安 健，楊麥順，桂小林

（西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安 710049）

物聯(lián)網(wǎng)“感知與標識”專題實驗改革研究與探索

安 健，楊麥順，桂小林

（西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安 710049）

針對當前物聯(lián)網(wǎng)課程建設(shè)中存在的重理論、輕實踐等問題，以“感知與標識”專題實驗為切入點，研究與探索適合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的創(chuàng)新實驗體系，構(gòu)建支持基礎(chǔ)驗證型、綜合設(shè)計型和創(chuàng)新研究型的實驗一體化硬件平臺。通過實驗教學體系、實驗平臺和實驗室開放管理機制的全方位建設(shè)，構(gòu)建科學合理的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗體系，科學劃分知識領(lǐng)域、知識單元和知識點，促進理論教學與實踐教學緊密結(jié)合，以適應(yīng)學科發(fā)展和企業(yè)對高層次物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的更高需求。

物聯(lián)網(wǎng)；感知與標識；專題實驗；實驗教學體系

實踐教學與動手能力的培養(yǎng)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科教學體系中的重要組成部分，是培養(yǎng)創(chuàng)新性物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的重要環(huán)節(jié)。專題實驗課程則是理論聯(lián)系實際最直接、最有效的方法之一，“感知與標識”作為物聯(lián)網(wǎng)課程中的核心內(nèi)容，涉及到數(shù)據(jù)的感知、獲取、傳輸、處理、應(yīng)用等多方面技術(shù)，是掌握物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的關(guān)鍵課程［1－2］。本文以西安交通大學計算機系物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室為基礎(chǔ)，以“感知與標識”專題實驗課程為主體，以培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實、實踐動手能力強、研究創(chuàng)新型的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才為目標，探索并建立能滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學需求，集實踐性、先進性、開放性、創(chuàng)新性為一體的先進硬件實驗教學體系，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)綜合感知實驗箱、RFID標識實驗箱以及物聯(lián)網(wǎng)實訓平臺等先進實驗設(shè)備，建立集基本驗證、綜合設(shè)計和創(chuàng)新研究為一體的進階型“感知與標識”實驗課程，構(gòu)建科學合理的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗體系，科學劃分知識領(lǐng)域、知識單元和知識點，促進理論教學與實踐教學緊密結(jié)合，以適應(yīng)學科發(fā)展和企業(yè)對高層次物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的更高需求，并最終形成一套立足交大、面向陜西、輻射全國的物聯(lián)網(wǎng)精品實驗課程體系。

1 當前現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)作為我國五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，學習并掌握物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)理論，培養(yǎng)適合國家和行業(yè)發(fā)展特色的專業(yè)人才已經(jīng)成為高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心教育目標［3］。當前，教育部在“985工程”、“211工程”等重點高校開展了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的試點，作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)的重要實踐基地，物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)和專題實驗內(nèi)容的設(shè)計將成為重中之重。目前，國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)還屬于初期探索階段，國外也沒有相關(guān)專業(yè)提供參考，高校在專業(yè)教師、培養(yǎng)計劃、課程體系、知識架構(gòu)等方面都比較欠缺［4－6］。目前國內(nèi)高等院校的物聯(lián)網(wǎng)實驗組織模式和實驗手段主要存在以下問題：

（1）實驗課程設(shè)置封閉、獨立。目前，大多數(shù)已開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的高等院校都是根據(jù)自身的辦學特點和培養(yǎng)目標，采用相對獨立、單一的教學實驗體系。實驗課程主要是按單門課程配套設(shè)置，相應(yīng)的實驗訓練裝置也只能支持一些知識點的驗證類實驗，對設(shè)計類、綜合類實驗支持很少或根本無法支持，實驗體系不健全，實驗教學缺乏系統(tǒng)化。

（2）實驗的內(nèi)容及操作步驟過于死板。學生實驗只是簡單地重復實驗步驟，而不是在理解實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上進行實驗，很難達到通過實驗加深理解課堂內(nèi)容的實驗效果。大多數(shù)實驗采用以驗證為主的實驗?zāi)Ｊ?，學生在實驗訓練過程中，實際上是在“驗證”課程上的部分內(nèi)容，實驗裝置對簡單的“設(shè)計”型訓練支持不夠，更談不上對綜合性、創(chuàng)新性“設(shè)計”的支持了。實驗的過程就是“按圖接線、查線排故障、查看結(jié)果”的過程，實際收獲不大。

（3）實驗內(nèi)容重疊且關(guān)聯(lián)性不大。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程內(nèi)容具有很強的交叉性和相關(guān)性。針對每門具體課程單獨設(shè)置實驗及單獨提供實驗環(huán)境，一方面很難使學生對其前導課程所完成的基礎(chǔ)能力做要求，同時也很難兼顧到其后續(xù)課程，各自獨立，相互間缺少有效的貫通；另一方面實驗環(huán)境重復建設(shè)，實驗資源得不到充分利用。

（4）實驗內(nèi)容陳舊，與工程實際脫節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是目前發(fā)展最快的信息學科之一，課程內(nèi)容需要不斷更新，特別是課程相關(guān)實驗從內(nèi)容及實驗設(shè)備的選擇上必須與時俱進，要能夠基本與實際技術(shù)發(fā)展保持同步。否則，一方面影響學生學習的積極性，另一方面也不利于學生今后的實際工作。

2 物聯(lián)網(wǎng)實驗教學改革核心目標

針對目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗教學中存在的內(nèi)容設(shè)置孤立、知識點發(fā)散、實踐訓練和創(chuàng)新設(shè)計不足等問題，結(jié)合最新成立的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗室及感知與標識綜合實驗設(shè)備等，提出以基礎(chǔ)驗證性實驗、知識點提高性實驗、課程綜合實驗、科研訓練和畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)新性實驗為一體的層次化的“感知與標識”專題實驗課程體系和相應(yīng)的開放環(huán)境管理機制。

（1）完善和優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)“感知與標識”專題實驗課程體系。以“感知與標識”專題實驗為切入點，構(gòu)建一套集驗證性、實踐性、創(chuàng)新性為一體的層次化實踐教學體系，全方位提高學生專業(yè)素質(zhì)和能力。

（2）構(gòu)建以工程能力培養(yǎng)為目標驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)硬件綜合實驗平臺。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)核心課程實踐動手的需要，構(gòu)建適合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特色的，包括感知、傳輸、分析、應(yīng)用等核心知識點的綜合實驗平臺，將實驗設(shè)備按知識體系劃分為感知模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)動態(tài)組織與管理模塊和應(yīng)用模塊，支持學生進行驗證、設(shè)計等基本實驗，并鼓勵學生在教師指導下開展創(chuàng)新實驗，提高學生的實踐動手能力、科研創(chuàng)新意識和綜合應(yīng)用能力。

（3）以“感知與標識”專題實驗為背景，研究多樣化、開放性、互動式的實驗教學方法，實現(xiàn)教學觀念的改變。以傳授知識為主向能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升轉(zhuǎn)變，從單一知識對口教育向多學科交叉與綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)變，研究“互動式”和“探究式”教學方法，進一步提升學生知識領(lǐng)域的寬度和深度。

3 物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗教學改革體系

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)涉及計算機科學與技術(shù)、通信工程、控制科學與工程、電子科學與工程等多學科，除了數(shù)學、物理、人文社科等通識知識外，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)本身的特點和發(fā)展趨勢，結(jié)合自身特色，提出面向物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的創(chuàng)新實驗教學體系，主要包括以下3個方面：

（1）基于“感知與標識”專題實驗指導思想，提出面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的“1＋4＋8”核心實驗教學體系；

（2）設(shè)計支撐學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的層次化實驗教學平臺；

（3）研究多樣化、多通道、模塊化的實驗室開放機制。

3．1 “1＋4＋8”核心實驗教學體系

面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心實驗教學體系的建立，主要依賴于對物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的基本認知上，課題組以“感知與標識”專題實驗為改革背景，提出 “1＋4＋8”的核心實驗教學體系，即1個核心目標，4類核心知識模塊和8單元核心實驗課程。

針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實驗教學核心目標是培養(yǎng)能夠系統(tǒng)地掌握物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)理論、方法和技能，具備通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等信息領(lǐng)域?qū)拸V的專業(yè)知識的高級工程技術(shù)人才。教學過程中由傳統(tǒng)單一的教學型授課向創(chuàng)新實踐方向轉(zhuǎn)變，采用工程案例化教學，突出科技創(chuàng)新在人才培養(yǎng)中的作用。建立科學化、進階性、貫通性和可持續(xù)發(fā)展的實驗教學體系，以進一步適應(yīng)社會需要，提高學生的知識應(yīng)用能力、實踐能力。通過以就業(yè)為導向，以能力為本位的培養(yǎng)目標，突出培養(yǎng)“技能型、實踐型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型”人才?；凇案兄c標識”專題實驗課程的核心目標，結(jié)合專業(yè)自身特點，構(gòu)建了包含感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)動態(tài)組織與管理系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的4類核心知識模塊。通過4類核心知識模塊的導向，并由此逐步形成一系列由低到高、由淺入深的專題實驗內(nèi)容，指導“感知與標識”實驗課程的開展，具體包括系統(tǒng)認知、傳感與檢測、標識與定位、組網(wǎng)與通信、數(shù)據(jù)分析、安全與隱私、工程與應(yīng)用等8個單元的實驗核心課程［7－8］。如圖1所示，實驗課程內(nèi)容應(yīng)由驗證型、提高型向綜合型、設(shè)計開發(fā)型和創(chuàng)新型逐層遞進。

圖1 “感知與標識”專題實驗體系

3．2 層次化、進階性實驗教學平臺

通過深入研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展趨勢、剖析課程與實驗之間的銜接關(guān)系、分析基礎(chǔ)實驗和創(chuàng)新實驗的實驗內(nèi)涵，發(fā)現(xiàn)面向不同階段需求和特性的教學規(guī)律，構(gòu)建集課程層次、平臺層次和階段性層次為一體的多層次的實驗教學體系［9－10］。

（1）課程層次。主要研究核心課程知識點與實驗內(nèi)容的關(guān)系，探索更好的相互協(xié)調(diào)和相互促進的理論教學和實踐教學模式，以培養(yǎng)具有一定實踐能力和創(chuàng)新能力的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生為目標導向。

（2）平臺層次。主要研究基礎(chǔ)驗證型、綜合設(shè)計型和創(chuàng)新研究型實驗體系及平臺建設(shè)。合理規(guī)劃不同類型實驗課程內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性和遞階性，避免出現(xiàn)交叉和重疊。結(jié)合現(xiàn)代學科發(fā)展特點，啟發(fā)學生多向思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，保證從實驗內(nèi)容到實驗手段的與時俱進，使學生處于學科發(fā)展前沿。

（3）階段性層次。實驗應(yīng)采取階梯式的、循序漸進的教學方法，通過基礎(chǔ)驗證型實驗、綜合演示型實驗和實踐創(chuàng)新型實驗，將實驗由低到高，由淺入深逐級遞增，由感性認識到系統(tǒng)能力培養(yǎng)，實現(xiàn)不同知識系統(tǒng)間的融會貫通，逐步形成有特色的實驗教學方法。

3．3 多樣化、多通道、模塊化的實驗室開放機制

實驗室作為學生理論夯實和實踐創(chuàng)新的重要場所，其建設(shè)規(guī)劃將直接關(guān)系到學生素質(zhì)的培養(yǎng)。因此，物聯(lián)網(wǎng)實驗室的建設(shè)應(yīng)堅持以學生能力培養(yǎng)為導向，通過構(gòu)建多樣化、多通道、模塊化的實驗室開放機制，充分調(diào)動學生積極性，實現(xiàn)教師與學生之間的良性互動。同時，研究實驗教學新型管理方法，實現(xiàn)基于開放實驗教學模式的實驗過程管理，將排課、預約、實驗、成績統(tǒng)計等各個流程納入管理范圍，實現(xiàn)真正的數(shù)字化實驗室、無紙化實驗室［11－12］。

3．4 專題實驗課程體系建設(shè)遵循的原則

針對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)自身特點和建設(shè)目標，專題實驗課程體系的建設(shè)應(yīng)該遵循以下幾個原則：

（1）建設(shè)完善的實驗體系，以培養(yǎng)綜合型、設(shè)計型和創(chuàng)新型人才為目標；

（2）啟發(fā)式教學模式和開放型實驗環(huán)境相結(jié)合，培養(yǎng)學生自主實踐能力；

（3）面向?qū)I(yè)各個階段的不同需求，構(gòu)建支持多層次需求的實驗環(huán)境；

（4）結(jié)合實際場景應(yīng)用需求，構(gòu)建靈活多樣的實驗課程；

（5）開放式的實驗室環(huán)境，以學生為主導的實驗室管理機制。

4 結(jié)束語

針對物聯(lián)網(wǎng)學科自身特點，以“感知和標識”專題實驗為研究切入點，提出了包括課程體系、教學手段、管理機制三位一體的創(chuàng)新實驗教學體系，旨在構(gòu)建多樣化、開放性、互動式的實驗教學方法，實現(xiàn)以傳授知識為主向能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升轉(zhuǎn)變，從單一知識對口教育向多學科交叉與綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)變，進一步提升學生知識領(lǐng)域的寬度和深度。

（References）

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［6］孔銳，張冰．物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗課程設(shè)置探索［J］．實驗技術(shù)與管理，2014，31（2）：179－182．［7］沈蘇彬，范曲立，宗平，等．物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究［J］．南京郵電大學學報：自然科學版，2009，29（6）：1－11．

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［11］馬傳峰．實驗室資源的開發(fā)與開放［J］．實驗技術(shù)與管理，2010，27（12）：1－3．

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Research and exploration on reform of topic experiment of sensing and identification of Internet of Things

An Jian，Yang Maishun，Gui Xiaolin
（School of Electronics and Information Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

Due to the deficient of heavy theory and practice of light in the recent course construction of IoT，suitable innovative experimental system of IoT，based on the topic experiment of sensing and identification，should be researched to construct an integrated hardware platform supporting three types of experiments including basic authentication，comprehensive design and innovative research．A scientific and rational experimental system of IoT will be built by the comprehensive construction of the experimental teaching system，the experimental platform and the open laboratory management mechanism．Scientific division of the knowledge areas，knowledge units，and knowledge points will promote closer integration of theory and practical teaching to adapt to the academic development．And the students taught by this teaching plan will satisfy the business demand of the IoT professionals．

Internet of Things；sensing and identification；topic experiment；experimental teaching system

TP393

B

1002－4956（2015）3－0193－03

2014－07－08 修改日期：2014－07－17

國家自然科學基金項目（61172090）；陜西省自然科學基金項目（2014JQ8322）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目（2013SZS16－K01）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（xjj2014049）

安?。?983—），男，山西晉中，博士，工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)實驗教學、服務(wù)計算與群智計算等方向的研究．

E－mail：anjian＠m(xù)ail．xjtu．edu．cn