新工科背景下物联网实验教学案例建设

2019-06-10王毅张沪寅黄建忠彭红梅何承达

软件导刊 2019年2期

王毅张沪寅黄建忠彭红梅何承达

摘要：为了使物联网专业实验教学培养过程符合其课程体系建设发展需要，满足新工科背景下人才培养需求，紧跟日新月异的物联网技术发展走向，对现有实验授课的形式、内容、方法进行全面归纳总结，针对物联网专业实验教学特点进行升级改造。武汉大学计算机学院为解决“通用性不足”、“难以跨专业培养”、“课程资源不足”3个问题，提出了“四环节六类型”实验教学体系连通实验课程间的案例资源;以案例资源模块化方式实现跨专业教学;利用竞赛、云计算等课程外动力补足课程资源、提高开放效能，有效提升了物联网实验教学培养效果。

关键词：新工科;物联网实验教学;实验案例

DOI：10. 11907/rjdk. 182216

中图分类号：G436文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）002-0182-04

Abstract：In order to make the experimental teaching and training process of Internet of Things specialty meet the development needs of the curriculum system construction of Internet of Things specialty， and to meet the training needs of talents under the background of new subjects， as well as to keep abreast of the rapid development trend of Internet of Things technology，it is necessary to summarize the forms， contents and methods of the experiment teaching，and upgradation and reform are conducted aiming at the experimental teaching characteristics of Internet of Things specialty. In order to solve the three problems of insufficient generality， difficult cross-specialty training and insufficient curriculum resources，school of computer science，Wuhan University has put forward four links and six types experimental teaching system to connect case resources between experimental courses， modularized the case resources to satisfy the realization of cross-specialty teaching，as well as made use of extracurricular power such as competition and cloud computing to supplement curriculum resources and improve open efficiency. These measures have effectively improved the training effect of Internet of Things experimental teaching.

Key Words：new engineering and technical disciplines;the experimental teaching of IOT;experimental case

0 引言

根据国际电信联盟ITU发布的2005年报定义，物联网（Internet of Things）主要解决物到物（Thing to Thing， T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）、人到人（Human to Human，H2H）之间的互联[1-2]。教育部2010年正式设立物联网及相关专业后，众多高校在如何建设符合物联网行业特色的实验教学体系、完善物联网实验案例资源方面进行了许多有益尝试，并总结了许多有效的教学理念和实验、实践教学方法[3-7]。但是，诚如哈佛大学前任校长德里克·博克所言，一个课程体系的寿命不会超过20年，所以作为新工科支柱产业之一的物联网，其课程体系建设必须围绕行业自身规律及社会需求不断发展革新。在具体实验教学过程中，如何确保实验内容、模式、理念始终符合课程体系建设标准与人才培养实际需求，是一个值得探讨与研究的问题。同时，考虑到教育资源有限，如何以最低成本、最大效果解决以上问题，从软硬件整合角度进行深入探索和改进，对提高高校物联网专业建设水平，夯实国家战略具有积极意义[8]。

1 可能存在的问题

武汉大学计算机学院物联网工程专业是全国首批获得教育部审批开设的物联网专业之一，于2014年申请获批国家级改善办学条件专项（物联网实验室建设项目）资金200万元，陆续建设了“RFID综合实验教学平臺”、“传感网实验教学平台”、“物联网综合应用实践平台”三大实验教学平台，目前可开设10门实验教学课程，共143个实验案例。虽然其在物联网工程专业建设方面取得了一定成果，但由于经验、资金和人员等多方面原因，在实验案例资源建设过程中还存在一些问题。

1.1 部分实验案例资源碎片化，无法跨课程使用，缺乏通用性

目前工科院校课程结构缺位错位现象普遍，由于学科与学科、课程与课程没能建立有效关联，造成课程分布“碎片化”，使得现有课程体系与“中国制造2025”发展路径之间出现“分离化”现象[9]。由于物联网工程专业开设时间较短，初期建设实验案例时只做到满足单一实验课程的具体教学需求，而忽视了课群建设中课程间的内在联系，因此导致实验案例资源碎片化。

以RFID相关实验课程为例，面向物联网工程专业、卓越工程师班开设了RFID原理及应用（含18学时课间实验）、面向物联网工程专业开设了RFID综合设计（1学分，72学时）共2门课程。RFID相关实验案例包含基础、设计、综合3类共21个，较好地满足了RFID相关课程的教学需求。但后续实验教学中发现，由于教学设备在硬件数据接口及软件API方面存在使用限制，仅能在PC上的vs2010环境中运行，导致卓越工程师班学生在嵌入式系统综合设计（1学分，72学时）中，物联网工程专业学生在物联网应用系统综合设计（1学分，72学时）中无法直接使用RFID相关案例资源，影响了实验教学效果。

1.2 技术迭代迅速，但标准化教学资源较少，难以打造跨专业实验教学资源

美国权威咨询机构Forester预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30∶1，因此“物联网”被称为是下一个万亿级通信业务[10]。物联网行业迅猛发展导致相关技术更新换代，而部分实验课程的案例资源却因为软硬件限制无法升级，进而无法跟上技术发展。如2011年学院计划为无线传感器网络课程（1学分，72学时）配置以ZigBee为主要通信模式的实验设备，但当时国内并没有教学设备公司生产基于z-stack协议栈或Ember协议栈教学设备，定制开发也缺乏足够人力支持，最终只能采用工业界已较少应用的TinyOS系统为实验教学设备，其复杂的协议架构及高昂的课前学习时间成本，限制了该类资源面向非联网专业学生实验教学开放。

1.3 课程内资源不足，影响实验教学培养效果

2014年通过国家项目资助方式陆续建设了3大实验教学平台，虽然较好满足了物联网工程专业的实验教学需求，但在后续日常教学过程中，仍然有许多值得改进之处。主要矛盾点在于课程案例资源的制作成本与日常维护成本较高，而物联网行业技术发展迅速，导致实验教学中无法体现行业技术的发展走向，降低了实验实践对复合型人才培养的主动效能。

案例资源制作成本较高，主要是因为初期建设相关平台时，案例资源均由设备供应商随教学设备提供，设备采购、人员培训、案例讲解、技术交流均不由实验中心掌握，单一案例平均成本较高，限制了实验案例资源数量。

日常维护成本较高，主要是因为初期采购均以实验箱和实验台的整套件设备为主，实验授课时难以根据课程具体情况进行调整，设备相关配件及耗材仅能购买设备供应商提供的类型，人为提高了使用成本，也限制了实验案例资源整体质量。

因课程实验资源不足造成的实验教学效果不足，主要体现在以下几点：①实验案例专业性太强，无法整体向非物联网专业学生开放;②实验案例缺乏实时性，跨课程使用有较高的学习成本;③实验案例资源多基于实验箱硬件，缺乏有效开放手段与模式。

2 整体思路

据2012年全国教育事业发展统计公报显示，“全国各类高等教育总规模达到 3 325万人，高等教育毛入学率达到30%”[11]。我国已经成为世界上高等教育第一大国，但是数据背后的实际效能转化率没有达到国际先进水平，还不是世界上高等教育第一强国[9]。因此，为了实现教育大国向教育强国转换，在新工科背景下，相关课程体系建设应以跨行业人才培养需求为第一考量点，人才培养模式要突破传统单一学科、单一专业的固有框架，以“广基础、泛专业”的教学体系建设方向为切入点，积极采用以虚拟仿真为代表的信息化新技术，以课程群建设为核心，以竞赛、开放项目为助推动力。

2.1 将实验案例建设融入课群建设中，提升实验案例通用性，避免碎片化

我国大多数高校人才培养实施的仍是专业加学年学分制，虽然不少高校创办了拔尖人才培养班、综合人才培养实验班、双学位班等特色人才培养班，突出宽口径培养，但受益学生较少，专业口径过窄严重影响了学生的创新意识与创新能力[12]。因此，在实验案例建设过程中，基础部分应做到案例资料详实详尽，即便非物联网专业学生也可在阅读案例指导书后理解其实验原理，进而进行相关实验。在综合设计部分，应突出对学生创意性设计能力的培养，尽量拓展学生的项目设计思路。同时，将实验案例按照基础、设计、综合、科研创新4环节分层次后，与其它实验课程的相关环节相互串联，提升实验课程间的联动性，形成课群效果。

2.2 注重“广基础、泛专业”教学方式，建设模块化实验资源库，提高跨专业培养能力

卓越课程体系来源于精准顶层设计，跨学科课程体系顶层设计要充分体现交叉性、前沿性、实践性和研究性[13]。新工科背景下的人才培养需求主要表现为“广基础、泛专业”，物联网专业实验课程必须在夯实学生实验实践能力的同时，培养具有跨专业、跨学科能力的复合型人才，所以相关实验案例和设计性实验项目内容必须体现以上特点，要符合不断变化的技术标准与技术革新速度。因此，可将实验案例按技术标准、硬件接口、软件环境逐一分类后，分解并重新组合为模块化的实验资源案例库，以有效规避在硬件设备、软件环境、通信接口等多方面阻碍实验案例资源建设与升级的具体难题。

2.3 以竞赛、项目、新技术等为外部动力，提升实验案例教学效能

可在具体实验课程中增加竞赛及各类教师项目的引导动力，进而拓展相关实验案例资源使用群体，更好地培养不同专业学生工程設计、应用开发、运营管理等方面的复合型能力，提升其就业后动手实操能力及跨专业视野。

信息技术发展是具有革命性的，对社会生产、生活各个方面都产生了广泛而深刻的影响，对大学教育过程也已产生巨大冲击[14]。因此可以利用物联网行业技术的进步浪潮，为学生提供更多采用新技术的案例资源支持，为实验案例资源的跨课程使用铺平道路。

在具体实验课程之外，也可采用互联网新技术（如云计算）面向全体师生开放各环节实验案例资源，培养学生的物联网专业素养，开阔学生的计算机思维与视野，提升学生创新能力，更好地满足新工科背景下的人才培养需要。

3 具体方案

工科院校作为培养工科人才的主力军，应高度认识“中国制造2025”对实现中华民族伟大复兴的重大意义，勇于承担推进“中国制造2025”战略应尽的社会责任[15]。优化新工科背景下的人才培养方式，完善相应专业的课程体系建设，完善具体实验课程的案例建设，就是对国家创新驱动发展和“中国制造2025”等重大战略实施的有力支撑。

3.1 建设“四类型六环节”实验教学体系，以课群建设思维提高实验案例通用性

物联网专业3層次（感知、传输、应用）间的知识点相互关联性极强，因此实验教学体系建设必须以课群建设为核心，按照“四类型六环节”的实验教学体系建设方向（如图1所示），将各门实验课程的实验案例划分为：认知环节对应的基础性实验、验证与设计环节对应的专业性实验、设计与综合实训环节对应的综合性实验、毕业设计与科研竞赛环节对应的科研创新实践，各环节间可通过学生课堂项目的方式相互联动，大幅提升实验课程间知识点的关联性，提升现有实验案例资源对人才培养效果的支撑能力。

3.2 建设模块化实验案例资源，以积木拼接方式组建案例资源库，提升跨专业培养效果

如果已有课程形式、课程结构难以改变，就选择新的课程形式，在新课程形式中施行新的教学方式，便是推动课程改革的可选途径之一[16]。交叉复合型人才培养拓宽了学生的知识面，使学生知识运用能力强，具有科学创新精神[17]。在新工科人才培养需求下，物联网实验案例建设过程中可以按照物联网3层次划分方式，将不同课程的实验案例以技术标准、硬件接口、软件环境等方式分类后，抽取单个案例中的核心资源（软硬件均可）作为其模块化资源。

例如，将属于感知层的RFID基础类实验案例，按技术标准分为ISO14443协议、ISO15693协议、ISO18000-C协议共3种常见的RFID模块，其分别对应3种不同应用场景的RFID读卡器硬件，也分别对应3类不同案例软件资源（Windows下的读卡协议API、MCU环境下的串口封装协议等）。进行RFID相关实验课程时，模块化的实验资源可组合为基础、设计、综合3类实验教学案例，而面向非物联网专业学生开放相关实验案例资源时，学生仅需分析其课程或竞赛项目中需要的RFID应用场景，对应3类硬件模块特性，选择最适合的一款后，采用积木式拼接思路即可完成其项目设计。

模块化物联网实验案例建设，既提升了案例资源建设效率（仅定制少量对应类型的模块，无需采购整体化的全功能实验箱，低成本解决了案例资源不同课程间无法通用的难题），又提升了跨学科培养效率（无需整体化升级，仅需针对不符合课程需求部分进行替换）。

嵌入式系统综合设计课程在使用物联网模块化案例资源库后，可为卓越工程师班及计算机科学与技术专业学生提供多类型物联网设计案例，图2为采用物联网模块化案例库（RFID模块案例、传感器模块案例、通信模块案例）的课程题目：智能环境感知与监控系统设计。

3.3 利用竞赛、项目、新技术等课程外驱动力，提升案例资源教学效能

教学就是使人成其为人的活动，“成人”的教学要求突出教学的人本性[18]。以人为本才能发挥出教育的最大效能，通过竞赛、教师项目、新技术等方式引导与激励学生，可以调动学生主观能动性，从更广阔的角度思考项目设计与实施方式，同时也能为学生提供更丰富的实验资源，满足新工科对物联网专业复合型人才培养的现实需求。

（1）加强竞赛、项目的引导，扩大案例资源使用群体。引导学生将实验案例转化为设计性课程作业项目，鼓励学生将其细化为可参加竞赛或教师项目的相关课题资源，扩大实验案例在课程外的使用群体，提升案例资源的教学效能。

（2）利用物联网行业新技术发展浪潮，为学生提供更多模块化案例资源。通过项目资助方式采购模块化的新技术模块，如NB-IoT（窄带物联网技术），可通过购买基础NB-IoT模块及包月SIM卡的方式，为无线传感器网络（1学分，72学时）、物联网应用系统综合设计（1学分，72学时）等多门物联网专业综合设计性课程提供更丰富的实验案例资源，提升实验案例资源的跨课程兼容性，最终提高实验案例的教学效能。

（3）利用互联网新技术，探索更多类型计划内、外开放模式。针对物联网专业和非物联网专业学生，设计两套不同实验资源网络共享模式，即SPOC、MOOC。

针对物联网专业，主要采用“案例硬件模块+串口通信模块+云服务平台”的SPOC小规模限制性在线课程开放模式。RFID案例资源的具体开放流程如图3所示。同时，该平台目前也得到部分升级，可面对卓越工程师班（非物联网专业）在课外小规模使用。

针对非物联网专业，主要依托于学院国家级虚拟仿真实验教学中心的网络开放平台，用于竞赛培训、计划外教学等，采用MOOC大型开放式网络课程模式。开放流程如图4所示。平台内的物联网案例资源包含完整源代码、设计报告、实验报告、操作视频、案例环境搭建与实操说明文档等。除3大物联网平台包含的各类案例外，部分设计性案例资源来自原教师项目成果或学生课程设计项目转化。采用MOOC开放模式，极大地提升了物联网教学设备的使用人时数及使用效率，提高了实验案例资源的教学效能。

4 结语

目前地方高校学生高分低能现象较为普遍，解决实际问题的能力有待提高，主要原因是现行计算机课程教学体系普遍缺少对学生工程能力和创新能力的培养[4]。为了避免高分低能人才培养困局，物联网专业实验案例建设必须顺应新工科人才培养潮流，即复合型实践人才培养。因此，采用新的案例建设思维模式，更新授课内容、方法和形式，大胆使用新技术是极有必要的。注重实验教学体系设计中的课群建设;以模块化方式解构原有实验案例并建设积木拼接式的案例资源库;利用竞赛、项目与新技术等课程外动力的引导推动，都可以有效提升物联网专业的跨专业培养能力，扩展实验案例开放水平，提高课内课外实验效能，并最终提升物联网专业在新工科背景下的跨专业、跨学科培养能力。

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