［摘 要］ 針對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)高校在實驗與實踐教學(xué)活動開展過程中面臨的師資力量有限、實驗內(nèi)容設(shè)計質(zhì)量不高、自主訓(xùn)練不足且缺乏思維鍛煉能力等問題，以新工科人才建設(shè)思想為指導(dǎo)，以培養(yǎng)工程實踐思維和創(chuàng)新能力提升為目標(biāo)，基于SPOC、虛擬仿真等現(xiàn)代化教學(xué)手段和先進的教學(xué)理念，探索虛實結(jié)合、多徑培養(yǎng)的新型教學(xué)模式。通過案例引導(dǎo)、虛實結(jié)合、課堂翻轉(zhuǎn)等多樣化的教學(xué)手段提高學(xué)生參與課程的積極性和學(xué)習(xí)熱情，為國內(nèi)其他高校新工科專業(yè)的實踐教學(xué)建設(shè)與開展提供新的解決思路與教學(xué)方法。

［關(guān)鍵詞］ 物聯(lián)網(wǎng)；感知與標(biāo)識；SPOC；虛擬仿真

［基金項目］ 2022年度國家重點研發(fā)計劃“業(yè)務(wù)態(tài)勢全景感知和事件驅(qū)動分析的人機協(xié)同決策（課題3）”（2022YFB3305503）；2023年度陜西省重點研發(fā)一般項目“面向跨界融合的服務(wù)信用管理技術(shù)研究”（2023-YBGY-403）；2021年度河南省重點研發(fā)項目“基于鰓鵬平臺的國產(chǎn)操作系統(tǒng)研究與示范”（201300210400HZ）

［作者簡介］ 安 ?。?983—），男，山西晉中人，博士，西安交通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院高級工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)、服務(wù)計算研究；張利平（1983—），男，陜西榆林人，碩士，西安交通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院工程師（通信作者），主要從事物聯(lián)網(wǎng)、計算機應(yīng)用等方向的研究；惠 維（1983—），男，陜西西安人，博士，西安交通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、人工智能研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）11-0001-04 ［收稿日期］ 2023-03-14

目前，國內(nèi)眾多高校依據(jù)新工科建設(shè)理念，致力于專業(yè)課程體系改革、實驗環(huán)境建設(shè)、實驗內(nèi)容創(chuàng)新等方面的工作，且都已取得長足進步。通過對開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)高校的調(diào)研，學(xué)生在實驗、實踐過程中通常會面臨以下問題：（1）缺少足夠的優(yōu)秀實驗教師參與，實驗內(nèi)容的設(shè)計和質(zhì)量不高，實踐過程中對學(xué)生的指導(dǎo)較少；（2）不同實驗環(huán)節(jié)的設(shè)備繁多且操作不同，學(xué)生理解掌握要花費大量時間和精力，實驗內(nèi)容完成度較低；（3）實驗機理和現(xiàn)象的展示不夠直觀、生動，學(xué)生自主訓(xùn)練不足且缺乏思維鍛煉能力，所學(xué)知識價值不能在實際應(yīng)用中得到體現(xiàn)［1］。

借助SPOC、虛擬仿真等現(xiàn)代化教學(xué)手段和先進的教學(xué)理念，教師可以將實驗操作過程中的核心環(huán)節(jié)進行凝練，并通過在線視頻、AR、VR等方式復(fù)現(xiàn)給不同學(xué)生群體［2］。進一步的，利用校企協(xié)同、產(chǎn)學(xué)合作等多元化渠道，引入優(yōu)秀的企業(yè)工程與技術(shù)人員，結(jié)合自身領(lǐng)域經(jīng)驗和行業(yè)需求，將真實環(huán)境下那些不可重復(fù)、晦澀難懂、不易展現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用場景進行虛擬化建模與重構(gòu)。這樣一方面可以為廣大高校師生提供更具針對性的優(yōu)質(zhì)實驗指導(dǎo)，解決實踐與應(yīng)用脫節(jié)的問題。另一方面也為高校教師、企業(yè)工程師搭建了一個技術(shù)交流、共享、合作的學(xué)習(xí)平臺?；诖耍椖拷M以本校首批建設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為試點，以“感知與標(biāo)識技術(shù)”專題實驗為課程主體，深入探討SPOC、虛擬仿真等技術(shù)在實驗、實踐活動中的意義，通過多樣化的教學(xué)手段提高學(xué)生參與課程的積極性和學(xué)習(xí)熱情，為其他高校新工科專業(yè)的實踐教學(xué)提供新的思路與方法。

一、重構(gòu)課程SPOC知識單元

與MOOC不同，SPOC作為一類小規(guī)模限制性在線課程，其面向的學(xué)生群體類型相對比較固定，且對所學(xué)知識都有一定的基礎(chǔ)和理解，所以理論上具備師生互動和提供必要學(xué)習(xí)支持的可能［3］。物聯(lián)網(wǎng)“感知與標(biāo)識技術(shù)”專題實驗涵蓋了多方面內(nèi)容，如傳感器的檢測原理、無線組網(wǎng)技術(shù)、RFID標(biāo)識等，涉及了計算機、物聯(lián)網(wǎng)、自動化等不同學(xué)科的交叉知識。該專題實驗需要模擬多個常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，通過特定案例的介紹和引導(dǎo)，對傳感器、條形碼、射頻識別等感知設(shè)備的工作原理、特性以實操方式進行驗證和實踐，是學(xué)生感受物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用、學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備工作原理、掌握物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的重要課程。SPOC教學(xué)模式首先要關(guān)注如何科學(xué)劃分專題實驗的知識單元，既要考慮各單元內(nèi)容的完整性、邏輯性、實用性，也要考慮不同單元間的過渡銜接。這需要從兩方面入手。

一方面是SPOC教學(xué)內(nèi)容的設(shè)定。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程以預(yù)先規(guī)劃的教學(xué)大綱為本，學(xué)生依據(jù)實驗要求、實驗?zāi)康暮蛯嶒灢襟E機械式完成實驗內(nèi)容，自主創(chuàng)新能力得不到培養(yǎng)。而引入SPOC后，這類驗證型的操作和講解都可通過自學(xué)形式完成，課堂上則可更多開展一些綜合性和探索性實驗，進一步提高所學(xué)內(nèi)容的深度和廣度。但也需考慮不同實驗所涵蓋知識的完整性、適配性，確保學(xué)生能順利完成目標(biāo)導(dǎo)向和任務(wù)驅(qū)動的實驗要求［4］。引入SPOC、虛擬仿真等多樣化教學(xué)手段，不僅能將抽象的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)等理論內(nèi)容具象化，讓學(xué)生易理解、易掌握，還能夠提升實驗課程的趣味性，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和學(xué)習(xí)熱情。

另一方面是不同課程單元及對應(yīng)資源的銜接關(guān)系。SPOC知識片段的劃分需要充分體現(xiàn)實驗內(nèi)容的邏輯關(guān)聯(lián)性和工程實踐的進階性。項目組以計算機教指委2021年最新出版的《物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐規(guī)范2.0》為基礎(chǔ)，重點研究多類型傳感器的檢測原理、基于ZigBee的無線組網(wǎng)、RFID標(biāo)簽讀寫與防碰撞這三類核心實驗，探索相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科知識的交叉運用與有機結(jié)合方法，圍繞工程實踐與科技創(chuàng)新這一核心目標(biāo)構(gòu)建相應(yīng)的知識體系。

此外，基于SPOC的實驗課程可以有效緩解專業(yè)實驗教師人員不足的問題。通過將不同物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備按照其各自特點，如開發(fā)環(huán)境、功能特性、應(yīng)用類別等特征進行劃分，并配合專業(yè)實驗教師理論講解和實操演示，分別形成基礎(chǔ)版、進階版的共享在線資料。學(xué)生可以結(jié)合自身需求，隨時隨地進行自主學(xué)習(xí)和討論交流，減少課堂冗余時間，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

二、自制便攜式實驗開發(fā)板

長期以來，開展基于MOOC、SPOC的實踐教學(xué)活動要難于理論型課程，學(xué)生只需一臺終端、一本教材即可完成線上自學(xué)，但實踐教學(xué)則不同，它很大程度上依賴于硬件設(shè)施，沒有適宜的實驗環(huán)境以及對應(yīng)的實驗器材，實踐教學(xué)過程將難以開展。進行不同類型的實驗操作時，學(xué)生通常都要從熟悉相關(guān)實驗設(shè)備的原理與使用方法、開發(fā)環(huán)境的配置等方面入手。有限的課堂時間，只能對實驗背景、環(huán)境和設(shè)備做基礎(chǔ)介紹，距離熟練使用還存在較大的差距。上述問題都將影響實驗完成度和學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率，從而影響整體實驗的設(shè)計難度，難以開展一些綜合性和設(shè)計性的工程實訓(xùn)與科技創(chuàng)新活動。

基于以上問題，項目組嘗試開發(fā)了多款能夠滿足不同教學(xué)場景需求的便攜式開發(fā)板，以提高實驗平臺的靈活性和擴展性。如圖1所示，項目組基于MSP430設(shè)計并制作了能夠支持常見傳感器信號檢測與采集的便攜式開發(fā)板，通過簡單搭配Launchpad和點陣顯示屏，即可應(yīng)用于多個實驗環(huán)節(jié)。同時，配合各單元的SPOC線上課程資源，學(xué)生可以通過自學(xué)方式完成設(shè)備的操作使用和驗證性實驗。這樣，在專題實驗課堂內(nèi)，可以留出充足的時間去完成一些綜合性和創(chuàng)新性實驗。

三、虛擬仿真實驗開發(fā)

在物聯(lián)網(wǎng)實驗與實踐教學(xué)開展過程中，不僅需要注重各學(xué)科、各領(lǐng)域優(yōu)勢資源的整合與共享，基于專業(yè)教師、工程技術(shù)人員的寶貴經(jīng)驗和豐富的實踐經(jīng)歷，實現(xiàn)對實驗內(nèi)涵、實驗平臺、實驗操作等多方面內(nèi)容凝練與優(yōu)化，形成SPOC資源。同時，虛擬仿真的引入也將進一步豐富實驗教學(xué)內(nèi)容與課程展現(xiàn)形式，提升學(xué)生參與的積極性。進一步地，也可適度將社會責(zé)任、職業(yè)素養(yǎng)等德育要素有機融入課程，促進學(xué)生多方面發(fā)展。通過VR、AR等技術(shù)建設(shè)新型實驗教學(xué)環(huán)境，在線演示實驗現(xiàn)象，并將抽象的關(guān)鍵技術(shù)、理論知識具象展現(xiàn)，為學(xué)生提供直觀、生動、便捷且可重復(fù)操作的實驗平臺［5］。

基于此，針對在物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)識技術(shù)的實驗過程中，學(xué)生對標(biāo)簽的編解碼、調(diào)制、防碰撞算法等射頻技術(shù)及其原理的生澀、難懂等問題，團隊開發(fā)了虛擬仿真實驗系統(tǒng)一套。同時，也充分吸取了傳統(tǒng)仿真實驗項目只能看、不可變的問題，在平臺設(shè)計和實現(xiàn)過程中，對其標(biāo)簽數(shù)量、類型、編碼容量、時隙個數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)都可進行二次配置與更改，進一步提高了RFID虛擬實驗的實用性、靈活性和交互性［6］。

四、教學(xué)效果評價

項目組在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)修讀該課程的同學(xué)中進行了長達21周的課程試點驗證。基于SPOC、虛擬仿真等建立混合式教學(xué)模式，將“感知與標(biāo)識技術(shù)”課程分為線上、線下兩部分：線上環(huán)節(jié)中，上傳優(yōu)秀實驗教師的實踐經(jīng)驗和實驗流程，學(xué)生通過SPOC、虛擬仿真等平臺開展自主學(xué)習(xí)，完成相對簡單的基礎(chǔ)型實驗和驗證型實驗，使學(xué)生理解掌握相關(guān)實驗原理和關(guān)鍵技術(shù)，并學(xué)習(xí)傳感器、RFID標(biāo)簽等設(shè)備的使用和操作；線下環(huán)節(jié)則由優(yōu)秀實驗教師親自指導(dǎo)，利用專題實驗課堂時間為學(xué)生答疑解惑，并結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)熱點和典型應(yīng)用場景，設(shè)計包括智能交通、智慧校園等綜合創(chuàng)新型實驗方案。

我們通過分類比較的方式來驗證課程教學(xué)改革效果，依據(jù)是否采用混合式教學(xué)將學(xué)生分為兩組，組1接受混合式教學(xué)，組2接受常規(guī)教學(xué)。如圖2所示，將實驗平均完成率、平均完成時間作為教學(xué)效果的衡量指標(biāo)，通過兩組同學(xué)的數(shù)據(jù)對比可以看出，隨著實驗難度和操作復(fù)雜度的不斷提升，實驗完成率都出現(xiàn)下降，且實驗時長都不斷增加。但是橫向?qū)Ρ葍山M學(xué)生表現(xiàn)，無論是從平均完成率還是平均完成時間，組1同學(xué)的表現(xiàn)都優(yōu)于組2。通過數(shù)據(jù)量化可得，不同實驗平均完成率平均提高了18.1%，而實驗完成時間則平均下降了24.3%。

通過上述對比實驗不難看出，在開展傳統(tǒng)實踐教學(xué)過程中融合SPOC、虛擬仿真等現(xiàn)代化、信息化教學(xué)方式，不僅可以簡化煩瑣冗雜的實驗器材準備、實驗背景介紹等實驗備課過程，而且能夠讓實驗教師留出更多的時間與精力與學(xué)生進行指導(dǎo)、交流、解答和互動，真正做到課堂翻轉(zhuǎn)。此外，還可以通過設(shè)計合理的教學(xué)大綱，結(jié)合科學(xué)有效的教學(xué)方式，大力培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、團隊協(xié)作意識、自主創(chuàng)新意識和自主開發(fā)能力，最終提高實驗課程教學(xué)質(zhì)量。

結(jié)語

面向物聯(lián)網(wǎng)等新工科專業(yè)開展的實驗與實踐教學(xué)是學(xué)生掌握實際應(yīng)用開發(fā)技能，培養(yǎng)工程實踐思維和創(chuàng)新能力，形成工程素養(yǎng)與探索精神的重要手段。與傳統(tǒng)理論課堂教學(xué)不同，其SPOC、虛擬仿真等平臺的開展與實施都面臨著場地、人員、設(shè)備、環(huán)境等多重因素的限制［7］。當(dāng)前，國內(nèi)外高校針對理論教學(xué)的在線開放課程的發(fā)展已經(jīng)超過了人們的預(yù)期，但在線實踐教學(xué)課程的發(fā)展依然任重道遠。實踐教學(xué)課程在大學(xué)生培養(yǎng)計劃和高校教育體系中的重要性不必多言，教育工作者仍需繼續(xù)探索理論知識與實踐經(jīng)驗的有機融合，加快發(fā)展實踐類課程混合式教學(xué)，實現(xiàn)優(yōu)秀教師、教學(xué)資源的共享。

參考文獻

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［2］陳建鋒，羅家兵，黃福春.物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教育平臺：網(wǎng)絡(luò)和嵌入式網(wǎng)關(guān)層［J］.實驗室研究與探索，2019，38（12）：122-126.

［3］蔡建華，胡文心，張凌立.基于SPOC的計算機實驗教學(xué)云平臺設(shè)計與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2019，36（12）：197-200.

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［6］邢丹，姚俊明，邵婷婷.基于虛擬仿真平臺的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)RFID課程實踐教學(xué)探索［J］.醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志，2018，39（8）：84-88.

［7］潘晟旻，田春瑾，劉領(lǐng)兵，等.回歸常識的MOOC生態(tài)環(huán)境下計算機基礎(chǔ)課程混合式教學(xué)改革［J］.計算機教育，2019（7）：84-88.

Exploration of Hybrid Experimental Teaching in Internet of Things

AN Jiana，b， ZHANG Li-pinga，b， HUI Weia，b， TANG Ya-zhea，b

（a.School of Computer Science and Technology， b.National Computer Experimental Teaching

Demonstration Center， Xi’an Jiaotong University， Xi’an， Shaanxi 710049， China）

Abstract： In view of the problems in the experimental teaching process of the IoT in universities， such as the limited strength of teachers， the low design quality of experimental content， the lack of independent training and thinking exercise ability， the paper aims at the improvement of engineering practice and innovation ability guided by the concept of emerging engineering talent construction， analyzes the key elements restricting the development of professional practical activities， explores a new teaching model combining virtual-real education and multi-path cultivation based on advanced teaching concepts and methods such as SPOC and virtual simulation. Through a variety of teaching methods， such as case guidance， virtual- real combination， the flipped classroom and so on， students’ enthusiasm to participate in the course and learning enthusiasm are improved. It provides new solutions and teaching methods for the construction and development of practical teaching of emerging engineering majors in other universities in China.

Key words： Internet of Things; sensing and identification; SPOC; virtual simulation