基于“四类型六环节”实验教学体系建设物联网工程专业实验案例库

王 毅，张沪寅，黄建忠，彭红梅，何承达

基于“四类型六环节”实验教学体系建设物联网工程专业实验案例库

王 毅，张沪寅，黄建忠，彭红梅，何承达

（武汉大学 计算机学院，湖北 武汉 430070）

根据物联网工程专业人才培养规律，以课群为核心，建设了“四类型六环节”的本科实验教学体系，完整覆盖了物联网工程专业本科实验教学的实验类型与教学环节；为了夯实实验教学体系培养效果，提升学生的实践能力，提高学生复合型设计素养，从通用性、避免碎片化、跨学科、重开放的角度出发，建设了与实验教学体系相适应的实验案例库。

实验教学体系；物联网工程；实验案例库

新一轮工业革命正在全球范围内进行，工业智能化转型是此轮工业革命的核心主题，这是一次经济社会系统变革，其全方位、多层次的演进特征将对国际产业分工和竞争格局产生深远影响[1-2]。物联网工程专业人才培养必须符合这一变革需要，而实验教学是培养学生实践能力、创新思维的重要环节，是人才培养体系的重要组成部分[3]，实验课程体系建设必须平衡本科实验教学的基础性及复合型人才培养的广泛性，应本着“厚基础、宽口径、高素质、创新型”的原则。基于此原则，作为2011年全国首批获教育部批准开设物联网工程专业的我校计算机学院，结合人才培养的实际需求，建立了物联网工程专业“四类型六环节”的实验教学体系。

物联网课程实验内容涉及学科较多，人才培养难度较高，学生不仅要很好地掌握专业知识，还要具备跨行业的自主设计能力，即必须具备广基础、泛专业特点。因此，建设与实验教学体系相适应的实验案例库十分必要。

1 传统教学体系下，物联网实验教学的常见问题

将传统实验教学体系用于物联网实验教学是有问题的[4-5]。物联网专业涉及学科较多，虽然技术层次划分明确，但技术标准繁杂，诸如硬件接口适配、网络通信协议、软件编译环境等并没有统一的标准，如果按照传统的实验教学体系进行实验教学，会存在如下一些问题。

1.1 标准升级迭代迅速，实验案例缺乏通用性

2005年国际电信联盟ITU在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上正式确定了“物联网”概念，并随后发布了《ITU Intenet Reports 2005: The Internet of Things》[6]，物联网行业开始加速发展。美国权威咨询机构Forester预测，到2020年，世界物物互联业务与人人通信业务的比例将达到30∶l，“物联网”因此被称为下一个万亿级通信业务[7]。但物联网涉及领域众多，技术发展迅猛，标准迭代迅速，实验教学设备始终缺乏统一的采购与评估标准。虽然根据具体课程定制化生产实验教学设备，可在一定程度上解决标准缺失带来的通用性问题，但却使建设成本居高不下，而且由于实验内容的局限性，通常在行业技术升级后便难以继续使用，降低了使用效率和教学效能。

1.2 实验课程间的内部联动不足，实验案例碎片化

传统实验教学一直存在“重理论轻实验”倾向。物联网产业是“中国制造2025”计划的重要支撑产业，所需人才不仅要理论与实践能力并重，还要在精通本专业知识的基础上，初步具备跨专业、跨学科的综合设计能力，因此在不同类型实验课程间实现联动是这类人才培养的客观要求。在传统实验教学体系中，由于学科与学科、课程与课程没能建立有效关联，课程分布及案例资源呈现“碎片化”，与“中国制造2025”发展要求不符[8]。

1.3 实验案例资源难以支撑跨专业、跨学科复合型人才培养

物联网可按技术领域划分为感知层、传输层、应用与控制层。仅以传输层为例，相关实验可能涉及的各类协议及设备如图1所示。

图1 物联网传输层所涉及的各类协议及硬件

相较于物联网专业理论教学中知识点的体系化和线性分布，实验教学中所涉及的知识点呈碎片状且相互交织。物联网专业的学生可通过相关课程的理论与实验教学掌握物联网专业各类应用技术，具备初步物联网项目设计能力，但却难以满足其他专业、学科学生对物联网知识的跨专业、跨学科学习需求。

1.4 计划外开放资源不足，不利于学生主观能动性发挥和设备使用绩效提升

传统的实验课程体系注重课程实验的计划内开放。在进行基于硬件设备的物联网专业实验课程时，教师需对设备原理、操作方法、实验要点、安全事项、结果观测、故障排查等内容进行系统的集中授课讲解，教师或实验员还要全程辅助。在此模式下，实验案例资源大多不具备独立操作性，不利于学生进行自主学习、自行设计，更限制了物联网实验室的计划外开放能力，导致设备绩效（年均人机时等）不高。

2 基于“四类型六环节”实验教学体系的案例库建设思路与方法

建立满足创新创业能力培养需求的新的实验教学体系，不能简单地做加减法，例如增加一些创新创业教育课程、实践育人环节和创业平台，或减少一些课程、教学环节，甚至盲目鼓励学生脱离专业学习、过早介入创业实践等[9]。我校计算机学院根据物联网工程专业人才培养规律，以课群为核心，将新的教学理念与传统的教学流程相融合，建立了“四类型六环节”的本科实验教学体系（见图2），完整覆盖了物联网工程专业本科实验教学的各种实验类型与教学环节。在此实验教学体系下，为解决通用性低、碎片化程度高、跨专业及学科培养能力不足、开放程度不高等传统实验教学体系下的实验案例缺陷，应从以下几方面入手。

图2 物联网工程专业“四类型六环节”实验教学体系

2.1 分解实验课程知识点，打造模块化的实验案例单元，提升案例通用性

按照“四类型六环节”实验教学体系，将实验案例划分为认知、验证、设计、综合、毕业设计、科研竞赛6种类型（或环节）。将各类实验案例所包含的知识点进行分解，以设备底层硬件模块为案例单元界限，按照知识点最大公约数原则将案例重构为独立的实验案例单元。在同类知识点采用不同硬件设备的情况下，以编译环境、软件工程文件、硬件接口普适性为参考原则，选取通用性最高的设备作为案例单元的硬件载体。

模块化的实验案例单元可以较好地解决不同硬件平台间因协议或标准不统一而产生的通用性问题，由其构成的实验案例资源库也因此具有较好的通用性。同时，行业相关技术更新迭代后，所对应的案例资源也易于根据技术更新方向进行改造升级。

2.2 以课群建设为指导思想构建教学体系，避免案例内容碎片化

卓越的课程体系来源于精准的顶层设计[10]。为了满足新工科人才培养需求，必须以课群建设为指导思想来构建实验教学体系。“四类型六环节”实验教学体系将课程划分为基础实验、专业实验、综合实验、科研创新实践4种类型，将实验案例资源库中的模块化案例单元作为桥梁，联通各类实验课程。

各类课程中涉及到的实验知识点可按照案例复杂程度，由模块化案例单元采用层层嵌套、循序渐进的方式，依次组成以上4类实验课程所包含的认知性、验证性、设计性、综合性、毕业设计性、科研竞赛性实验案例。由于案例单元具备较好的通用性，不同课程间的实验案例便具备较好的联通性，避免了课程间案例内容的碎片化以及分割知识点制作案例单元所带来的知识点碎片化。

2.3 以应用为导向，采取案例单元积木拼接方式开展实验，降低跨专业、跨学科人才培养门槛

为了避免非物联网专业学生学习物联网知识时遇到的知识储备不足、时间成本高昂等普遍性问题，必须以应用为导向，即以具体项目为实验课题，将其分解为与案例库所包含的知识点一一对应的多个“积木”模块，引导学生采用积木拼接方式完成对相应知识点的认知性案例、验证性案例、设计性案例的实验过程。最终，学生可通过完成一个综合性的实验项目，掌握相关技术的学习方法，熟悉一些物联网技术的应用方式，形成一体化的物联网项目设计思维方式，降低跨专业、跨学科人才培养门槛。

2.4 细化实验案例单元内容，积极采用云计算等新技术手段，满足多种类型的开放需求

依照“四类型六环节”实验教学体系，将实验室开放分为计划内开放（实验授课）和计划外开放（科研竞赛、毕业设计）2类。为了有效解决传统实验教学体系中计划外开放资源不足的情况，可针对不同需求的学生群体，采取不同的组织方式和教学方式。

对于物联网专业学生，可采取云平台的开放模式。通过服务器分配给对应学生团队一个虚拟计算资源点，其内部包含可操作的各类实验案例单元和往届学生项目库。学生可参照云平台提供的资源，在实验室或寝室中完成项目的硬件组成、软件编译等流程，再通过云平台验证项目的完成程度，并最终在云平台上留存设计文档、软件编码、实验报告等，用以形成新的学生项目资源。

对于非物联网专业学生，应细化实验案例单元的指导资料，尤其是认知性实验案例和验证性实验案例。从实验指导书开始，在原理阐述、设备使用、操作要点、安全事项、结果观测、故障排查等方面进行详细的图文说明，尽量保证学生通过阅读相关指导资料即可独立完成基础实验及部分专业实验课程的内容。

3 案例库建设的基本原则、注意事项及建设成果

工科院校作为培养工科人才的主力军，应高度认识“中国制造2025”对实现中华民族伟大复兴的重大意义，勇于承担推进“中国制造2025”战略的责任[11]。物联网工程专业是“中国制造2025”背景下新工科人才培养的重要专业，其实验教学体系要有利于夯实学生的实验实践能力，同时要有利于培养具有跨专业、跨学科能力的复合型人才目标的实现。

我校计算机学院物联网工程专业于2014年获批财政部改善办学条件专项“物联网实验室建设项目”资金200万元后，基于“四类型六环节”实验教学体系，采用模块化案例单元思维，建设了“RFID实验教学平台”“传感网实验教学平台”“物联网综合应用实践平台”等，目前可开设11门实验教学课程。

通过日常教学过程的不断验证，单元化的实验案例库较好地支撑了“四类型六环节”实验教学体系，取得了较好的教学效果，同时也总结出了一些需要注意的基本原则和要点。

3.1 分解重构模块化案例单元的基本原则与成果说明

3.1.1 具体知识点抽象化

针对种类繁多的实验资源，必须抽象化看待知识点，方能构建基于大类概念下的分众模块化实验单元。

以“RFID实验教学平台”建设过程为例。RFID技术的抽象概念为读卡操作，应用方向为通过射频信号完成信息传递，区分方法一是频段、二是协议。基于以上几点，可将RFID实验教学平台的案例单元划分为高频ISO 15693协议类案例单元（可完成寻卡、读卡、信息写入、商品防盗等多个基础实验课程的实验内容，其他种类案例单元亦可完成类似内容）、高频ISO 14443协议类案例单元、超高频UHF案例单元、2.4G与125K频段读卡器案例单元、验证性应用案例单元（枪械管理、图书租借、身份认证共3个）、综合设计性案例单元（学生课程项目转化17个）、科研竞赛性案例单元（学生竞赛项目转化1个）。

3.1.2 以硬件设备便利性评价案例单元

由于物联网实验大多基于各类硬件设备完成，因此实验案例单元建设必须以适配性最好的硬件设备为基础承载单元。

以“RFID实验教学平台”为例，ISO 14443协议类案例单元原本实验硬件为实验箱上的天线式ISO 14443协议读卡器，后因其仅支持RS232串口通信，在后续课程的许多实验中无法直接使用，因此将此部分案例单元转换为提供SPI接口的RC522读卡器模块，提升了ISO 14443协议类案例单元课程间的通用性。

3.1.3 成果说明

目前物联网工程实验室针对物联网实验教学特点建设了“RFID实验教学平台”“传感网实验教学平台”和“物联网综合应用实践平台”3大平台，其中“RFID实验教学平台”包含各类案例单元25个。3大平台共包含135个实验案例单元，覆盖认知、验证、设计、综合、毕业设计、科研竞赛6种类型。

3.2 以应用为导向，积木化拼接案例单元的注意事项与成果说明

3.2.1 技术实施方法要注意简易性

在设计针对跨专业、跨学科培养的实验案例单元时，应考虑到非物联网专业学生的知识储备情况，相关技术应选择同等实验效果下最简易的实施方法，便于学生学习掌握。

3.2.2 技术类别范围需涵盖物联网三层划分架构

为了便于学生通过完成综合性项目，形成一体化的物联网项目设计思维，项目需至少涵盖“感知层”“传输层”和“应用与控制层”中各层的某一类技术应用方法。

3.2.3 成果说明

目前针对卓越工程师班（非物联网专业），在嵌入式系统设计实验课程中设计了“基于MCU设备的积木式安防监控系统设计与制作”综合性实验项目。

针对跨专业、跨学科的各类竞赛集训设计了“ROS机器人小车的控制与导航”“基于SLAM算法的激光雷达”“基于RFID技术的智能跑道监控系统”共3个综合性实验项目。

以“基于MCU设备的积木式安防监控系统设计与制作”项目为例，其实验案例单元的拼接流程如图3所示。该项目涵盖感知层（RFID、传感器）、传输层（有线或无线通信）、应用及控制层（树莓派、Arduino），通过72学时的实验教学，学生可在掌握各部分知识技能后自行设计一套安防监控系统（如用于校园、住宅小区等）。

图3 单一知识点拼接成综合性项目

3.3 实验案例库开放注意要点与成果说明

3.3.1 硬件网络共享与针对小规模群体的开放模式

针对物联网专业实验案例均基于硬件、难以进行网络共享的现实情况，可采用“案例单元硬件+网络串口通信模块+云服务平台”的架构方式解决。而物联网专业主要通过实验课程完成相关教学计划，因此开放规模一般较小，因此可采用SPOC小规模限制性在线课程模式进行开放。

目前我院使用的云平台已进行了部分升级，可面对卓越工程师班（非物联网专业）在课外小规模使用。该云平台RFID实验案例单元的开放情况如图4所示。

图4 RFID实验案例以SPOC模式开放

3.3.2 针对非物联网专业学生计划外开放的注意要点

为避免实验效率低、实验设备损坏等问题，应要求学生的所有操作必须在实验室内完成，不可外借设备。开放时间内的人员组织可交由经安全培训的高年级学生负责。

3.3.3 成果说明

2017年全年面向900多名院内外学生开放实验案例资源，参与开放培训的学生团队获得了以下荣誉：第三届全国“互联网+”大学生创新创业大赛，获全国金奖1项、银奖2项、铜奖1项，获湖北省金奖4项、银奖7项、铜奖13项；第十届中国大学生计算机设计大赛，获全国一等奖1项、二等奖3项、三等奖7项；第四届全国大学生物联网设计竞赛，获全国一等奖3项，获华中及西南赛区特等奖3项、一等奖2项。

4 结语

本科教育是高等学校长远发展中最基础、最重要的工作之一[12]，实验教学是培养高水平、创新型人才的重要手段，是新形势对高等教育教学的迫切要求[13]。我校计算机学院为应对新工科背景下人才培养的新变化与新需求，结合物联网工程专业人才培养特点，提出了“四类型六环节”实验教学体系，并针对该体系建设了较为完善的模块化实验案例单元库，提升了实验案例的通用性，避免了案例资源及实验课程的碎片化，提高了对非物联网专业学生的跨专业、跨学科培养能力，提升了实验案例资源的开放效果与设备使用效能。

[1] 吕铁，吴福象，魏际刚，等.“中国制造2025”的六重玄机改革传媒发行人、编辑总监王佳宁深度对话六位知名学者[J].改革，2015(4): 5–25.

[2] 姜黎辉.“中国制造2025”发展战略背景下工科人才培养模式创新研究[J].科技创新与生产力，2016(6): 1–5.

[3] 范公广，刘永萍，谢军.国家级实验教学示范中心实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2013, 30(2): 134– 136.

[4] 秦钢年，黄大明，卢福宁，等.构建适应创新型人才培养的实验教学体系[J].实验室研究与探索，2012, 31(1): 101–104.

[5] 蔡苗，蔡红娟，黄松，等.信息类专业平台课程实验教学体系改革的探索与实践 [J].实验室研究与探索，2012, 31(9): 144–146.

[6] International Telecommunication Union. Internet Reports 2005: The Internet of things[R]. Geneva: ITU, 2005.

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[8] 洪大用.在“双一流”建设中大力加强本科人才培养[J].中国大学教学，2016(4): 9–16.

[9] 杨丽媛.本科人才培养过程中的课程管理和改革新途径[J].西南师范大学学报（自然科学版），2015, 40(1): 163–168.

[10] 周海银.高等教育如何适应“中国制造2025”[J].山东师范大学学报（人文社会科学版），2015, 60(4): 119–124.

[11] 黄凯.优化实验教学体系建设促进创新型人才培养[J].实验室研究与探索，2008, 27(9): 79–81, 98.

[12] 董贾寿.高校实验教学改革与实验室建设的理念与模式[J].实验科学与技术，2006, 4(4): 1–3.

Construction of experimental case library of Internet of Things Engineering specialty based on experimental teaching system with “Four types and six links”

WANG Yi, ZHANG Huyin, HUANG Jianzhong, PENG Hongmei, HE Chengda

(School of Computer Science, Wuhan University, Wuhan 430070, China)

According to the characteristics of cultivating talents in the Internet of Things specialty and by taking the course group as the core, the undergraduate experimental teaching system with “Four types and six links” has been constructed, which covers the different experimental types and teaching links of undergraduate experimental teaching in the Internet of Things specialty. In order to consolidate the training effect of experimental teaching system, enhance students’ practical ability and improve their comprehensive design literacy, an experimental case library suitable for the experimental teaching system is constructed from the perspectives of universality, avoidance of fragmentation, interdisciplinary learning and emphasis on opening.

experimental teaching system; Internet of things engineering; experimental case library

G642.0

A

1002-4956(2019)07-0174-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.042

2018-11-26

武汉大学实验技术项目（WHU-2017-SYJS-06）；武汉大学实验教学中心开放项目（WHU-2018-XYKF-03）

王毅（1984—），男，湖北武汉，硕士，助理实验师，研究方向为物联网工程.E-mail: aaronwangyi@163.com