Research and exploration on reform of topic experiment of sensing and identification of Internet of Things

An Jian，Yang Maishun，Gui Xiaolin
（School of Electronics and Information Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

Due to the deficient of heavy theory and practice of light in the recent course construction of IoT，suitable innovative experimental system of IoT，based on the topic experiment of sensing and identification，should be researched to construct an integrated hardware platform supporting three types of experiments including basic authentication，comprehensive design and innovative research．A scientific and rational experimental system of IoT will be built by the comprehensive construction of the experimental teaching system，the experimental platform and the open laboratory management mechanism．Scientific division of the knowledge areas，knowledge units，and knowledge points will promote closer integration of theory and practical teaching to adapt to the academic development．And the students taught by this teaching plan will satisfy the business demand of the IoT professionals．

Internet of Things；sensing and identification；topic experiment；experimental teaching system

TP393

B

1002－4956（2015）3－0193－03

2014－07－08 修改日期：2014－07－17

国家自然科学基金项目（61172090）；陕西省自然科学基金项目（2014JQ8322）；陕西省科技统筹创新工程项目（2013SZS16－K01）；中央高校基本科研业务费（xjj2014049）

安健（1983—），男，山西晋中，博士，工程师，主要从事物联网实验教学、服务计算与群智计算等方向的研究．

E－mail：anjian＠mail．xjtu．edu．cn