物联网工程专业多学科 融合实验教学改革

穆帅 盛羽 段桂华

摘    要：文章以中南大学物联网工程专业为例，对“六卓越一拔尖”计划2.0背景下的多学科融合实验教学改革进行了研究与实践。通过确定改革目标、制定实施方案、构建支撑平台、实施实验教学等步骤，形成一套可行的多学科融合实验教学改革方案。

关键词：“六卓越一拔尖”计划2.0;物联网工程;多学科融合;实验教学

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2021）05-0035-02

2019年4月29日，教育部、中央政法委、科技部等13个部门在天津联合启动“六卓越一拔尖”计划2.0（以下简称“卓越2.0”）。教育部部长陈宝生表示，通过“卓越2.0”的实施，将引导高校全面优化专业结构，深化专业综合改革，激发学生学习兴趣和潜能，让学生忙起来、让教学活起来、让管理严起来，全面振兴本科教育，提高人才培养质量[1]。中南大学作为国家“985”“双一流”建设和第一批开设物联网工程专业的重点大学，积极适应“卓越2.0”的建设要求，研究与探索在物联网工程专业开展多学科融合实验教学改革，为物联网行业培养高素质复合型卓越人才作出了贡献。

一、确定多学科融合实验教学改革目标

为培养物联网行业的卓越工程师，必须强化培养学生的实践能力和创新能力。多学科融合能使学生突破旧的思维方式束缚，多维度运用综合知识思考问题和解决问题，有效增进合作意愿，激发交叉灵感，从而提升学生的创新能力。因此，在物联网工程专业中实施多学科融合实验教学，具有重要的理论价值和现实意义。

面向物联网工程专业的多学科融合实验教学改革目标是：在“卓越2.0”的背景下，以物联网技术为核心，通过建设多学科融合实验教学支撑平台、制定多学科融合实验教学方案、设计开发多学科融合实验教学例程、应用合适的教学模式和教学方法，来充分调动学生的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣、创造灵感和自身潜能，提高学生学以致用、工程實践、科学研究和应用创新的能力，为物联网行业培养高素质复合型的卓越人才。

二、制定多学科融合实验教学改革实施方案

面向物联网工程专业多学科融合实验教学改革的总体实施方案，主要分为以下四个阶段。

第一阶段：提炼多学科融合的相关知识点，确定多学科融合实验教学内容，制定多学科融合实验教学方案。

首先，根据物联网工程专业和其他相关专业的培养方案和教学大纲，提取可用于多学科融合的相关知识点，找到多学科融合实验教学的契合点和切入点。其次，对物联网专业学生和任课教师进行调研，综合各方面对实验教学的意见和建议，确定可进行多学科融合的实验教学内容，制定多学科融合的实验教学方案。

第二阶段：对面向物联网工程专业的多学科融合实验教学支撑平台进行研究和建设，设计和开发多学科融合实验教学案例。

以面向物联网工程专业的多学科融合实验教学改革目标和内容为蓝本，征求相关任课教师、专家和学生的要求和意见，调研有资质的公司和厂商，确定多学科融合实验教学支撑平台的功能需求、功能模块结构、数据流程、关键技术和配套设备等。逐步建设可支撑本次研究与改革的实验平台，设计开发面向物联网工程专业的多学科融合实验教学案例。

第三阶段：以现代教育技术理论和信息化教学设计理念为指导，对物联网工程专业实施多学科融合实验教学。

深入研究现代教育技术中的学习理论（如行为主

义、认知主义、构建主义、人本主义等）、教学理论（如关注行为、关注认知、关注人格等）和信息化教学设计理念（如目标导向、问题导向、任务驱动、翻转课堂、CDIO等），学习借鉴其他高校的实验教学经验和成果，用合适的理论（理念）指导不同目标和环节的多学科融合实验教学。指导学生从学习和模仿现有教学案例开始，最终能够自主设计和开发，争取研发出创新型的多学科融合项目。对学生的实践结果，实施多元化的综合评价方式。

第四阶段：在实验教学过程中不断总结，并对发现的问题及时进行改进和优化。

在物联网工程专业多学科融合实验教学过程中，要不断检验实验教学方案、教学案例和教学模式（方

法）的改革效果，以便及时归纳总结实验教学中的经

验、教训和成果，对发现的问题进行改进和优化。完成阶段任务后，教师组织学生分小组展示实验成果、交流、讨论和观摩学习，之后将其中的优秀作品纳入项目资源库。经过不断循环优化和完善，构建具有自身特色的物联网工程专业多学科融合实验教学体系。

三、构建多学科融合实验教学支撑平台

中南大学计算机学院设置计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、信息安全、通信工程、数据科学与大数据技术6个本科专业，现有国家级研究基地2个，省部级研究基地13个。在实验教学过程中，学校充分利用学科资源，逐步构建面向物联网专业的多学科融合实验教学支撑平台。平台的架构如下。

1.物联网核心层：可进行北斗定位、传感器、嵌入式、二维码及RFID、近距离通信、WSN等项目实训。

2.核心层通过智能网关、接口和通信协议和外部进行关联。

3.通信技术层：可进行互联网、移动网络、微波等项目实训。

4.信息安全层：可进行防火墙、信息加密、身份认证、安全协议、入侵检测等项目实训。

5.软件工程技术层：可进行软件开发、软件工程、软件体系结构、软件项目管理等项目实训。

6.大数据技术层：可进行数据采集与预处理、数据存储区、数据清洗、数据挖掘、数据查询分析和数据可视化等项目实训。

7.计算机技术层：可进行计算机网络、数据库、人机交互、计算机视觉、图形图像处理等项目实训。

8.应用场景层：包括智慧交通、智慧农业、智能家居、智能仓储、智慧实验室等。

该平台以物联网技术为核心，融合物联网、通信、计算机、大数据、信息安全和软件工程等多个学科的常见技术，兼顾沙盘演示、实际操作、算法验证、综合创新和支持团队实验等要求。支撑平台的组织结构呈模块化，可根据不同的实验教学应用场景来搭配组合，模块之间依靠网关、接口和通信协议进行关联。

四、基于智能交通沙盘的多学科融合实验教学案例

下面以基于智能交通沙盘的实验教学为例，介绍中南大学物联网工程专业的多学科融合实验教学改革与实践。

（一）部分实验教学项目

1.智能小车套件。智能小车具有ZigBee通信、WiFi传输、RFID识别、高精度无线定位、视频采集、无线充电、电磁循跡、超声波测距和红外避障等功能。可进行嵌入式开发、串口通讯、超声波测距、直流电机驱动、电磁寻迹、RFID芯片读写、WIFI通信等项目实训。

2.ETC不停车收费子系统。该系统能够实现用户信息同步、车辆进站信息存储、移动端查询用户车辆信息和车辆出站收费功能。可进行光电传感器、RFID芯片读写、近距离无线通信、智能网关开发、嵌入式开发、软件开发、数据库等项目实训。

3.智能停车场子系统。该系统能够实现同步车位预订信息、停车场计费规则、车辆进场、停车位导航、预订停车位、更新停车位信息和车辆出场收费等功能。可进行RFID芯片读写、超声波测距、近距离无线通信、软件开发、数据库、图形学等项目实训。

4.红绿灯调度子系统。该系统能够实现同步红绿灯控制规则和控制模式、修改红绿灯控制模式、修改红绿灯控制规则和上传车流量信息等功能。可进行RFID芯片读写、近距离无线通信、智能网关开发、计算机算法、软件开发、数据库等项目实训。

5.违章信息管理子系统。该系统能够实现上传闯红灯违章车辆图片、上传进入BRT专线车辆图片、识别车辆信息、判断是否违章、设置处罚规则以及移动终端查询车辆违章信息等功能。可进行RFID芯片读写、近距离无线通信、智能网关开发、计算机视觉、图形图像处理、软件开发、数据库等项目实训。

（二）实验教学方法

在智能交通沙盘上进行多学科融合实验教学时，可采用项目教学法[2]和任务驱动教学法[3]相结合的方式。

1.教师首先把智能交通沙盘按功能划分为若干个

子项目任务，对每个子项目明确相应的目标，制定子项目任务说明书。

2.根据实验教学目标和学生的实际情况，将子项目任务分解为难度不同的多个实验任务，明晰每项实验任务的目标、内容、知识点和关键技术，供不同层次的学生选择。

3.实验过程中，教师指导学生通过查阅资料、自主探索与合作交流来完成实验任务，鼓励学生自主创新的思想和方法，培养学生的自主学习实践能力。

4.阶段性任务完成之后，教师根据任务量大小、难易程度、学生自主学习情况、任务完成程度、任务完成质量、学生自我评价和相互评价等，进行形成性和综合性的评估，并及时将评估结果反馈给学生，引导学生反思和总结。

5.将其中的优秀作品纳入项目资源库，公开提出表扬、给予适当奖励，组织观摩、学习和交流，激发学生的学习兴趣、荣誉感和积极性。

五、结语

本文以中南大学物联网工程专业的实验教学为例，对“卓越2.0”背景下多学科融合实验教学改革进行了研究与实践。通过确定改革目标、制定实施方案、构建支撑平台、实施实验教学等步骤，形成一套可行的多学科融合实验教学改革方案。实施结果表明，该方案能有效提高学生的实践能力和创新能力，有助于为物联网行业培养高素质复合型的卓越人才。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部政府门户网站.教育部启动“六卓    越——拔尖”计划2.0[EB/OL].（2019-04-30）[2020-08-10].     http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_zt/moe_357/jyzt_    2019n/2019_zt4/tjx/mtjj/201904/t20190430_380243.html.

[2]曾捷，谢宁，张志朋.基于项目教学法的模拟电路实验教学    模式研究[J].实验室科学，2016（4）.

[3]冯建成.任务驱动教学法在现代教育技术实验教学中的    应用[J].中国现代教育装备，2009（14）.