物联网综合性创新性项目驱动的实验教学改革

郭晓然，张 总，许 燕

（1.西北民族大学 数学与计算机科学学院，甘肃 兰州 730010；2.兰州工业学院 机电工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

物联网是一个复杂庞大的系统，涵盖了多领域的技术与知识，包括计算机、通信、电子、智能信息处理等多个学科。现今，物联网技术广泛应用于工业、农业、物流、安防、医疗等领域，发展前景十分广阔，技术更新速度较快[1-2]。我国也将物联网这一战略性新兴产业上升为国家新一轮经济科技发展的重点。新时期下的物联网行业发展对专业人才也提出了更高的要求。在产业发展和国家层面的共同推动下，物联网工程相关专业相继成立并发展起来。目前，物联网的专业建设和人才培养模式仍处于探索阶段，如何培养出真正适用于物联网产业的创新复合型人才是物联网专业建设的重点[3]。

物联网专业具有工程性和实践性强的突出特点，而当前的教学中普遍存在重理论、轻实践的问题，知识体系与工程实践能力之间没有形成有效的互补与衔接，难以实现高素质工程类专门人才的培养目的[4-5]。实验教学作为理论课的扩展及延伸，是教学过程中的一个重要组成部分，对于培养学生的实践能力、创新能力具有不可替代的作用。因此，持续推进物联网专业的实验教学改革，对培养适合物联网行业发展的特色人才，推动相关产业发展具有十分重要的意义。

1 物联网实验教学现状

物联网专业通常结合学校现有学科专业基础、社会需求制定具有自身特色和侧重性的人才培养方案。围绕培养目标，建立学科相关的理论知识体系仍然是人才培养的基础，而实验作为实践教学体系的重要环节，使学生将学到的理论知识与实际需求相结合，真正做到学以致用，对于提升整个教学体系的质量具有关键作用[6-7]。目前，许多院校在课程教学中仍是单一学科的应试教学模式，并不适应物联网多学科交叉，强调系统性、综合性的专业特点，主要表现在以下几个方面：

（1）高校的物联网专业多是从计算机科学为基础发展而来，通过提取计算机科学技术、软件工程、通信工程、电子工程、自动化等相关专业的部分核心课程，组成物联网专业的课程体系。这种方式下，由于各类课程相对独立，课程之间的联系性差，导致课程体系较为松散，难以体现物联网专业多学科有机融合的特点，从而出现专业理论和实际应用之间衔接不够紧密的实际问题。

（2）物联网专业的建设在实验平台方面也面临一系列比较现实的问题，如：现有实验室的功能相对单一，实验设备较陈旧，不能有效开展物联网综合实验，无法满足物联网综合应用系统的开发需要。

（3）物联网是跨众多学科交叉的专业，由于涵盖学科较多，研究内容比较宽泛，所需知识过于碎片化，许多学生在学习过程中难以有效整合形成体系，常常感觉困难，丧失学习兴趣。尤其在实验环节中，单一学科的实验大都是原理验证类的基础性实验，在基于开发板的实验平台上进行模块化的实验，往往缺乏系统性，很难提高学生对物联网技术的总体认知，培养综合应用能力[8]。

2 物联网综合性创新性实验教学改革

针对现有物联网实验教学环节中普遍存在的问题，一方面需要整合现有的实验室资源，建设物联网专业综合应用实验室。通过购买先进的物联网相关的实验设备，搭建物联网系统的硬件、软件综合实验平台和物联网综合应用实践平台，满足典型物联网应用系统的设计与开发。另一方面大力开展跨课程的综合创新性实验教学模式的改革和实践，系统地提高学生的专业知识、应用能力和创新思维。

2.1 综合创新性实验教学改革内容

2.1.1 构建实验教学新体系

物联网的体系结构自底向上由感知层、传输层、网络层和应用层组成，包含射频识别、传感器、无线网络、数据传输、数据存储、云计算、移动终端应用等各种支撑技术，分散在一系列主干课程中[9]。在教学中每门课程通常被孤立地看待，导致无形中分割了课程之间的关联以及知识点之间的联系。而实际的工程实践问题往往具有复杂性，需要综合分析和处理，因此必须保证课程体系的综合性与实践性，才能培养学生解决复杂工程问题的能力。

根据物联网工程专业的定位和培养目标，按照“基础能力培养、综合能力提高、探索创新能力培养”的循序渐进式教学理念，提出物联网专业层次化、多元化、过程化实验教学培养体系的新思路。

（1）实验内容按照常规基础性实验、综合扩展性实验和创新设计性实验进行层次化设计。

（2）开展形式多元化。除了传统的课程实验，积极开展第二课堂实验课堂之外，还鼓励学生参加实验室的开放实验项目、学校的大学生创新实验项目等。

（3）考核方式过程化。考核重点由单纯的实验结果向实验过程转变，不同层次实验采取不同的考核方法。常规基础性实验重点考核学生实验操作的规范性、数据的合理性、数据处理的正确性、实验态度和实验纪律等情况；综合扩展性及创新设计性实验重点考察设计方案、设计报告、创新意识和创新能力。

2.1.2 整合实验教学内容

按照“基础、综合、创新研究”的实验架构，紧紧围绕物联网技术应用领域的广泛性、与其他学科的交叉性、技术发展的快速性等特点，优化实验教学内容、教学方案和教学模式。实验教学内容自底向上分为三个层次：常规基础性实验、综合扩展性实验和创新设计性实验。基础性实验重在培养学生的基本实验技能和实验方法；通过综合扩展性实验培养电路级的综合设计能力；创新设计性实验培养系统级的设计与创新能力。

结合培养计划和课程体系的特点，确定综合与创新性实验以单片机和嵌入式系统为依托，结合RFID、传感器、无线网络等，强化物联网技术的综合运用能力。单片机是嵌入式系统的基础，常用于物联网感知层，因此作为引导学生参与解决复杂工程问题的切入点非常适合[10]。

常规基础性实验属于课内实验，每个实验一般需2～3个学时完成，帮助学生理解和掌握基础知识和基本原理，以及基本的程序编写和调试技能。实验包括：LED跑马灯、定时器、外部中断、蜂鸣器、矩阵键盘、数码管动态显示、A/D转换、串行通信等。

综合性扩展实验利用业余时间补充第二实验课堂，定期开放实验室，允许学生按照兴趣选做其中几种实验。综合扩展性实验包括电子时钟、温湿度检测、电子万年历、PWM控制、电子称、出租车计价器、触摸屏、OLED屏幕显示等。这些实验重在提高学生的综合应用能力，以硬/软件完成开发设计、调试、系统测试等技能。

创新设计性实验的层次较高，开展方式除了第二实验课堂，还需要依托实验室的开放实验项目、学校的大学生创新实验项目以及教师的科研项目等。物联网综合实验室提供开展相关系统应用开发的必要条件，创新性实验项目包括：智慧家居、环境检测系统、智慧农业、楼宇控制系统、智能小车系统等，重在培养学生的分析设计能力、创新设计思维和团队合作意识。

综合性和创新性实验的难度较基础性实验大很多，为了消除学生的畏难心理，采用自上而下的模块分解法，将大课题拆分成若干小题目，尽可能融入到基础性实验课或课后练习中[11-12]。以创新设计性实验“基于单片机的智能门禁系统”为例，基于射频卡的门禁系统设计框图如图1所示。

图1 基于单片机的智能门禁系统（射频卡）设计框图

在此基础上还可以进一步扩展，提高难度，如增加指纹和人脸识别的智能门禁功能，具体拆分情况见表1所列。

设立创新性和综合性实验是克服单一基础性验证实验局限性的有效途径。这类实验通常是几个实验的有机组合，涉及到同一门课程的不同内容，或是多门课程的不同内容，实验间具有一定的内在联系，突出了知识间的交叉融合。通过这类实验的训练，学生对学科分属与各个课程的知识有更深的系统性的了解，并把握其中的联系，有利于提高学生对物联网的整体认识和应用能力。

2.1.3 改进实验教学模式

综合性和创新性实验教学的开展需要在基础知识掌握的前提下，以项目化形式进行，最终实现相关领域中如智能家居、智慧农业、智能安防、无人工厂等常见物联网应用系统的开发。由于这些实验具有一定难度且开发周期较长，适宜以小组为学习单位进行。通过对项目内容加以具体划分，由组内成员分工合作，通过相互交流和讨论对项目的总体设计以及具体模块的开发实现都能够有深入的理解和掌握。在新型的项目化教学模式下，教师的教学方式、学生的学习方式都发生了很大的变化，教师只是引导者，学生占主体地位，是主要探究者。这种模式一方面会提升学生主动学习、获取知识的兴趣，另一方面还可以在过程中逐步培养学生团队合作的能力。

表1 智能门禁系统的实验拆分情况

2.2 综合性创新性项目的实验教学开展

综合性和创新性实验是基础性实验的扩展和延伸，也是课程设计、竞赛项目、综合实训以及毕业设计之间的过渡与衔接，起到承上启下的重要作用。以小组为单位，通过项目化形式开展，具体来说分为三个阶段：准备阶段、实施阶段、验收总结阶段。

2.2.1 准备阶段

准备阶段的主要工作包括项目发布、项目介绍、学生选题、学生分组并确定小组负责人以及组员人员分工。项目发布之后，首先给学生讲解项目的开展方式，宣讲各个不同项目的具体内容和要求、每个项目的特点和实现方式、阶段性检查方式和考核方式，以便让学生对综合创新性实验项目有较为清晰的了解和认识。

教师根据学生的实际选题情况以及不同学生的特点，按照小组内互补而小组间水平相对平均的平衡性原则，进行合理的分组，使学生之间能够形成合作与竞争的机制。每个小组设一名组长，进行小组成员的角色分工以及协调。

2.2.2 实施阶段

实施阶段的开展情况直接决定实验的效果，因此是整个项目化实验教学的重点环节。在这个阶段，应充分调用和发挥学生的主观能动性，在教师的指导下实现实验项目设计与开发任务。整个过程中，项目指导教师在系统方案设计、硬件电路设计、调试代码、软硬件测试等重要环节加强指导和交流，引导小组学生去查阅资料，相互交流和讨论，及时解决遇到的各种各样的问题，有效推进实验项目的开发进程，使得学生在一个相对轻松的环境下学习和进步。

2.2.3 项目验收阶段

项目完成后的验收和评价也是综合创新性实验必不可少的一部分，主要包括提交项目报告、组织项目答辩、成绩评定、材料存档等工作。其中一项最重要的环节是项目答辩，由项目指导组的教师来组织，每个小组对项目完成情况进行总结和展示，教师点评并给出建设性意见。通过答辩环节，使学生对自身和本组情况有全面的认识，尤其是针对不足之处思考改进的思路和方向，提升综合实践和创新能力。最后，指导教师结合每位学生的出勤、组内贡献排名和项目完成情况及创新性改进情况等表现给出最终的考核成绩。

3 结 语

物联网作为一个新的应用方式，是多种技术手段在一定领域的综合应用的体现。功能相对单一的基础性实验教学很难让学生对物联网架构有一个直观而完整的认识。为提高学生对物联网技术综合应用的直观认识和理解，开展综合创新性实验教学模式的改革与实践，充分调动学生实验实践的积极性和主动性，养成自主式、合作式、研究式、开放式的学习方式，真正达到启迪思维、提高能力、激发创新、教学科研互促互进的目的。