基于多学科交叉的物联网控制技术教学改革研究

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摘 要：为了提高“物联网控制技术”课程的教学质量，基于该课程内容的多学科交叉性，探索培养学生理论迁移能力、工程应用能力和创新实践能力的教学改革。该文首先对物联网发展现状、物联网工程发展需求、物联网与控制的关系进行了分析，然后对该课程的主要特点进行了讨论，进而提出施行反馈式闭环教学模式、建设开放式综合实验体系、建设大学生实践基地，最终形成一套科学的、完整的、满足社会需求的、满足学生需要的教学实验实践体系，旨在培养学生创新思维和实践能力。

关键词：物联网控制技术 实践能力 创新思维 人才培养

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0019-03

Teaching Reform Research on Internet of Things Control Technology Based on the Feature of Multi-disciplines Intersection

Wan Yong Wang Congqing

（College of Automation Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing Jiangsu，211106，China）

Abstract：In order to improve the teaching quality of the internet of things control technology， based on the feature of multi-disciplines intersection of the contents of this course， the teaching reform that cultivates students’ theory migration abilities， engineering application abilities， and innovative practicing abilities is explored. Firstly， the current situation of the development of internet of things， the development requirement of internet of things engineering， the relationship between internet of things and control， are analyzed. Then， the main features of this course are discussed. As such， we have proposed to implement feedback closed-loop teaching mode， construct open synthetical experimental system， build undergraduate practicing base， and eventually a set of scientific， systematic teaching-experiment-practice system is formed， which can meet the needs of society and students， and is aiming at cultivating students’ innovative thoughts and practicing talents.

Key Words：Internet of things control technology；Practicing talents；Innovative thoughts；Talent cultivation

“物联网”的概念于1999年被提出，主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动互联网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的情境感知能力，实现智能化的决策和控制。物联网是一个交叉学科，核心技术覆盖整个信息学科，包括电子、通信、计算机和控制等。“物联网”不是单一的技术，而是跨学科的技术综合，它不仅仅是将人、机器设备和基础设施进行相连，更是要实现对人、物、环境进行实时的控制和管理，提高资源利用率和生产力水平。实现高效的、智慧型的物联网，需要多种技术支撑，而控制技术是重要的支撑技术之一。物联网是控制技术实施智能化决策和控制的应用对象。物联网是外在的表现形式，而控制技术是驱动物联网有效工作的内在核心技术。美国斯坦福国际研究院SRI对物联网技术趋势进行了预测，未来的物联网技术将更加倾向高效的定位和控制能力。因此，物联网控制技术在实现高效的、智慧型的物联网领域具有广泛的应用前景[1]。

“物联网控制技术”是信息工程学科一门新兴的专业教育课程，是物联网领域一门前沿的专业特色课程，该课程对培养物联网工程创新型人才发挥着重要作用。目前，许多高校设有“物联网工程”专业，并开设有“物联网控制技术”课程，但由于物联网在我国尚属于发展阶段，该专业的人才培养模式仍属于实验探索发展阶段，因此，该课程的教学研究尚属起步阶段，教学模式侧重基础理论教学，缺乏对学生创新实践能力的培养。综上所述，建立以培养学生理论迁移能力、工程应用能力和创新实践能力为核心的多学科交叉融合的物联网控制技术教学平台，探索引导学生开展自主学习、科学研究与创新实践的研究型教学，是提高该门课程教学质量和强化人才培养的有效途径[2]。

1 本课程主要内容特点

“物联网控制技术”是物联网工程专业本科生选修的一门专业课程，是一门具有多学科交叉性、基础理论性、工程实践性的课程，主要包括：物联网基础、控制原理、物联网控制技术的工程应用3个方面。通过本课程的学习，学生应该掌握物联网的基本概念及其与控制技术的关系、经典控制理论（拉氏变换、时域法、根轨迹法、频域法、PID控制基础）、物联网控制系统的分析与设计方法。该课程属于面向物联网工程应用的基础理论型课程，着重建立学生的控制工程基础，培养学生的控制工程思维，提高学生应用控制专业知识分析和解决问题的能力，为将来从事与物联网工程相关的建模、控制、系统稳定性分析等物联网领域的理论研究、系统研发和算法设计等工作打下坚实基础。“物联网控制技术”课程主要具有如下几个方面的特点。

（1）多学科交叉性强。物联网与控制技术涉及自动化、通信、计算机等多个学科，属新兴交叉学科。本课程需要学生明确各学科在物联网工程应用中的作用，及其与物联网的关系等。在此基础上，本课程要求学生重点掌握经典控制原理，具备物联网系统简单建模的能力，能够灵活应用控制理论和技术分析与解决简单物联网控制系统问题。

（2）理论性强。本课程对学生的数学基础要求较高，要求学生深入掌握拉氏变换、时域法、根轨迹法、频域法、PID控制基础。但该课程中涉及的理论并非仅仅局限于理论本身，而是面向物联网的工程基础，因此，课程需要引导学生根据不同物联网的具体特点，建立能够满足分析需要的数学模型，并利用控制理论方法分析控制系统设计以及控制参数对系统性能的影响。这一过程涉及大量的数学推导，因此要求学生掌握高等数学、复变函数等课程知识。

（3）工程实践性强。“物联网控制技术”是一门为物联网工程服务的基础理论型课程。由于该门课程具有工程实践背景，所以在进行理论课教学的同时，需要开设配套的实验课来培养学生的工程实践能力。近年来，我校依托控制科学与工程、信息与通信工程、计算机科学与技术3个一级学科，整合资源，建设有江苏省物联网与控制技术重点实验室、物联网与控制技术江苏高校优势学科一期二期，各种软硬件设备为开展实验教学提供了条件，形成了可自主设计实验、可实时验证实验、可在线分析实验结果的互动教学环境，有利于帮助学生理解理论课知识，明确所学课程内容的意义，能够灵活运用理论方法，以创造性地解决物联网工程实践问题。

2 反馈式闭环教学模式

高等学校教学的根本任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，发展科学文化，促进社会主义现代化建设。本科教学是高等学校教学中的重要环节，学习主体是在校本科生，因此，教学目的的最终达成，需要结合每个学生不同的学习兴趣、学习目的、学习能力，制定满足学生学习需求的教学计划和内容，而不是局限于教材、过分侧重于教师的教而忽视了学生的学。

一方面，在某些教学中，部分学生经过一个学期甚至一个学年对某一门课的学习，虽然经过考试考核，但只是机械的接受知识，并不知道为什么学习该课程、学习该课程有什么用，缺乏对课程知识本质的深刻理解，丧失了学习兴趣，缺乏学习动力和自主探究能力。另一方面，随着社会经济的发展，各行业对物联网技术的需求也越来越大，这就要求我们对教学内容做出相应的调整，以满足日益变化的需求。

因此，高等教学的根本任务是培养出能够适应21世纪行业发展需求的新型复合式人才，以及能够与国际接轨的创新实践型人才[3]。“物联网控制技术”课程学科交叉性强、理论难度深、实践应用性强，单一的教学模式和内容无法满足学生的学习兴趣以及社会对人才的要求，更不能适应新时期工科专业的培养目标。

为了能够科学的解决好上述教育目标及教学中遇到的实际问题，前提是要转变教师教学态度，教学的主旨是为学生服务，目的是为社会输送合格高级人才，而不是把学生考倒，考试只是手段，不是目的。我们要充分尊重学生的学习意愿、激发学生的学习兴趣、跟踪学生的学习效果，通过调查就业毕业生的反馈意见、对学校聘请的企业导师进行问卷调查，然后据此对现有教学内容、教学计划进行调整。

反馈式闭环教学模式是“教学相长”的具体体现，是在传统的单一教学模式基础上进行改进的以培养学生创新实践能力的多元化教学模式，充分尊重和确立学生在教学活动中的主体地位，加强教师的有目的、有针对性的指导作用，建立企业调研、学生反馈、指标分析、调整改进四位一体的闭环教学新理念。

如图1和图2所示，教师除了课堂上对知识点的讲授教学，还需要指导学生熟悉国内外各大数据库、掌握检索科技文献的方法，培养学生自主学习、课堂提问、讨论，丰富课堂教学。然后，由教师根据学生反馈的提问、建议等对教学方法、内容等进行改进，不断调整，形成闭环教学模式。

与此同时，反馈式闭环教学模式鼓励学生进行课外自主研究学习，如建设课程网站，学生可以上传自制的课外研究作品、撰写的研究报告或论文等到网站展示，教师与学生可以利用课外时间进行网上讨论，这样有利于增加教师与学生的有效互动、将课内讲授的概念、公式等知识转化成学生头脑中能够解决实际工程问题的工具、加深知识的迁移、提升教学质量。

3 开放式综合实验体系

实验课程是理论课程的辅助系统，是帮助学生对课上知识进行消化吸收、进一步明确课程意义、培养学生对知识的迁移能力、动手能力和创新实践能力的重要手段。在教学方式上，以目前的授课、教学网站资源、物联网与控制技术实验室为基础，不断丰富实验教学内容，积极采用启发和研讨式教学方法，促进课堂的生动性，提高学生学习的主动性和应用的积极性，从而提高实验教学的质量[4]。

为了达到实验课程的教学目标，我们根据已经改进的教学大纲不断改进现有的实验配套教材。新编教材旨在把基础理论、软硬件模块、实验设计、实验数据分析等主要内容循序渐进地展现出来。此外，教材注重学生思维的拓展，在实验章节中引入思考题，通过思考题启发并拓展学生对实验内容的理解。

实验课教学不同于理论课，教师讲授的实验操作内容具有实时性的特点，学生自学或者复习往往达不到相应效果，一旦学生某一个环节没有完全理解掌握操作技巧，不但达不到验证和理解理论知识的目的，而且容易损伤实验器材。因此，如图3所示，我们在实验课堂教学中，采用“边讲解边动手”的实验课教学特色，即教师与学生互动，每当教师讲解到某一个环节，在教师指导并结合实验教材的基础上，学生立即动手验证教师刚刚讲解过的内容，做到“有问必答、有错必究”。课后学生可以通过网络留言的方式及时向教师反馈实验学习心得体会，帮助教师改进实验课的教学。教师也可以通过网络留言的方式向学生提出实验课的具体预习内容，需要提前完成的理论计算以及相应软硬件的基础知识。此外，在实验过程中，通过启发和讨论的方式，引导学生自主排除故障，锻炼学生思维和动手能力，提高学生实验自主性。最终力求培养学生实验素养，不断丰富实验课教学内容，提高实验课教学质量。

我们开设的基于数据的物联网智能建模与仿真实验、物联网控制系统时域仿真实验、控制系统的频率特性测试实验等均通过对实验过程中的3环节“实验预习”、“实验操作”、“实验报告”层层把关，端正学生对实验的态度，注重培养学生严谨求实的科学素养；其次，丰富实验形式，通过“MATLAB仿真”、“自动控制原理实验箱的电子模拟仿真”、“EWB电路仿真”等多样化的实验手段，既激发了学生的实验积极性，又提高了学生的实验技能。

4 大学生实践基地建设

物联网是国家与江苏省的战略性新兴产业，物联网与控制技术学科结合国家加快推进物联网发展的重大战略需求，整合我校控制、仪器、通信及信息工程、计算机等相关学科优势资源，提高科研创新能力，建设国内一流的具有航空特色的物联网与控制技术新兴交叉学科。建立大学生实践基地是培养学生工程实践能力、加强校企合作、提高教学水平的有效手段[5-6]。实践基地以“物联网控制技术”课程为主导，为学生提供物联网优化控制与智能决策研究平台、面向航空的物联网情境感知和无缝智能体系定位研究平台、面向航空的物联网系统智能诊断、健康管理研究平台等创新实践平台。

实践基地的建设不仅需要从实验设备、实验平台等方面为学生提供良好的软硬件工程实践基础，更为重要的是贯彻反馈式闭环教学模式、开放式综合实验体系，切实改变传统教学模式，为探索教学新途径提供重要保障。大学生实践基地应具备以下几个特点。

（1）以培养学生基本技能为目标，统筹安排理论教学和实践教学课时，开设一批实验选修课，注重培养学生处理复杂系统的能力，结合实践基地资源，精心设计一系列综合性、设计性实验。

（2）以培养学生综合设计能力为目标，抓好综合实验教学体系改革。把融会贯通理论知识、促进科学思维和创新思维作为实践环节主要教学目标，设计一些具有较强航空航天应用背景的物联网控制实验实践项目案例，让学生结合实际案例自主学习、综合设计与分析、进行创新和思考，提升大学生的综合分析水平和创新能力。

（3）校企合作培养。实践教育中心积极开展实践教育活动，每年有组织地安排学生到校外实习实践基地，与基地指导教师一起完成教学内容，形成课内与课外相结合，校内与校外相结合，理论与实践相结合，学校课堂与企业车间相结合的实践教学新模式，构建一个立体化、多通道的实践方法和教学手段。培养学生与企业、与社会的沟通能力以及分析和解决实际问题的能力。

5 结语

“物联网控制技术”课程是物联网工程学科一门新兴的专业教育课程，具有多学科交叉性强、理论性强和工程实践性强等特点。该文对该课程进行教学改革探索，提出了反馈式闭环教学模式、开放式综合实验体系、大学生实践基地建设。通过学生反馈、企业调研、奖励机制、校企合作，培养学生创新思维、理论的工程迁移能力和实践能力。

参考文献

[1]潘勇，熊江，高子林.物联网工程“无线传感网络”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2014（14）：184-189.

[2]周璀.《物联网概论》课程教学改革与研究[J].科技资讯，2013，31（35）：198.

[3]夏伏洋.基于项目化的物联网应用技术专业实践教学改革探索[J].产业与科技论坛，2015，14（3）：128-129.

[4]李岩，汪永生.应用型本科院校物联网实践教学改革与创新研究[J].铜陵学院学报，2014（5）：123-125.

[5]王俊波.物联网专业应用型人才培养研究与改革[J].物联网技术，2015（5）：106-108.

[6]柏荣刚，张海燕，蔡祥，等.物联网应用课程教学改革探索[J].计算机教育，2015（10）：25-28.