郭曉然，張 總，許 燕

（1.西北民族大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730010；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，涵蓋了多領(lǐng)域的技術(shù)與知識(shí)，包括計(jì)算機(jī)、通信、電子、智能信息處理等多個(gè)學(xué)科?，F(xiàn)今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、安防、醫(yī)療等領(lǐng)域，發(fā)展前景十分廣闊，技術(shù)更新速度較快[1-2]。我國也將物聯(lián)網(wǎng)這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)上升為國家新一輪經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的重點(diǎn)。新時(shí)期下的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展對專業(yè)人才也提出了更高的要求。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國家層面的共同推動(dòng)下，物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)專業(yè)相繼成立并發(fā)展起來。目前，物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式仍處于探索階段，如何培養(yǎng)出真正適用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新復(fù)合型人才是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有工程性和實(shí)踐性強(qiáng)的突出特點(diǎn)，而當(dāng)前的教學(xué)中普遍存在重理論、輕實(shí)踐的問題，知識(shí)體系與工程實(shí)踐能力之間沒有形成有效的互補(bǔ)與銜接，難以實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)工程類專門人才的培養(yǎng)目的[4-5]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論課的擴(kuò)展及延伸，是教學(xué)過程中的一個(gè)重要組成部分，對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力具有不可替代的作用。因此，持續(xù)推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，對培養(yǎng)適合物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的特色人才，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)通常結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)、社會(huì)需求制定具有自身特色和側(cè)重性的人才培養(yǎng)方案。圍繞培養(yǎng)目標(biāo)，建立學(xué)科相關(guān)的理論知識(shí)體系仍然是人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)作為實(shí)踐教學(xué)體系的重要環(huán)節(jié)，使學(xué)生將學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)際需求相結(jié)合，真正做到學(xué)以致用，對于提升整個(gè)教學(xué)體系的質(zhì)量具有關(guān)鍵作用[6-7]。目前，許多院校在課程教學(xué)中仍是單一學(xué)科的應(yīng)試教學(xué)模式，并不適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)多學(xué)科交叉，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性、綜合性的專業(yè)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)多是從計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展而來，通過提取計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、軟件工程、通信工程、電子工程、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的部分核心課程，組成物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系。這種方式下，由于各類課程相對獨(dú)立，課程之間的聯(lián)系性差，導(dǎo)致課程體系較為松散，難以體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)多學(xué)科有機(jī)融合的特點(diǎn)，從而出現(xiàn)專業(yè)理論和實(shí)際應(yīng)用之間銜接不夠緊密的實(shí)際問題。

（2）物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方面也面臨一系列比較現(xiàn)實(shí)的問題，如：現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的功能相對單一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備較陳舊，不能有效開展物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需要。

（3）物聯(lián)網(wǎng)是跨眾多學(xué)科交叉的專業(yè)，由于涵蓋學(xué)科較多，研究內(nèi)容比較寬泛，所需知識(shí)過于碎片化，許多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以有效整合形成體系，常常感覺困難，喪失學(xué)習(xí)興趣。尤其在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，單一學(xué)科的實(shí)驗(yàn)大都是原理驗(yàn)證類的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，在基于開發(fā)板的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行模塊化的實(shí)驗(yàn)，往往缺乏系統(tǒng)性，很難提高學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的總體認(rèn)知，培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力[8]。

2 物聯(lián)網(wǎng)綜合性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

針對現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中普遍存在的問題，一方面需要整合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室。通過購買先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件、軟件綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實(shí)踐平臺(tái)，滿足典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。另一方面大力開展跨課程的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革和實(shí)踐，系統(tǒng)地提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。

2.1 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容

2.1.1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)自底向上由感知層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，包含射頻識(shí)別、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云計(jì)算、移動(dòng)終端應(yīng)用等各種支撐技術(shù)，分散在一系列主干課程中[9]。在教學(xué)中每門課程通常被孤立地看待，導(dǎo)致無形中分割了課程之間的關(guān)聯(lián)以及知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。而實(shí)際的工程實(shí)踐問題往往具有復(fù)雜性，需要綜合分析和處理，因此必須保證課程體系的綜合性與實(shí)踐性，才能培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的定位和培養(yǎng)目標(biāo)，按照“基礎(chǔ)能力培養(yǎng)、綜合能力提高、探索創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的循序漸進(jìn)式教學(xué)理念，提出物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)層次化、多元化、過程化實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)體系的新思路。

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)。

（2）開展形式多元化。除了傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)，積極開展第二課堂實(shí)驗(yàn)課堂之外，還鼓勵(lì)學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)室的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。

（3）考核方式過程化?？己酥攸c(diǎn)由單純的實(shí)驗(yàn)結(jié)果向?qū)嶒?yàn)過程轉(zhuǎn)變，不同層次實(shí)驗(yàn)采取不同的考核方法。常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性、數(shù)據(jù)的合理性、數(shù)據(jù)處理的正確性、實(shí)驗(yàn)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)紀(jì)律等情況；綜合擴(kuò)展性及創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)報(bào)告、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

2.1.2 整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

按照“基礎(chǔ)、綜合、創(chuàng)新研究”的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)，緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性、與其他學(xué)科的交叉性、技術(shù)發(fā)展的快速性等特點(diǎn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方案和教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容自底向上分為三個(gè)層次：常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)重在培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法；通過綜合擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)電路級(jí)的綜合設(shè)計(jì)能力；創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。

結(jié)合培養(yǎng)計(jì)劃和課程體系的特點(diǎn)，確定綜合與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)以單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)為依托，結(jié)合RFID、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)等，強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合運(yùn)用能力。單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，常用于物聯(lián)網(wǎng)感知層，因此作為引導(dǎo)學(xué)生參與解決復(fù)雜工程問題的切入點(diǎn)非常適合[10]。

常規(guī)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)屬于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)一般需2～3個(gè)學(xué)時(shí)完成，幫助學(xué)生理解和掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理，以及基本的程序編寫和調(diào)試技能。實(shí)驗(yàn)包括：LED跑馬燈、定時(shí)器、外部中斷、蜂鳴器、矩陣鍵盤、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示、A/D轉(zhuǎn)換、串行通信等。

綜合性擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)利用業(yè)余時(shí)間補(bǔ)充第二實(shí)驗(yàn)課堂，定期開放實(shí)驗(yàn)室，允許學(xué)生按照興趣選做其中幾種實(shí)驗(yàn)。綜合擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)包括電子時(shí)鐘、溫濕度檢測、電子萬年歷、PWM控制、電子稱、出租車計(jì)價(jià)器、觸摸屏、OLED屏幕顯示等。這些實(shí)驗(yàn)重在提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，以硬/軟件完成開發(fā)設(shè)計(jì)、調(diào)試、系統(tǒng)測試等技能。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的層次較高，開展方式除了第二實(shí)驗(yàn)課堂，還需要依托實(shí)驗(yàn)室的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及教師的科研項(xiàng)目等。物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室提供開展相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的必要條件，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：智慧家居、環(huán)境檢測系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)、樓宇控制系統(tǒng)、智能小車系統(tǒng)等，重在培養(yǎng)學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的難度較基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)大很多，為了消除學(xué)生的畏難心理，采用自上而下的模塊分解法，將大課題拆分成若干小題目，盡可能融入到基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課或課后練習(xí)中[11-12]。以創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“基于單片機(jī)的智能門禁系統(tǒng)”為例，基于射頻卡的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 基于單片機(jī)的智能門禁系統(tǒng)（射頻卡）設(shè)計(jì)框圖

在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，提高難度，如增加指紋和人臉識(shí)別的智能門禁功能，具體拆分情況見表1所列。

設(shè)立創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)是克服單一基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)局限性的有效途徑。這類實(shí)驗(yàn)通常是幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)組合，涉及到同一門課程的不同內(nèi)容，或是多門課程的不同內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，突出了知識(shí)間的交叉融合。通過這類實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生對學(xué)科分屬與各個(gè)課程的知識(shí)有更深的系統(tǒng)性的了解，并把握其中的聯(lián)系，有利于提高學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)的整體認(rèn)識(shí)和應(yīng)用能力。

2.1.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展需要在基礎(chǔ)知識(shí)掌握的前提下，以項(xiàng)目化形式進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域中如智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智能安防、無人工廠等常見物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。由于這些實(shí)驗(yàn)具有一定難度且開發(fā)周期較長，適宜以小組為學(xué)習(xí)單位進(jìn)行。通過對項(xiàng)目內(nèi)容加以具體劃分，由組內(nèi)成員分工合作，通過相互交流和討論對項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)以及具體模塊的開發(fā)實(shí)現(xiàn)都能夠有深入的理解和掌握。在新型的項(xiàng)目化教學(xué)模式下，教師的教學(xué)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式都發(fā)生了很大的變化，教師只是引導(dǎo)者，學(xué)生占主體地位，是主要探究者。這種模式一方面會(huì)提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、獲取知識(shí)的興趣，另一方面還可以在過程中逐步培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的能力。

表1 智能門禁系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)拆分情況

2.2 綜合性創(chuàng)新性項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展

綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展和延伸，也是課程設(shè)計(jì)、競賽項(xiàng)目、綜合實(shí)訓(xùn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)之間的過渡與銜接，起到承上啟下的重要作用。以小組為單位，通過項(xiàng)目化形式開展，具體來說分為三個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、實(shí)施階段、驗(yàn)收總結(jié)階段。

2.2.1 準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段的主要工作包括項(xiàng)目發(fā)布、項(xiàng)目介紹、學(xué)生選題、學(xué)生分組并確定小組負(fù)責(zé)人以及組員人員分工。項(xiàng)目發(fā)布之后，首先給學(xué)生講解項(xiàng)目的開展方式，宣講各個(gè)不同項(xiàng)目的具體內(nèi)容和要求、每個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式、階段性檢查方式和考核方式，以便讓學(xué)生對綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有較為清晰的了解和認(rèn)識(shí)。

教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際選題情況以及不同學(xué)生的特點(diǎn)，按照小組內(nèi)互補(bǔ)而小組間水平相對平均的平衡性原則，進(jìn)行合理的分組，使學(xué)生之間能夠形成合作與競爭的機(jī)制。每個(gè)小組設(shè)一名組長，進(jìn)行小組成員的角色分工以及協(xié)調(diào)。

2.2.2 實(shí)施階段

實(shí)施階段的開展情況直接決定實(shí)驗(yàn)的效果，因此是整個(gè)項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。在這個(gè)階段，應(yīng)充分調(diào)用和發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在教師的指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)任務(wù)。整個(gè)過程中，項(xiàng)目指導(dǎo)教師在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、調(diào)試代碼、軟硬件測試等重要環(huán)節(jié)加強(qiáng)指導(dǎo)和交流，引導(dǎo)小組學(xué)生去查閱資料，相互交流和討論，及時(shí)解決遇到的各種各樣的問題，有效推進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)程，使得學(xué)生在一個(gè)相對輕松的環(huán)境下學(xué)習(xí)和進(jìn)步。

2.2.3 項(xiàng)目驗(yàn)收階段

項(xiàng)目完成后的驗(yàn)收和評(píng)價(jià)也是綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)必不可少的一部分，主要包括提交項(xiàng)目報(bào)告、組織項(xiàng)目答辯、成績評(píng)定、材料存檔等工作。其中一項(xiàng)最重要的環(huán)節(jié)是項(xiàng)目答辯，由項(xiàng)目指導(dǎo)組的教師來組織，每個(gè)小組對項(xiàng)目完成情況進(jìn)行總結(jié)和展示，教師點(diǎn)評(píng)并給出建設(shè)性意見。通過答辯環(huán)節(jié)，使學(xué)生對自身和本組情況有全面的認(rèn)識(shí)，尤其是針對不足之處思考改進(jìn)的思路和方向，提升綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力。最后，指導(dǎo)教師結(jié)合每位學(xué)生的出勤、組內(nèi)貢獻(xiàn)排名和項(xiàng)目完成情況及創(chuàng)新性改進(jìn)情況等表現(xiàn)給出最終的考核成績。

3 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新的應(yīng)用方式，是多種技術(shù)手段在一定領(lǐng)域的綜合應(yīng)用的體現(xiàn)。功能相對單一的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難讓學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)有一個(gè)直觀而完整的認(rèn)識(shí)。為提高學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合應(yīng)用的直觀認(rèn)識(shí)和理解，開展綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與實(shí)踐，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的積極性和主動(dòng)性，養(yǎng)成自主式、合作式、研究式、開放式的學(xué)習(xí)方式，真正達(dá)到啟迪思維、提高能力、激發(fā)創(chuàng)新、教學(xué)科研互促互進(jìn)的目的。