王毅 張滬寅 黃建忠 何承達(dá) 彭紅梅

摘 要：“新工科”既包含新興產(chǎn)業(yè)的對應(yīng)專業(yè)，如物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人和云計算，也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新工科背景下各行業(yè)發(fā)展、升級的重要支撐，因此從實驗實踐角度探討其實驗教學(xué)體系，對提升高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)質(zhì)量，進(jìn)一步夯實“中國制造2025”等國家計劃有積極意義。

關(guān)鍵詞：新工科；物聯(lián)網(wǎng)；實驗教學(xué)體系

中圖分類號：TP3-0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

為應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，高校要主動服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略實施，加快工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級[1]。

在工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型背景下，世界著名工科院校逐漸摒棄工程教育傳統(tǒng)狹隘的知識結(jié)構(gòu)內(nèi)涵，如麻省理工學(xué)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(tǒng)性[2]。“新工科”針對新興產(chǎn)業(yè)的對應(yīng)專業(yè)及傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，更強(qiáng)調(diào)實際應(yīng)用性和綜合交叉性。物聯(lián)網(wǎng)是新工科重要的支撐技術(shù)之一，因此對物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)體系，從軟硬件整合角度進(jìn)行深入的探索和改進(jìn)[3]，對提高高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)水平，夯實各類國家戰(zhàn)略具有積極意義。

2 從實驗實踐角度，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)建設(shè)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(nèi)已先后有200多所本科高校和400多所?？茖W(xué)校經(jīng)教育部批準(zhǔn)后開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)，目前與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的本科和大專學(xué)生共近十萬人/年，并且數(shù)量在逐年增加。目前整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、核心技術(shù)不成熟、商業(yè)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(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重大瓶頸[4，5]。以武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院為例，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)常見問題如下

（1）實驗室硬件環(huán)境建設(shè)容易滯后于實驗教學(xué)的實際需求。我院物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室建設(shè)一度滯后于教學(xué)需求，主要原因有兩個：一是物聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)設(shè)備缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致設(shè)備采購困難，即便根據(jù)實驗課程的實際需求進(jìn)行定制生產(chǎn)，其招投標(biāo)流程時間長、設(shè)備供應(yīng)商前期投入巨大等一系列問題都導(dǎo)致了短時間內(nèi)硬件建設(shè)難以滿足教學(xué)需求；二是物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)迭代迅速，教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)商無法短期內(nèi)提供使用了新技術(shù)的實驗設(shè)備，如2011年學(xué)院計劃為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程（1學(xué)分，72學(xué)時）配置以ZigBee為主要通信模式的實驗設(shè)備，但當(dāng)時國內(nèi)并沒有教學(xué)設(shè)備公司生產(chǎn)基于z-stack協(xié)議棧或Ember協(xié)議棧教學(xué)設(shè)備，定制開發(fā)也缺乏足夠人力支持，最終只能tinyos系統(tǒng)。后續(xù)為了確保實驗教學(xué)體系的完整性，不得不花費(fèi)大量時間從軟件方面升級相關(guān)實驗平臺，以滿足實驗課程需求。

（2）物聯(lián)網(wǎng)實驗課程內(nèi)容的整體質(zhì)量有待提升。目前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程中的大部分實驗案例，主要由各設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)自身設(shè)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(nèi)容較為單一，且相關(guān)開發(fā)資源由供應(yīng)商掌握，因此案例內(nèi)容的延續(xù)性和穩(wěn)定性較差。

（3）原創(chuàng)優(yōu)秀案例內(nèi)容難以保持。由于近年來各類物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)競賽的正面激勵，產(chǎn)生了許多學(xué)生參賽的物聯(lián)網(wǎng)實驗項目，部分高校也將其轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)案例在實驗課程中面向?qū)W生開放。但由于學(xué)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(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)中，結(jié)課考核常作為評價標(biāo)準(zhǔn)，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(xué)生的創(chuàng)新思維方式，使其僅局限于單門實驗課程的內(nèi)容，無法培養(yǎng)其整體化的物聯(lián)網(wǎng)工程思維能力。

3 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系建設(shè)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(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Forester預(yù)測，到2020年，世界上物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)，跟人與人通信的業(yè)務(wù)相比，將達(dá)到30比l，因此，“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為是下一個萬億級的通信業(yè)務(wù)[7]。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的迅速發(fā)展，更需要高素養(yǎng)人才的強(qiáng)力支撐，因此對于以上物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系的缺陷和不足，只需抓住新工科對人才培養(yǎng)的核心需求，即增強(qiáng)實驗實踐能力，提高跨專業(yè)、學(xué)科的復(fù)合創(chuàng)新能力，就可以在一定程度上解決以上問題。

（1）以頂層設(shè)計為切入點，在本科人才培養(yǎng)方案中強(qiáng)化實驗實踐培養(yǎng)的比重。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極其強(qiáng)調(diào)實踐實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，想要合理解決教學(xué)中存在的實踐不足的問題，必須從頂層設(shè)計入手，編撰均衡完善的物聯(lián)網(wǎng)本科人才培養(yǎng)方案，提升實驗實踐課程的學(xué)時比例，通過大量時間的實驗實踐課程來提升學(xué)生的項目設(shè)計能力和實際動手能力。

（2）以課群建設(shè)為核心，提升實驗教學(xué)體系的人才培養(yǎng)效能。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)三層次（感知、傳輸、應(yīng)用）間的知識點相互關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，因此實驗教學(xué)體系的建設(shè)必須以課群建設(shè)為核心，可以按照“四類型六環(huán)節(jié)”的方式，如圖1所示，將各門實驗課程的內(nèi)容劃分為認(rèn)知環(huán)節(jié)所對應(yīng)的基礎(chǔ)性實驗、驗證與設(shè)計環(huán)節(jié)所對應(yīng)的專業(yè)性實驗、設(shè)計與綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)所對應(yīng)的綜合性實驗、畢業(yè)設(shè)計與科研競賽環(huán)節(jié)所對應(yīng)的科研創(chuàng)新實踐，且各環(huán)節(jié)間可通過學(xué)生課堂項目的方式相互聯(lián)動，大幅提升實驗課程間知識點的關(guān)聯(lián)性，提升實驗教學(xué)體系對人才培養(yǎng)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(huán)節(jié)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(jī)制，為實驗教學(xué)體系建設(shè)提供外部動力。

以實驗案例內(nèi)容建設(shè)為重點，建立校企共建機(jī)制，由設(shè)備供應(yīng)商提供開源軟件和咨詢服務(wù)支持，引導(dǎo)師生參與實驗案例內(nèi)容的開發(fā)、拓展，豐富實驗教學(xué)案例的內(nèi)容，可以為實驗教學(xué)體系的完善提供有效的外部動力。

（4）建立競賽引導(dǎo)機(jī)制，增加實驗教學(xué)體系的內(nèi)在動能。

將競賽激勵導(dǎo)入實驗教學(xué)課程之中，即滿足了一般學(xué)生的教學(xué)需要，也拓展了優(yōu)秀學(xué)生的培養(yǎng)方式，但前提是需要充分重視學(xué)情分析，切實做到以學(xué)生為中心組織教學(xué)過程[8]。只有以人才培養(yǎng)為中心，才可以保證實驗教學(xué)體系不出現(xiàn)根本性的偏差。在實際培養(yǎng)過程中，可根據(jù)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(jìn)行諸如人員選拔；競賽隊伍基礎(chǔ)培訓(xùn)；項目設(shè)計與完善；文檔資料整理；競賽項目分層級轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)、綜合、設(shè)計性實驗案例資源等方面的工作。

（5）結(jié)合云計算技術(shù)，建立符合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點的開放機(jī)制，使物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)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(yè)課程只供本院系學(xué)生修讀，高校人才培養(yǎng)與科學(xué)研究之間、本科生培養(yǎng)與研究生培養(yǎng)之間、學(xué)院與學(xué)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(jī)制問題[9]。除了機(jī)制問題外，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)案例均基于各類硬件設(shè)備，其實驗案例較為復(fù)雜，除實驗授課以外，難以有效實現(xiàn)案例資源對外開放。

利用云計算及網(wǎng)絡(luò)串口模塊通信技術(shù)，同時結(jié)合競賽隊伍開放引導(dǎo)培訓(xùn)制度，可建立一套適合于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點的分層開放機(jī)制，有效支撐新工科背景下的跨專業(yè)、跨學(xué)科人才培養(yǎng)核心需求。

4 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系建設(shè)的一些具體措施

（Some measures for construction of experimental

teaching system of Internet of things）

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)成主要體現(xiàn)在感知控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個層次上。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是計算機(jī)、電子、通信、自動控制、軟件、管理工程等多個學(xué)科的融合[10]。在新工科背景下，建設(shè)相對完善的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系，就必須以社會產(chǎn)業(yè)的變革需求作為最重要的驅(qū)動要素，依次驅(qū)動相關(guān)專業(yè)頂層設(shè)計、案例資源建設(shè)、開放共享模式等要素的不斷優(yōu)化。武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系建設(shè)中存在的一些亮點，可以分享如下。

4.1 合理進(jìn)行頂層設(shè)計，夯實物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的跨專業(yè)、重

實踐的實驗教學(xué)培養(yǎng)體系

結(jié)合學(xué)院推行的大類招生培養(yǎng)模式及全新的課群建設(shè)方案，學(xué)院于2017年初重新編撰了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科人才培養(yǎng)方案，增強(qiáng)跨專業(yè)選修課程，尤其是面向卓越工程師班及計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)更多物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的專業(yè)選修實驗課程，如RFID綜合設(shè)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(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗課程的教學(xué)之中，做到在同等學(xué)分下，實驗課程學(xué)時兩倍于理論課程學(xué)時，夯實物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)跨專業(yè)、重實踐的實驗教學(xué)培養(yǎng)體系。

4.2 根據(jù)課群建設(shè)需求，申請國家級專項資金，完善實

驗教學(xué)體系

實驗教學(xué)中心以“四類型六環(huán)節(jié)”的實驗課程建設(shè)理念，陸續(xù)建設(shè)了“RFID綜合實驗教學(xué)平臺”“傳感網(wǎng)實驗教學(xué)平臺”“物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實踐平臺”，涵蓋了10門本科實驗教學(xué)課程，共100多個實驗教學(xué)案例，較好的支撐了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科人才培養(yǎng)的均衡發(fā)展。

4.3 以社會資本支持為助力，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計能力，

完善實驗教學(xué)培養(yǎng)內(nèi)容，提高學(xué)生優(yōu)秀實驗案例的

轉(zhuǎn)化率

以我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計（1學(xué)分，72學(xué)時）實驗課程為例，在設(shè)備采購招標(biāo)時就規(guī)定中標(biāo)企業(yè)需按照實驗課程需求，提供設(shè)計性實驗案例的開發(fā)支持。目前該課程學(xué)生案例中，已有兩組項目分別轉(zhuǎn)化為全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽參賽作品，分別是2015年一等獎作品“基于多傳感器協(xié)助的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)（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(dǎo)機(jī)制，增

強(qiáng)實驗教學(xué)體系的培養(yǎng)深度與廣度，擴(kuò)展優(yōu)秀

實驗案例來源

基于合理的頂層設(shè)計，實驗教學(xué)中心負(fù)責(zé)多門物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的必修、選修課程，因此實驗教師得以利用相關(guān)實驗課程，分層級引導(dǎo)學(xué)生參與不同等級的學(xué)生競賽。

我院實驗教師可在大一的必修課（計算機(jī)導(dǎo)論）中，面向全年級學(xué)生進(jìn)行初步選拔。后續(xù)由實驗教學(xué)中心提供軟硬件資源的技能培訓(xùn)，并在暑期由實驗教師進(jìn)行一對一指導(dǎo)，最終推選優(yōu)秀項目組參與中國大學(xué)生計算機(jī)設(shè)計大賽。

大二分專業(yè)后，實驗教師可利用RFID系統(tǒng)綜合設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)綜合設(shè)計三門面向物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)、卓越工程師班及計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實驗課程，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)組隊。在完成實驗課程內(nèi)容的同時，指導(dǎo)其中優(yōu)秀項目隊伍細(xì)化項目內(nèi)容，并參加全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽。

同時實驗教師也負(fù)責(zé)遴選合適于實驗教學(xué)的優(yōu)質(zhì)競賽項目進(jìn)行改造，將其分解為基礎(chǔ)、綜合、設(shè)計等多類型實驗案例后，利用云計算技術(shù)存留優(yōu)秀實驗案例的軟件資源和指導(dǎo)文檔。

目前已引導(dǎo)學(xué)生參加2017年中國大學(xué)生計算機(jī)設(shè)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(shù)，建設(shè)虛實結(jié)合的開放系統(tǒng)，

完善物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實驗教學(xué)體系

適合于傳統(tǒng)課程體系的管理模式，可能完全不適用于跨學(xué)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(shù)為前提，針對不同的人才培養(yǎng)需求，設(shè)計一套符合自身專業(yè)培養(yǎng)特色的開放管理模式，才能真正的提升人才培養(yǎng)效果。教學(xué)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(shè)的發(fā)動機(jī)，課程信息化與教學(xué)方法與手段改革相結(jié)合可為當(dāng)今我國高校課程教學(xué)改革提供系統(tǒng)性解決方案[9]。有效使用云計算技術(shù)，結(jié)合課外實驗室開放培訓(xùn)，設(shè)計一套符合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色的開放模式，可以有效的完善物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系，提升跨專業(yè)、跨學(xué)科的人才培養(yǎng)能力。

目前我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室除日常實驗授課外，還承擔(dān)了大量競賽培訓(xùn)工作，因此學(xué)院利用云計算技術(shù)結(jié)合課外實驗室開放培訓(xùn)，建立了一套較為完善的，符合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)特色的開放制度。

（1）自主設(shè)計基于硬件實驗的開放網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)，面向非物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生開放基礎(chǔ)硬件實驗案例。

傳統(tǒng)實驗教學(xué)的硬件設(shè)備，難以解決接入網(wǎng)絡(luò)后的兼容性及實時操作性的限制，因此傳統(tǒng)硬件實驗教學(xué)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(shù)及網(wǎng)絡(luò)串口通信設(shè)備建設(shè)云開放平臺，體系架構(gòu)如圖2所示。可以通過網(wǎng)絡(luò)共享的形式，對授權(quán)對象開放部分物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)案例。

圖2 云開放平臺

Fig.2 Open platform of clouds

學(xué)生可以通過實驗課程申請、競賽基礎(chǔ)培訓(xùn)申請等方式

獲取VPN服務(wù)器登錄權(quán)限，通過實驗教學(xué)中心開放網(wǎng)絡(luò)平臺詳細(xì)查閱相關(guān)實驗案例指導(dǎo)書，理解基本原理后進(jìn)行相應(yīng)實驗操作。在學(xué)生申請期間，對應(yīng)實驗設(shè)備會接入有ups電源保障的網(wǎng)格實驗室，保證24小時開放共享。學(xué)生進(jìn)行實驗時，可選擇網(wǎng)絡(luò)平臺中空閑的虛擬機(jī)，啟動虛擬機(jī)內(nèi)相關(guān)操作軟件，通過網(wǎng)絡(luò)串口通信模塊將源碼或命令寫入設(shè)備，同時讀取對應(yīng)虛擬串口的反饋數(shù)據(jù)。下一步我們還計劃在虛擬機(jī)中開放網(wǎng)絡(luò)視頻端口，使學(xué)生可以實時觀察實驗結(jié)果。

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

（2）基于競賽培訓(xùn)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室開放制度。

針對競賽培訓(xùn)的復(fù)雜程度不同，建立物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室開放制度，主要包括集中培訓(xùn)與自由開放兩類。集中培訓(xùn)在暑期進(jìn)行，由實驗教師主導(dǎo)，負(fù)責(zé)由淺入深的進(jìn)行實驗軟硬件操作技能培訓(xùn)。自由開放采取申請授權(quán)的方式，將獲得授權(quán)的相關(guān)人員的生物信息（指紋、人臉等）導(dǎo)入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室的門禁管理系統(tǒng)，允許其在經(jīng)過基本安全培訓(xùn)后，在非授課時段進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室，實驗教師可通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭對其行為進(jìn)行監(jiān)控管理。

5 結(jié)論（Conclusion）

無論是從教育的起源和本質(zhì)來講，還是從人類第一所大學(xué)誕生來講，任何一所學(xué)，特別是高等學(xué)校都必須把人才培養(yǎng)作為首要職責(zé)來抓[12]。在新工科背景下，新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級，對培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才產(chǎn)生了極大的社會需求，因此相應(yīng)專業(yè)的實驗教學(xué)體系必須不斷探索以適應(yīng)不斷變化的社會需求，其中增強(qiáng)學(xué)生的實驗實踐能力，培養(yǎng)跨專業(yè)、學(xué)科的復(fù)合型創(chuàng)新能力將會比以往更加重要。探討、分享物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系建設(shè)的優(yōu)缺點和變革方向，將會為新工科背景下的各行業(yè)提供更多優(yōu)秀的復(fù)合型人才，對“中國制造2025”等國家重大戰(zhàn)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(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

張滬寅（1962-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù).

黃建忠（1975-），男，博士，高級實驗師.研究領(lǐng)域：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù).

何承達(dá)（1990-），男，碩士，助理實驗師.研究領(lǐng)域：軟件工程.

彭紅梅（1972-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程.