杜宁 王姚 陈维民
摘 要：新工科背景下，為培养适应物联网产业发展的实践型人才，提出以企业需求为导向，以培养学生实践能力为目标，以项目驱动为手段的新型实践教学模式。通过自主研发可重构的开源综合物联网实验平台，搭建物联网通用系统开发框架，建立覆盖交叉学科的层次性实验体系和项目级案例库，引导学生对物联网进行宏观认知，培养学生的系统观。结合实训、“互联网+”等竞赛机制的引入，指导学生自主项目研发，提高学生工程实践能力。
关键词：物联网 新工科 实验平台 实践教学 创新
中图分类号：G642 文献标识码：A
Research on the Innovative Practical Teaching Mode of Internet of Things under the Background of New Engineering
DU Ning WANG Yao CHEN Weimin
（Harbin University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang Province，150080 China）
Abstract： Under the background of new engineering， in order to cultivate practical talents adapting to the development of the Internet of Things industry， a new practical teaching mode is proposed that is guided by the needs of enterprises， aims to cultivate students" practical ability and takes project-driven as the means. Through the research and development of a reconfigurable open-source integrated experimental platform， a general system development framework for Internet of Things is built， and the hierarchical experimental system and the project-level case library that cover cross-disciplines are established， so as to lead students to have a macro cognition of Internet of Things and cultivate students’ system view. Combined with the introduction of practical training， "Internet+" and other competition mechanisms， the research and development of students" independent projects is guided to improve students" engineering practice ability.
Key Words： Internet of Things; New engineering; Experimental platform; Practical teaching; Innovation
随着新经济、新业态、新产业等迅速发展，我国进入新工科建设时期[1]，物联网技术是新工科背景下各行业发展的重要支撑，在智能交通、工业监测、智能家居等诸多领域应用广泛。华为、小米等知名企业都在进行自主物联网产业模式建立和智能产品研发，行业的飞速发展意味着高素质物联网技术人才的大量需求。目前，国内200多所本科高校和400多所专科学校经教育部批准后开设了物联网相关专业[2]，然而现有教学体系仍然存在诸多不足，无法支撑物联网这样一个多学科融合、面向系统级工程应用学科的稳健发展。如何提高学生的工程实践能力和就业能力，使其技术水平能够和工业现场及深层次的设计研发需求接轨，是物联网高等教育亟须解决的问题。
文章根据物联网专业的工程特性，按照“新工科”针对新兴产业的对应专业及传统工科专业的升级改造，更强调实际应用性和综合交叉性[4]的要求。结合哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院嵌入式专业和物联网专业的建设经验，重视实践教学与理论教学的相互融合，通过自主研发可重构的开源综合物联网实验平台，建立层次性实践教学体系，搭建项目案例库，让学生从宏观架构的角度认知物联网，切实感知物联网真实开发场景，激发学生的学习力和创造力，提升解决复杂工程问题的能力。
1 物联网实践教学面临的问题
针对物联网具有的应用性强、信息技术集成等新工科专业特点，其教学体系建立应该遵循“物联网专业跨学科知识的融合和贯通必须通过实践来进行”这一原则，因此建立完善的实践体系在教学过程中至关重要。
然而，目前的物联网高等工程教育在实践教学方面仍有不足，尚不能完全有效地满足《新工科研究与实践项目指南》[5]对实践教学环节的要求，制约了高層次人才的培养。具体问题表现在以下几方面。
1.1 重理论轻实验，实验项目深度不够，不能适应“新工科”新的培养观
物联网工程专业涉及计算机、网络通信、电子信息等多个学科的知识，技术实现标准复杂，而现有的实践教学体系缺乏高集成度，知识涵盖不全面，教学过程过于重视专业理论知识的学习。基础实验项目设计单纯为验证某一理论点，技术深度不够，实现方式与现实中主流研发设计方法不一致，在技术应用领域又与现实中工业现场存在较大差距[5]。
1.2 实验体系对课程之间逻辑关系考虑不足，缺乏横向关联，纵向支撑
从横向角度来看，物联网实验教学体系中，存在诸如无线传感器网络、ZigBee 原理与组网、云计算等一系列并行实验课程，相互完全割裂，实验案例资源碎片化。学生无法深入了解所学课程在整个框架体系中的作用和与其他课程的关联关系，导致综合实践能力的不足，不能将相对独立的碎片化知识整合到综合实践项目中。从纵向角度观察，不同课程的实验内容往往相互孤立，前导课程的实验内容往往不能对后续课程进行有力支撑，学生对每门课程的实验内容和过程都需重新理解，没有梯度认知的过程，影响学习效果。
1.3 底层实验采用仿真方式，硬件平台不足以支撑综合实验，无法满足学生的自主设计和创新训练需求
目前，物联网实验教学涉及到底层开发的实验大多采用仿真方式，并没有从真实环境入手，导致课程理论知识点无法在实验当中进行实际硬件演示和开发，只能进行单纯的软件仿真验证。由于简单的仿真实验结果过于统一化，分析结果也就趋于同质化，对于学生分析能力培养有限。而且仿真实验会屏蔽掉诸多外界因素，缺乏真实性。同时，现有硬件教学平台大多以封装实验箱形式设计，不同课程实验所采用的硬件实验箱之间的兼容性较差，导致各实践项目的可延展性差，无法完成综合性实验，限制了学生自主创新的空间。
1.4 实验案例资源多基于实验箱硬件，灵活性不足，时效性不够，缺乏开放手段，与真实开发过程脱节
物联网相关技术类课程内容更新、升级频繁，而部分已开设的实验案例内容因为软硬件提前配置等因素，无法及时升级改造，造成教学与实践的脱节。在实验项目的选择上，只注重所选项目能否覆盖所学知识点，而不考虑其实用价值，从而导致所选项目大多都是老旧的经典项目，所用技术也是过时的技术，在实际工作中缺少应用之处[6]。
2 物联网创新型实践教学模式设计
针对以上问题的分析，围绕物联网新工科工程专业建设，为强化人才培养的工程应用能力，满足“新工科”人才培养要求，探索物联网实践教学创新模式，提出建立满足高等教育工程需求的实践平台和体系。
2.1 面向工程的可重构开源综合物联网实验平台的研发
依托团队前期硬件平台的开发经验和成果，平台构建方式依然延续自主研发的设计思路，软硬件设计和开发内容完全开源，具有代码资源丰富、设计灵活、可扩展性强等优势。整体设计方案参考了国内外主流实验平台建立模式，同时借鉴现有知名厂商的成熟物联网产品的开发架构，对接行业标准，依据物联网理论和实验课程内容进行软硬件一体化方案设计。平台强调综合性，设计目标力求对物联网专业实现全学科覆盖，设计内容包含了从云端到传感端的所有构件，整合后的硬件平台按照功能可划分为物联网基础实验平台、物联网嵌入式实验平台、无线通信实验系统、无线模块和外围软硬件等。综合性平台各子系统可分别或联合支撑某一课程的实验内容，同时各组件间采用统一标准接口设计，实现了子系统间的无缝兼容，对整个课程体系的横纵向联系的支撑，综合实验的设计，实训项目的开发等提供全方位的平台支持。
硬件平台具有可重构性，复用性强，设计采用模块化组态设计方案，组件和环境可灵活配置，所有组件都是按模块封装，采用插拔和开关方式任意选择，灵活性强。例如：无线网络的相关实验提供支持Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、RFID等多种通信接口，学生在实验过程中可以按实验要求任意选择通信场景，完成不同协议的组网，了解不同通信协议的配置和应用场景。在实训和自主开发环节，所有模块可以按照学生设计的系统架构和功能需求来任意组合硬件配置。
相比同类平台，研发过程考虑到底层硬件开发和上层软件接口开发等内容，弥补了现有平台的一些不足，具有一定的创新设计。其中，无线通信实验系统自主研发了与GNU-Radio兼容的低成本USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设），实现了ZigBee、RFID标准协议在FPGA上验证功能。为建立从底层开发到验证的物联网无线通信类课程实践提供硬件方案，解决了采购现有USRP实验设备造价高而单纯采用软件仿真实验真实性不足的问题。在物理平台开发的基础上，系统针对物联网无线通信类的课程内容进行深入剖析，建立课程体系，建立从底层开发到验证的相关课程项目群。上层软件设计方面，平台增加了云架构、移动端控制、多模网关的开发以及应用层数据处理和上层用户接口的定义等应用级别实现，让学生更加直观地了解真实的开发细节。
2.2 层次性实验教学体系的建立
参考物联网技术体系架构和专业教学大纲，将实验体系逻辑架构自底向上分为感知传输层、应用层、云架构和大数据处理层，其中感知传输层主要涉及底层硬件相关的专业学科，例如通信原理、传感器网络、信号与系统等。学院物联网专业的课程设置除了以上基本科目外，借助自身专业优势，同时增设了云计算与应用开发、物联网中间件与标准、Web应用开发技术等面向上层设计和开发的学科，这些科目都归于应用层、云架构和大数据处理层。以上这些均体现了专业办学的特色，提升了学生的就业优势。层次化实验教学体系的设计明确了学科之间的逻辑关联性，更有助于教学过程中教师引导学生从系统不同层次理解各学科的交叉性、系统性、综合性，培养学生的系统观。
实验内容的设计采用递进式方式，将实验分为基础实验、综合实验和创新实验，其中基础实验项目又分为验证型和设计型，主要是对学科基础知识点进行原理性验证和进一步的实践练习，达到夯实基础的目的；
综合实验考查学生对所学知识的整体掌握以及子系统的初步认知，强化培养学生的开发能力，包括对核心代码的分析理解、功能补全和重构；
创新实验在前期实验基础上培养学生自主开发能力，对接真实项目案例，详细剖析案例设计和开发细节，让学生自主设计贴合实际的小型系统，为后期的实训和毕业设计奠定基础。为更好地提升学生的实践能力，新一版的教学大纲将实验学时进行调整，专业基础课的学时都由原来的10学时调整为16学时，专业选修课也根据相应的内容增加了学时。实验项目的设计提高了综合实验和创新实验的学时比例，内容设计上除了实验基础要求外，按照学生的个人能力给出附加功能实现，让学有余力的学生进行深入扩展，设置阶梯式程序演示考核机制和成绩评定，提升实验课堂教学效果。
2.3 面向应用开发的案例库的搭建
为更好地提高学生的实际开发能力和适应实训需求，在综合平台的硬件前提下，进行面向实际应用开发的综合性案例库搭建。案例的设计首要目标是以学生能力培养为中心，选取适合教学的项目。案例所涉及的技术点需要对应课程群的核心知识点、满足课程目标和毕设指标点要求，与实验内容、课程设计相互衔接。采取的有效方法是系统案例设计与实验内容设计互相借鉴、互相融合，实验项目的设计来源于大型系统框架的自底向上功能模块化拆分。学生在日常实验中即可了解功能模块的实现细节，有助于消除学生对大型物联网系统研究、设计和开发的畏难心理，更容易理解综合案例系统的设计，达到以点带面，符合由浅入深、循序渐进的认知规律。例如“楼宇监控系统”是适合教学的案例项目，功能贴近生活，学生容易理解，其来源于大学生创新项目，项目本身就是在综合平台上完成的，选入综合性案例库。这类项目结构满足主流框架，功能划分清晰，可以自底向上进行模块化拆分。感知层的功能包括环境数据采集和处理，可设计为传感器原理与应用的传感光敏电阻传感器实验和温度传感器实验；
数据传输功能包括ZigBee组网配置，可以设计为ZigBee的协调器和终端配置实验，ZigBee路由实验等；
服务器搭建、移动终端控制、云平台可以分别拆分为对应科目的实验项目。教学过程中教师采用项目为导向，学生在完成实验项目的同时，对物联网项目进行整体认知以及与其他课程的联系，直观地理解所学理论知识，解决了物联网实验课程存在的“碎片化”的问题。
案例的选取需具有实际应用意义，案例可来源于实际应用的产业化产品原型、企业实训项目、竞赛获奖项目等，满足系统工程化要求，功能健全、代码规范，文档信息完善。在自主平台的支持下，所有案例设计灵活，都采用了主流的物联网系统设计框架。案例库具有及时性，根据物联网产业发展进行案例库的更新和迭代。案例库具有多元化特点，目前已经建立了智能家居展示空间、智能监测、智能医疗等大类项目，案例库的具体分类和设计如图1所示，为学生实现不同需求的设计提供专业参考，为进一步创新设计提供思路。
2.4 项目驱动的自主创新实训模式的建立
为培养学生的工程能力和团队合作意识，以项目为驱动进行工程训练。依托开源平台和案例库资源，形成一套包含项目分析、框架搭建、模块划分、编码测试、文档撰写等全过程的项目流程方案对学生进行实训教学。鼓励学生自主形成项目团队，根据项目需求跨专业吸纳队员，根据自身兴趣方向合理分工。学院开放了大学生开放式实验室、创新设计实验室、开源软硬件开放实验室为学生提供实训场地，提供相应的硬件支持，同时设定导师制为学生提供专业指导。鼓励学生参加创新创业实践项目、“互联网+”大赛、新产品发明创造，全面提升学生的工程实践能力和创新能力。学院与企业进行校企合作，为高年级学生去企业实习提供机会，引入企业项目完善案例库资源。
3 结语
新工科背景下，项目提出的可重构开源综合物联网实验平台的设计和自主研发模式、实验教学模式、工程人才培养模式等内容符合学科发展要求，为物联网实验室建设和实践教学模式提出解决方案。综合实验平台的搭建，不仅可以横向支撑基础实验实践教学，由于其在设计上的自主性、全面性和灵活性，同时也是面向项目的开放平台，提供企业级的工程案例库，为学生参加各种竞赛、项目驱动、创新创业项目提供了平台，锻炼了学生的项目设计和开发能力，符合新工科对专业的实验实践要求和培养工程人才的需求，同时为学院物联网专业进行工程认证在实验条件和学生对复杂系统进行设计能力培养上提供有力的支撑。新型教学体系和实验教学模式的设计，满足学生对实验内容循序渐进的认识过程，激发学习者的学习兴趣，让学生有效参与实践过程，激活学习动机。目前，综合实验平台和实验教学体系在学院物联网专业实验教学中的全面运用，已经取得良好的教学效果和竞赛成果，提升了物联网专业本科就业率和就业质量。
参考文献
[1]吕悦.高校新工科教师胜任力模型构建研究[D].长春：吉林大学，2022.
[2]江帆.基于CDIO理念的物联网课程教学改革探索与实践[J].计算机教育，2022（2）：100-104.
[3] 安健.面向物联网专业的开放实践教学模式[J].计算机教育，2020（7）：124-127，133.
[4] 韓济泽，张永林.物联网USN体系与混合式架构应用[J].电子设计工程，2021，29（12）：128-132，137.
[5] 黄忠.基于PBL和OBE理念的物联网工程专业实践平台建设[J].计算机教育，2020（5）：29-32.
[6] 张琰.基于物联网工程的新工科实践平台分析[J].电子技术，2021，50（10）：116-117.
猜你喜欢实验平台新工科物联网面向新工科的Python程序设计交叉融合案例教学计算机教育(2017年8期)2017-09-01新工科形势下高校二级学院毕业设计管理探索科技视界(2017年10期)2017-08-21新工科背景下大学生创新创业教育探索电脑知识与技术(2017年16期)2017-07-14云计算在职业院校中的应用与思考海峡科技与产业(2016年12期)2017-01-16生物医学工程专业创新人才培养策略中国教育技术装备(2016年20期)2016-12-12基于高职院校物联网技术应用人才培养的思考分析电脑知识与技术(2016年21期)2016-10-18中国或成“物联网”领军者环球时报(2016-08-01)2016-08-01基于LabVIEW的虚拟实验平台设计科技视界(2016年2期)2016-03-30本文来源：http://www.triumph-cn.com/fanwendaquan/gongwenfanwen/2023/0909/104382.html