1 物联网综合实习课程教学中存在的问题
物联网作为新工科的典型专业，是新一代信息技术的重要组成部分 [1]。所谓物联网，即“万物相连的互联网”，能够将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成一个巨大的网络，实现人类世界和电子世界的互联互通 [2-3]。
物联网综合实习作为物联网专业教学的一门综合性实践教学课程 [4]，能够体现物联网“融合、应用、创新”的特点。课程要求学生修完专业课程之后，通过教师对所有物联网知识再次归纳总结以进行综合实际应用项目的开发。物联网综合实习是物联网教学知识运用、技术融合和应用开发的集大成者，其重要性不言而喻。物联网综合实习课程群架构如图 1 所示。
经过连续 3 年物联网综合实习的教学过程，目前已经搭建起一套比较成熟的物联网综合实习教学方案，积累包括物联生产、物联生活和物联生态 3 个方面的案例数十个。虽然获得丰富成果，但是也发现存在一些问题。
（1）案例库虽然丰富但利用率偏低。经过数年的实习指导和 10 余年的竞赛指导，开发积累的系统已有数十个，丰富了案例库 [5]，但案例库目前仅仅是诸多运行案例的简单堆砌，学生看到这些资源时很难在短时间内对其理解，在实习阶段能够借鉴的内容就更少，因此需要对案例库进行梳理、分类和提升并形成“资源超市”，以充分发挥对学生实习的支持作用。
（2）综合实习开放不够全面。目前实习的开放性仅限于学生组合团队和开放式课题的自主确定，之后仍沿用传统实习教学模式进行实操，因此学生在开题时往往积极性爆棚，但过程中受到课题思路和环境的局限，其积极性随着实习进展也明显下降。究其原因是实习开放性不够，无法全过程秉承“以学生为中心、引导其自由发展”的教学理念 [6]。
（3）整合系统的模块缺乏独立性。由于完成的综合系统都是基于多层架构将 10 余门课程所学进行整合，即将不同的模块通过统一的协议整合构建。由于物联网的 3 层架构，不得不将多层模块结合起来，才能够发挥一个系统的作用。这样的问题就是如果离开了系统背景，单个模块无法直接运行，不利于单模块的自我验证和应用耦合。
为有效解决上述问题，可以考虑在上述的 3个维度中进行改革：在案例库建设上对标“两性一度”金课高阶性、创新性和挑战度要求 [7]，构建优质“资源超市”。保证学生能第一时间知道看到的案例使用什么技术、具备什么功能，之后根据自己的课题自由选择需要的技术、设备和理念，从而提高案例库的利用率；管理上要求以学生为中心实现全过程开放和工程化管理 [6，8]，包括课题自主开放、设备自主调研和选择、课题 /模型的自我构建、答辩演示时的组间评价讨论。拓宽实习外延，将学生的技术交流、竞赛、论文等也纳入考核范畴，引入创新实验室、小会议室、休息区并保证实验室全天候开放；课题上摈弃模块化思想，要求每层构建封闭系统保证其能够独立于系统之外运行，同时对其应用进行耦合就能在整体上实现综合系统，解决个体缺乏独立性的问题，从而进一步丰富“资源超市”的内容。整个综合实习流程图如图 2 所示。
2 资源建设金课化：对标金课建设“案例库资源超市”
“案例库资源超市”建设的主要目的就是提高学生对以往案例的使用率，快速提高经验。在支持度、表现力和用户服务上实现 3 个举措，对案例库进行梳理、分类和提升并形成“资源超市”，以充分发挥对学生实习的支持作用。
案例的支持度上考虑对标金课高阶性、创新性和挑战度标准构建“总—分—总”的物联网综合案例库，对之前积累的大量案例进行分析、归类，标注技术应用、适用范围和服务功能。高阶性方面注重学生知识、能力和素质的有机融合，直接将相关培养指标落到具体的案例中，确定总目标性；创新性方面将每个案例进行封闭系统的碎片化处理，确定案例的可分解性；挑战性上让学生在开放式题目环境中自由发挥，争取能够结合相关模块融合其他计算机相关知识，之后进行应用耦合，确定案例再融合性。
案例的表现力上考虑对每个案例进行详细框图解析，力求每个案例能够通过详细框图达到函数、 API 调用、传输协议级别的精细度，这样学生能够在最短时间内了解该案例的相关技术细节和研发思路，之后可以考虑是否借鉴。
案例的服务用户角度上考虑使用案例的多种角色提交诸多材料，可以让“顾客”得到自己想要的东西。对开发者而言，需要的是开发文档、源代码、执行程序和答辩 PPT；对用户来说，需要案例使用说明书和演示视频；教学部门则需要实习手册和成绩单。
3 实施过程开放化：以学生为中心实现全过程开放和工程化管理
物联网综合实习要求实现以学生为中心的全过程化开放和工程化管理。本课程在学生物联网类专业基础课程基本修完的前提下，让学生进行物联网综合应用项目的开发。课程采用开放式命题的方式，课题要求实现物联网三层架构，范畴包括但不限于物联网领域、人工智能领域、模式识别领域、应用系统整合、普适系统开发等。采用的技术手段包括但不限于 Wifi、 ZigBee、NBIot、 LoRa、树莓派等。
通过本课程的学习，要求学生在掌握物联网核心技术的基础上了解物联网系统设计的思路、方法和步骤；体验一个物联网实际应用系统设计开发的整个过程，包括用户需求、设计思路、团队开发、系统测试等；训练提高解决实际工程问题的能力，进一步巩固所学的专业知识；以小组为单位在物联网三层架构上分别进行开发，最后整合出一个具备创新性和实用性的物联网综合系统。
1）开题阶段。
学生分组自由组合，每组由 3~5 名学生组成并推选组长，实验过程采用组长负责制。
实验方案包括开放式应用场景的思考和用户需求的实现、多种设备的选择、系统结构的设计以及测试方案。这些内容由教师考虑并审核，由小组撰写提交开题表进行存档。开题表包括题目、组长、成员、简介、系统结构图、涉及技术和设备清单。
开题阶段主要体现开放式命题、应用场景倒推和设备超市理念，应用场景的自主选择和方案讨论，可以极大地提高学生的自主性；场景倒推确定体系结构和设备的选择，体现了工程化管理；最后形成开题表，既可以作为过程管理考核证明，又可以为整个实习的系统结构、技术设备、花费费用等提供资料。
2）实施阶段。
形式上学生自主负责项目实施，充分发挥自己的积极性，在开题表中概要设计的基础上细化各模块的功能，形成详细框图。内容上学生自由探究，首先保证尽快完成系统功能并使之独立运行，也可以自由发挥，引入数据库、机器学习、可视化开发等内容；设备构建采用口袋实验室思想，保证所有设备（除 PC 机）都可以方便携带，即随时随地进行实验；模型制作上学生自主设计和购买材料，除了成本限制之外，其他任由发挥。
实施阶段主要体现团队合作和自主管理、集成封闭系统和口袋实验室的特点。教师团队只要以总监角色对学生工作表示满意与否，并布置工期按照工期节点进行检查和讨论即可；拓宽实习外延，将学生的技术交流、竞赛、论文等也纳入考核范畴，目的在于让学生不光局限于实习本身，实习期间也要尽可能在课外获取成绩；引入其他实验室，包括创新实验室作为模型制作室、准备室作为小会议室、提供休息区并保证相关功能实验室的全天候开放。
3）考核阶段。
考核阶段主要体现参与被考核和考核、教学相长以及对应教学大纲指标点，其中对作品进行介绍和演示时，其他学生全都作为评委参与该组作品的评价、交流和探讨中。演示要求系统整体模型运行无误，进行现场作品演示和答辩。最后提交报告、开发文档、用户使用说明书、源代码、执行程序、演示视频和答辩 PPT。学生根据兴趣和需求自由组合，每组 4~5 名学生并推选组长，实行组长负责制，小组成员明确分工协作。
作品主要考核创新点、实用性、工作量和技术难度几点，其他内容也纳入考核，考核成绩分配见表 1。
4 课题架构上形成基于物联网教学体系课程群的封闭系统应用集
封闭系统即能使系统运行的最基本的硬件环境。之前系统整合时采用将不同的模块通过统一的协议进行组合，这样带来的问题是模块无法单独运行，导致只能将课题整体作为“案例库资源超市”的新商品，无法将每个模块作为超市的单独商品。例如，火灾预警模型系统非常完善且可以分为传感层、网关层和应用层 3 部分，但脱离系统后每部分都无法单独运行。
如果摈弃模块化思想，将多个独立运行的封闭系统组合（硬件和中间件彼此独立，应用松耦合），形成“多层架构、硬件独立、应用耦合”的综合系统，可以将每个模块的特长充分发挥出来，而且使每个学生都能做到“增优补缺”，培养整体架构能力。
具体操作包括基于传感层构建数据和网页可视化应用，基于摄像头构建火灾识别深度模型，基于网关层构建火灾等级评估应用，再与原应用层进行耦合，可以极大增强模型的综合性、应用性和创新性，更符合“新工科”的培养理念；同时传感层和网关层的负责学生也能进行应用开发，不会导致他们知识能力方面的偏科状况。
基于“案例库资源超市”的开放式物联网综合实习教改有如下创新点。
（1）以学生为中心体现实验的探究性和设计性。学生自主学习、自主设计、自主实现，案例系统方案不限，可附加的自选动作不限，无疑可以自由发挥。
（2）资源超市的构建体现高阶性和资源支持。按照金课标准构建案例库，为学生的实习培训提供有力支持。
（3）封闭系统应用耦合体现系统性和综合性。不受模块化思想的局限，单独构建封闭系统，让学生直接进行封闭系统的交互应用，方便引入其他领域知识，形成综合交叉。
（4）应用场景倒推体现应用性和工程化。让学生先考虑需要开发什么应用，再考虑器件，而不是有什么工具才考虑做什么应用，充分锻炼学生开放式应用和思考用户需求的能力。
这种模式效果虽然好，但是也需要克服一定的困难，最大的困难是要求较高水平的师资团队 [9]。由于物联网综合实习融合多门专业课程，这就需要师资的教学范围也能覆盖这些专业课程，保证对每门课程用到的知识都能够构建应用并进行耦合，因此该课题项目覆盖实习所包含的所有课程，甚至可以把实习和这些课程相结合，构建物联网教学体系课程群；其次是每个组的课题都不一样，使用到的算法、设备、模型也有诸多不同，因此对于每个组的课题在同一尺度上进行评价也需要更强的灵活性。
这些问题目前已逐步得到解决。物联网专业进行多次调整、整合，目前已经形成能够满足物联网课程体系教学的师资团队。评价方面拟增加各组之间的评价计入总分，同时在答辩的时候组织导师答辩组进行评判，总之，实践教学需要根据实际情况进行改进。
参考文献：
[1] 孙其博, 刘杰, 黎羴等. 物联网: 概念、架构与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报, 2010, 33(3): 1-9.
[2] 钱志鸿, 王义君. 面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(1): 215-227.
[3] 刘强, 崔莉, 陈海明. 物联网关键技术与应用[J] . 计算机科学, 2010, 37(6): 1-4, 10.
[4] 刘陈, 景兴红, 董钢. 浅谈物联网的技术特点及其广泛应用[J]. 科学咨询 (科技·管理), 2011(9): 86.
[5] 王鸿彬. 智能沙盘在物联网专业教学中的应用研究[J]. 电脑知识与技术, 2018, 14(30): 267-268.
[6] 安健, 程锦东, 桂小林, 等. 面向物联网专业的开放实践教学模式[J]. 计算机教育, 2020(7): 124-127, 133.
[7] 陆国栋. 治理“水课” 打造“金课” [J]. 中国大学教学, 2018(9): 23-25.
[8] 李则全. 分组协作式学习在物联网教学中的应用[J]. 现代职业教育, 2018(35): 152-153.
[9] 沈冠林, 凌路. 基于物联网工程实训专家系统的物联网项目拓展课程教学研究[J]. 电子元器件与信息技术, 2021, 5(10): 99-100.
基金项目：中国石油大学（华东）校级实践教学改革类项目“基于‘案例库资源超市模式’的开放式物联网综合实习教学改革”（SJ-202030）；山东省本科教学改革研究项目“‘海洋 + 信息’深度融合的电子信息类专业特色化建设与改革研究”（M2020008）；中国石油大学（华东）校级专业建设与改革类项目“建设‘通信 + 计算 + 海洋’三位一体一流专业，探索宽口径一流人才培养模式”（ZY-202024）。
第一作者信息：李永，男，中国石油大学（华东）高级实验师，研究方向为智能计算、嵌入式、物联网、可视化，20030019@upc.edu.cn。
引文格式：李永，孙冰，孟宏宏. 基于“案例库资源超市”的开放式物联网综合实习教学模式[J].计算机教育,2022(11):156-159,164.
转自：“计算机教育”微信公众号
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