新工科背景下創新型物聯網實踐教學模式的研究

杜寧 王姚 陳維民

摘??要：新工科背景下，為培養適應物聯網產業發展的實踐型人才，提出以企業需求為導向，以培養學生實踐能力為目標，以項目驅動為手段的新型實踐教學模式。通過自主研發可重構的開源綜合物聯網實驗平臺，搭建物聯網通用系統開發框架，建立覆蓋交叉學科的層次性實驗體系和項目級案例庫，引導學生對物聯網進行宏觀認知，培養學生的系統觀。結合實訓、“互聯網+”等競賽機制的引入，指導學生自主項目研發，提高學生工程實踐能力。

關鍵詞：物聯網???新工科???實驗平臺???實踐教學???創新

中圖分類號：G642?????????文獻標識碼：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

隨著新經濟、新業態、新產業等迅速發展，我國進入新工科建設時期[1]，物聯網技術是新工科背景下各行業發展的重要支撐，在智能交通、工業監測、智能家居等諸多領域應用廣泛。華為、小米等知名企業都在進行自主物聯網產業模式建立和智能產品研發，行業的飛速發展意味著高素質物聯網技術人才的大量需求。目前，國內200多所本科高校和400多所?？茖W校經教育部批準后開設了物聯網相關專業[2]，然而現有教學體系仍然存在諸多不足，無法支撐物聯網這樣一個多學科融合、面向系統級工程應用學科的穩健發展。如何提高學生的工程實踐能力和就業能力，使其技術水平能夠和工業現場及深層次的設計研發需求接軌，是物聯網高等教育亟須解決的問題。

文章根據物聯網專業的工程特性，按照“新工科”針對新興產業的對應專業及傳統工科專業的升級改造，更強調實際應用性和綜合交叉性[4]的要求。結合哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院嵌入式專業和物聯網專業的建設經驗，重視實踐教學與理論教學的相互融合，通過自主研發可重構的開源綜合物聯網實驗平臺，建立層次性實踐教學體系，搭建項目案例庫，讓學生從宏觀架構的角度認知物聯網，切實感知物聯網真實開發場景，激發學生的學習力和創造力，提升解決復雜工程問題的能力。

1???物聯網實踐教學面臨的問題

針對物聯網具有的應用性強、信息技術集成等新工科專業特點，其教學體系建立應該遵循“物聯網專業跨學科知識的融合和貫通必須通過實踐來進行”這一原則，因此建立完善的實踐體系在教學過程中至關重要。

然而，目前的物聯網高等工程教育在實踐教學方面仍有不足，尚不能完全有效地滿足《新工科研究與實踐項目指南》[5]對實踐教學環節的要求，制約了高層次人才的培養。具體問題表現在以下幾方面。

1.1??重理論輕實驗，實驗項目深度不夠，不能適應“新工科”新的培養觀

物聯網工程專業涉及計算機、網絡通信、電子信息等多個學科的知識，技術實現標準復雜，而現有的實踐教學體系缺乏高集成度，知識涵蓋不全面，教學過程過于重視專業理論知識的學習?；A實驗項目設計單純為驗證某一理論點，技術深度不夠，實現方式與現實中主流研發設計方法不一致，在技術應用領域又與現實中工業現場存在較大差距[5]。

1.2??實驗體系對課程之間邏輯關系考慮不足，缺乏橫向關聯，縱向支撐

從橫向角度來看，物聯網實驗教學體系中，存在諸如無線傳感器網絡、ZigBee?原理與組網、云計算等一系列并行實驗課程，相互完全割裂，實驗案例資源碎片化。學生無法深入了解所學課程在整個框架體系中的作用和與其他課程的關聯關系，導致綜合實踐能力的不足，不能將相對獨立的碎片化知識整合到綜合實踐項目中。從縱向角度觀察，不同課程的實驗內容往往相互孤立，前導課程的實驗內容往往不能對后續課程進行有力支撐，學生對每門課程的實驗內容和過程都需重新理解，沒有梯度認知的過程，影響學習效果。

1.3??底層實驗采用仿真方式，硬件平臺不足以支撐綜合實驗，無法滿足學生的自主設計和創新訓練需求

目前，物聯網實驗教學涉及到底層開發的實驗大多采用仿真方式，并沒有從真實環境入手，導致課程理論知識點無法在實驗當中進行實際硬件演示和開發，只能進行單純的軟件仿真驗證。由于簡單的仿真實驗結果過于統一化，分析結果也就趨于同質化，對于學生分析能力培養有限。而且仿真實驗會屏蔽掉諸多外界因素，缺乏真實性。同時，現有硬件教學平臺大多以封裝實驗箱形式設計，不同課程實驗所采用的硬件實驗箱之間的兼容性較差，導致各實踐項目的可延展性差，無法完成綜合性實驗，限制了學生自主創新的空間。

1.4??實驗案例資源多基于實驗箱硬件，靈活性不足，時效性不夠，缺乏開放手段，與真實開發過程脫節

物聯網相關技術類課程內容更新、升級頻繁，而部分已開設的實驗案例內容因為軟硬件提前配置等因素，無法及時升級改造，造成教學與實踐的脫節。在實驗項目的選擇上，只注重所選項目能否覆蓋所學知識點，而不考慮其實用價值，從而導致所選項目大多都是老舊的經典項目，所用技術也是過時的技術，在實際工作中缺少應用之處[6]。

2??物聯網創新型實踐教學模式設計

針對以上問題的分析，圍繞物聯網新工科工程專業建設，為強化人才培養的工程應用能力，滿足“新工科”人才培養要求，探索物聯網實踐教學創新模式，提出建立滿足高等教育工程需求的實踐平臺和體系。

2.1??面向工程的可重構開源綜合物聯網實驗平臺的研發

依托團隊前期硬件平臺的開發經驗和成果，平臺構建方式依然延續自主研發的設計思路，軟硬件設計和開發內容完全開源，具有代碼資源豐富、設計靈活、可擴展性強等優勢。整體設計方案參考了國內外主流實驗平臺建立模式，同時借鑒現有知名廠商的成熟物聯網產品的開發架構，對接行業標準，依據物聯網理論和實驗課程內容進行軟硬件一體化方案設計。平臺強調綜合性，設計目標力求對物聯網專業實現全學科覆蓋，設計內容包含了從云端到傳感端的所有構件，整合后的硬件平臺按照功能可劃分為物聯網基礎實驗平臺、物聯網嵌入式實驗平臺、無線通信實驗系統、無線模塊和外圍軟硬件等。綜合性平臺各子系統可分別或聯合支撐某一課程的實驗內容，同時各組件間采用統一標準接口設計，實現了子系統間的無縫兼容，對整個課程體系的橫縱向聯系的支撐，綜合實驗的設計，實訓項目的開發等提供全方位的平臺支持。

硬件平臺具有可重構性，復用性強，設計采用模塊化組態設計方案，組件和環境可靈活配置，所有組件都是按模塊封裝，采用插拔和開關方式任意選擇，靈活性強。例如：無線網絡的相關實驗提供支持Wi-Fi、藍牙、ZigBee、RFID等多種通信接口，學生在實驗過程中可以按實驗要求任意選擇通信場景，完成不同協議的組網，了解不同通信協議的配置和應用場景。在實訓和自主開發環節，所有模塊可以按照學生設計的系統架構和功能需求來任意組合硬件配置。

相比同類平臺，研發過程考慮到底層硬件開發和上層軟件接口開發等內容，彌補了現有平臺的一些不足，具有一定的創新設計。其中，無線通信實驗系統自主研發了與GNU-Radio兼容的低成本USRP（Universal?Software?Radio?Peripheral，通用軟件無線電外設），實現了ZigBee、RFID標準協議在FPGA上驗證功能。為建立從底層開發到驗證的物聯網無線通信類課程實踐提供硬件方案，解決了采購現有USRP實驗設備造價高而單純采用軟件仿真實驗真實性不足的問題。在物理平臺開發的基礎上，系統針對物聯網無線通信類的課程內容進行深入剖析，建立課程體系，建立從底層開發到驗證的相關課程項目群。上層軟件設計方面，平臺增加了云架構、移動端控制、多模網關的開發以及應用層數據處理和上層用戶接口的定義等應用級別實現，讓學生更加直觀地了解真實的開發細節。

2.2???層次性實驗教學體系的建立

參考物聯網技術體系架構和專業教學大綱，將實驗體系邏輯架構自底向上分為感知傳輸層、應用層、云架構和大數據處理層，其中感知傳輸層主要涉及底層硬件相關的專業學科，例如通信原理、傳感器網絡、信號與系統等。學院物聯網專業的課程設置除了以上基本科目外，借助自身專業優勢，同時增設了云計算與應用開發、物聯網中間件與標準、Web應用開發技術等面向上層設計和開發的學科，這些科目都歸于應用層、云架構和大數據處理層。以上這些均體現了專業辦學的特色，提升了學生的就業優勢。層次化實驗教學體系的設計明確了學科之間的邏輯關聯性，更有助于教學過程中教師引導學生從系統不同層次理解各學科的交叉性、系統性、綜合性，培養學生的系統觀。

實驗內容的設計采用遞進式方式，將實驗分為基礎實驗、綜合實驗和創新實驗，其中基礎實驗項目又分為驗證型和設計型，主要是對學科基礎知識點進行原理性驗證和進一步的實踐練習，達到夯實基礎的目的；綜合實驗考查學生對所學知識的整體掌握以及子系統的初步認知，強化培養學生的開發能力，包括對核心代碼的分析理解、功能補全和重構；創新實驗在前期實驗基礎上培養學生自主開發能力，對接真實項目案例，詳細剖析案例設計和開發細節，讓學生自主設計貼合實際的小型系統，為后期的實訓和畢業設計奠定基礎。為更好地提升學生的實踐能力，新一版的教學大綱將實驗學時進行調整，專業基礎課的學時都由原來的10學時調整為16學時，專業選修課也根據相應的內容增加了學時。實驗項目的設計提高了綜合實驗和創新實驗的學時比例，內容設計上除了實驗基礎要求外，按照學生的個人能力給出附加功能實現，讓學有余力的學生進行深入擴展，設置階梯式程序演示考核機制和成績評定，提升實驗課堂教學效果。

2.3???面向應用開發的案例庫的搭建

為更好地提高學生的實際開發能力和適應實訓需求，在綜合平臺的硬件前提下，進行面向實際應用開發的綜合性案例庫搭建。案例的設計首要目標是以學生能力培養為中心，選取適合教學的項目。案例所涉及的技術點需要對應課程群的核心知識點、滿足課程目標和畢設指標點要求，與實驗內容、課程設計相互銜接。采取的有效方法是系統案例設計與實驗內容設計互相借鑒、互相融合，實驗項目的設計來源于大型系統框架的自底向上功能模塊化拆分。學生在日常實驗中即可了解功能模塊的實現細節，有助于消除學生對大型物聯網系統研究、設計和開發的畏難心理，更容易理解綜合案例系統的設計，達到以點帶面，符合由淺入深、循序漸進的認知規律。例如“樓宇監控系統”是適合教學的案例項目，功能貼近生活，學生容易理解，其來源于大學生創新項目，項目本身就是在綜合平臺上完成的，選入綜合性案例庫。這類項目結構滿足主流框架，功能劃分清晰，可以自底向上進行模塊化拆分。感知層的功能包括環境數據采集和處理，可設計為傳感器原理與應用的傳感光敏電阻傳感器實驗和溫度傳感器實驗；數據傳輸功能包括ZigBee組網配置，可以設計為ZigBee的協調器和終端配置實驗，ZigBee路由實驗等；服務器搭建、移動終端控制、云平臺可以分別拆分為對應科目的實驗項目。教學過程中教師采用項目為導向，學生在完成實驗項目的同時，對物聯網項目進行整體認知以及與其他課程的聯系，直觀地理解所學理論知識，解決了物聯網實驗課程存在的“碎片化”的問題。

案例的選取需具有實際應用意義，案例可來源于實際應用的產業化產品原型、企業實訓項目、競賽獲獎項目等，滿足系統工程化要求，功能健全、代碼規范，文檔信息完善。在自主平臺的支持下，所有案例設計靈活，都采用了主流的物聯網系統設計框架。案例庫具有及時性，根據物聯網產業發展進行案例庫的更新和迭代。案例庫具有多元化特點，目前已經建立了智能家居展示空間、智能監測、智能醫療等大類項目，案例庫的具體分類和設計如圖1所示，為學生實現不同需求的設計提供專業參考，為進一步創新設計提供思路。

2.4???項目驅動的自主創新實訓模式的建立

為培養學生的工程能力和團隊合作意識，以項目為驅動進行工程訓練。依托開源平臺和案例庫資源，形成一套包含項目分析、框架搭建、模塊劃分、編碼測試、文檔撰寫等全過程的項目流程方案對學生進行實訓教學。鼓勵學生自主形成項目團隊，根據項目需求跨專業吸納隊員，根據自身興趣方向合理分工。學院開放了大學生開放式實驗室、創新設計實驗室、開源軟硬件開放實驗室為學生提供實訓場地，提供相應的硬件支持，同時設定導師制為學生提供專業指導。鼓勵學生參加創新創業實踐項目、“互聯網+”大賽、新產品發明創造，全面提升學生的工程實踐能力和創新能力。學院與企業進行校企合作，為高年級學生去企業實習提供機會，引入企業項目完善案例庫資源。

3???結語

新工科背景下，項目提出的可重構開源綜合物聯網實驗平臺的設計和自主研發模式、實驗教學模式、工程人才培養模式等內容符合學科發展要求，為物聯網實驗室建設和實踐教學模式提出解決方案。綜合實驗平臺的搭建，不僅可以橫向支撐基礎實驗實踐教學，由于其在設計上的自主性、全面性和靈活性，同時也是面向項目的開放平臺，提供企業級的工程案例庫，為學生參加各種競賽、項目驅動、創新創業項目提供了平臺，鍛煉了學生的項目設計和開發能力，符合新工科對專業的實驗實踐要求和培養工程人才的需求，同時為學院物聯網專業進行工程認證在實驗條件和學生對復雜系統進行設計能力培養上提供有力的支撐。新型教學體系和實驗教學模式的設計，滿足學生對實驗內容循序漸進的認識過程，激發學習者的學習興趣，讓學生有效參與實踐過程，激活學習動機。目前，綜合實驗平臺和實驗教學體系在學院物聯網專業實驗教學中的全面運用，已經取得良好的教學效果和競賽成果，提升了物聯網專業本科就業率和就業質量。

參考文獻

[1]呂悅.高校新工科教師勝任力模型構建研究[D].長春：吉林大學，2022.

[2]江帆.基于CDIO理念的物聯網課程教學改革探索與實踐[J].計算機教育，2022（2）：100-104.

[3]?安健.面向物聯網專業的開放實踐教學模式[J].計算機教育，2020（7）：124-127，133.

[4]?韓濟澤，張永林.物聯網USN體系與混合式架構應用[J].電子設計工程，2021，29（12）：128-132，137.

[5]?黃忠.基于PBL和OBE理念的物聯網工程專業實踐平臺建設[J].計算機教育，2020（5）：29-32.

[6]?張琰.基于物聯網工程的新工科實踐平臺分析[J].電子技術，2021，50（10）：116-117.