物联网专业混合式实验教学模式探索

［摘 要］ 针对当前物联网专业高校在实验与实践教学活动开展过程中面临的师资力量有限、实验内容设计质量不高、自主训练不足且缺乏思维锻炼能力等问题，以新工科人才建设思想为指导，以培养工程实践思维和创新能力提升为目标，基于SPOC、虚拟仿真等现代化教学手段和先进的教学理念，探索虚实结合、多径培养的新型教学模式。通过案例引导、虚实结合、课堂翻转等多样化的教学手段提高学生参与课程的积极性和学习热情，为国内其他高校新工科专业的实践教学建设与开展提供新的解决思路与教学方法。

［关键词］ 物联网；感知与标识；SPOC；虚拟仿真

［基金项目］ 2022年度国家重点研发计划“业务态势全景感知和事件驱动分析的人机协同决策（课题3）”（2022YFB3305503）；2023年度陕西省重点研发一般项目“面向跨界融合的服务信用管理技术研究”（2023-YBGY-403）；2021年度河南省重点研发项目“基于鳃鹏平台的国产操作系统研究与示范”（201300210400HZ）

［作者简介］ 安 健（1983—），男，山西晋中人，博士，西安交通大学计算机科学与技术学院高级工程师，主要从事物联网实验教学、服务计算研究；张利平（1983—），男，陕西榆林人，硕士，西安交通大学计算机科学与技术学院工程师（通信作者），主要从事物联网、计算机应用等方向的研究；惠 维（1983—），男，陕西西安人，博士，西安交通大学计算机科学与技术学院副教授，主要从事物联网、人工智能研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）11-0001-04 ［收稿日期］ 2023-03-14

目前，国内众多高校依据新工科建设理念，致力于专业课程体系改革、实验环境建设、实验内容创新等方面的工作，且都已取得长足进步。通过对开设物联网专业高校的调研，学生在实验、实践过程中通常会面临以下问题：（1）缺少足够的优秀实验教师参与，实验内容的设计和质量不高，实践过程中对学生的指导较少；（2）不同实验环节的设备繁多且操作不同，学生理解掌握要花费大量时间和精力，实验内容完成度较低；（3）实验机理和现象的展示不够直观、生动，学生自主训练不足且缺乏思维锻炼能力，所学知识价值不能在实际应用中得到体现［1］。

借助SPOC、虚拟仿真等现代化教学手段和先进的教学理念，教师可以将实验操作过程中的核心环节进行凝练，并通过在线视频、AR、VR等方式复现给不同学生群体［2］。进一步的，利用校企协同、产学合作等多元化渠道，引入优秀的企业工程与技术人员，结合自身领域经验和行业需求，将真实环境下那些不可重复、晦涩难懂、不易展现的物联网设备和应用场景进行虚拟化建模与重构。这样一方面可以为广大高校师生提供更具针对性的优质实验指导，解决实践与应用脱节的问题。另一方面也为高校教师、企业工程师搭建了一个技术交流、共享、合作的学习平台。基于此，项目组以本校首批建设的物联网工程专业为试点，以“感知与标识技术”专题实验为课程主体，深入探讨SPOC、虚拟仿真等技术在实验、实践活动中的意义，通过多样化的教学手段提高学生参与课程的积极性和学习热情，为其他高校新工科专业的实践教学提供新的思路与方法。

一、重构课程SPOC知识单元

与MOOC不同，SPOC作为一类小规模限制性在线课程，其面向的学生群体类型相对比较固定，且对所学知识都有一定的基础和理解，所以理论上具备师生互动和提供必要学习支持的可能［3］。物联网“感知与标识技术”专题实验涵盖了多方面内容，如传感器的检测原理、无线组网技术、RFID标识等，涉及了计算机、物联网、自动化等不同学科的交叉知识。该专题实验需要模拟多个常见的物联网应用场景，通过特定案例的介绍和引导，对传感器、条形码、射频识别等感知设备的工作原理、特性以实操方式进行验证和实践，是学生感受物联网实际应用、学习物联网设备工作原理、掌握物联网关键技术的重要课程。SPOC教学模式首先要关注如何科学划分专题实验的知识单元，既要考虑各单元内容的完整性、逻辑性、实用性，也要考虑不同单元间的过渡衔接。这需要从两方面入手。

一方面是SPOC教学内容的设定。传统的实验教学过程以预先规划的教学大纲为本，学生依据实验要求、实验目的和实验步骤机械式完成实验内容，自主创新能力得不到培养。而引入SPOC后，这类验证型的操作和讲解都可通过自学形式完成，课堂上则可更多开展一些综合性和探索性实验，进一步提高所学内容的深度和广度。但也需考虑不同实验所涵盖知识的完整性、适配性，确保学生能顺利完成目标导向和任务驱动的实验要求［4］。引入SPOC、虚拟仿真等多样化教学手段，不仅能将抽象的工作原理、关键技术等理论内容具象化，让学生易理解、易掌握，还能够提升实验课程的趣味性，激发学生的主观能动性和学习热情。

另一方面是不同课程单元及对应资源的衔接关系。SPOC知识片段的划分需要充分体现实验内容的逻辑关联性和工程实践的进阶性。项目组以计算机教指委2021年最新出版的《物联网工程专业实践规范2.0》为基础，重点研究多类型传感器的检测原理、基于ZigBee的无线组网、RFID标签读写与防碰撞这三类核心实验，探索相关领域学科知识的交叉运用与有机结合方法，围绕工程实践与科技创新这一核心目标构建相应的知识体系。

此外，基于SPOC的实验课程可以有效缓解专业实验教师人员不足的问题。通过将不同物联网实验设备按照其各自特点，如开发环境、功能特性、应用类别等特征进行划分，并配合专业实验教师理论讲解和实操演示，分别形成基础版、进阶版的共享在线资料。学生可以结合自身需求，随时随地进行自主学习和讨论交流，减少课堂冗余时间，提高实验教学质量。

二、自制便携式实验开发板

长期以来，开展基于MOOC、SPOC的实践教学活动要难于理论型课程，学生只需一台终端、一本教材即可完成线上自学，但实践教学则不同，它很大程度上依赖于硬件设施，没有适宜的实验环境以及对应的实验器材，实践教学过程将难以开展。进行不同类型的实验操作时，学生通常都要从熟悉相关实验设备的原理与使用方法、开发环境的配置等方面入手。有限的课堂时间，只能对实验背景、环境和设备做基础介绍，距离熟练使用还存在较大的差距。上述问题都将影响实验完成度和学生课堂学习效率，从而影响整体实验的设计难度，难以开展一些综合性和设计性的工程实训与科技创新活动。

基于以上问题，项目组尝试开发了多款能够满足不同教学场景需求的便携式开发板，以提高实验平台的灵活性和扩展性。如图1所示，项目组基于MSP430设计并制作了能够支持常见传感器信号检测与采集的便携式开发板，通过简单搭配Launchpad和点阵显示屏，即可应用于多个实验环节。同时，配合各单元的SPOC线上课程资源，学生可以通过自学方式完成设备的操作使用和验证性实验。这样，在专题实验课堂内，可以留出充足的时间去完成一些综合性和创新性实验。

三、虚拟仿真实验开发

在物联网实验与实践教学开展过程中，不仅需要注重各学科、各领域优势资源的整合与共享，基于专业教师、工程技术人员的宝贵经验和丰富的实践经历，实现对实验内涵、实验平台、实验操作等多方面内容凝练与优化，形成SPOC资源。同时，虚拟仿真的引入也将进一步丰富实验教学内容与课程展现形式，提升学生参与的积极性。进一步地，也可适度将社会责任、职业素养等德育要素有机融入课程，促进学生多方面发展。通过VR、AR等技术建设新型实验教学环境，在线演示实验现象，并将抽象的关键技术、理论知识具象展现，为学生提供直观、生动、便捷且可重复操作的实验平台［5］。

基于此，针对在物联网RFID标识技术的实验过程中，学生对标签的编解码、调制、防碰撞算法等射频技术及其原理的生涩、难懂等问题，团队开发了虚拟仿真实验系统一套。同时，也充分吸取了传统仿真实验项目只能看、不可变的问题，在平台设计和实现过程中，对其标签数量、类型、编码容量、时隙个数等关键参数都可进行二次配置与更改，进一步提高了RFID虚拟实验的实用性、灵活性和交互性［6］。

四、教学效果评价

项目组在物联网工程专业修读该课程的同学中进行了长达21周的课程试点验证。基于SPOC、虚拟仿真等建立混合式教学模式，将“感知与标识技术”课程分为线上、线下两部分：线上环节中，上传优秀实验教师的实践经验和实验流程，学生通过SPOC、虚拟仿真等平台开展自主学习，完成相对简单的基础型实验和验证型实验，使学生理解掌握相关实验原理和关键技术，并学习传感器、RFID标签等设备的使用和操作；线下环节则由优秀实验教师亲自指导，利用专题实验课堂时间为学生答疑解惑，并结合当下物联网技术热点和典型应用场景，设计包括智能交通、智慧校园等综合创新型实验方案。

我们通过分类比较的方式来验证课程教学改革效果，依据是否采用混合式教学将学生分为两组，组1接受混合式教学，组2接受常规教学。如图2所示，将实验平均完成率、平均完成时间作为教学效果的衡量指标，通过两组同学的数据对比可以看出，随着实验难度和操作复杂度的不断提升，实验完成率都出现下降，且实验时长都不断增加。但是横向对比两组学生表现，无论是从平均完成率还是平均完成时间，组1同学的表现都优于组2。通过数据量化可得，不同实验平均完成率平均提高了18.1%，而实验完成时间则平均下降了24.3%。

通过上述对比实验不难看出，在开展传统实践教学过程中融合SPOC、虚拟仿真等现代化、信息化教学方式，不仅可以简化烦琐冗杂的实验器材准备、实验背景介绍等实验备课过程，而且能够让实验教师留出更多的时间与精力与学生进行指导、交流、解答和互动，真正做到课堂翻转。此外，还可以通过设计合理的教学大纲，结合科学有效的教学方式，大力培养学生的工程实践能力、团队协作意识、自主创新意识和自主开发能力，最终提高实验课程教学质量。

结语

面向物联网等新工科专业开展的实验与实践教学是学生掌握实际应用开发技能，培养工程实践思维和创新能力，形成工程素养与探索精神的重要手段。与传统理论课堂教学不同，其SPOC、虚拟仿真等平台的开展与实施都面临着场地、人员、设备、环境等多重因素的限制［7］。当前，国内外高校针对理论教学的在线开放课程的发展已经超过了人们的预期，但在线实践教学课程的发展依然任重道远。实践教学课程在大学生培养计划和高校教育体系中的重要性不必多言，教育工作者仍需继续探索理论知识与实践经验的有机融合，加快发展实践类课程混合式教学，实现优秀教师、教学资源的共享。

参考文献

［1］卞永明，孙波，于睿坤.新工科背景下实验室建设组织冗余调节作用［J］.实验室研究与探索，2021，40（6）：

246-250.

［2］陈建锋，罗家兵，黄福春.物联网虚拟仿真实验教育平台：网络和嵌入式网关层［J］.实验室研究与探索，2019，38（12）：122-126.

［3］蔡建华，胡文心，张凌立.基于SPOC的计算机实验教学云平台设计与实践［J］.实验技术与管理，2019，36（12）：197-200.

［4］顾玉宛.基于分段式的SPOC在线课程教学设计与实践［J］.计算机教育，2021（5）：45-49.

［5］唐海涛，张立明，张仲明，等.物联网虚拟仿真实验教学中心平台建设［J］.实验室研究与探索，2018，37（1）：

139-142.

［6］邢丹，姚俊明，邵婷婷.基于虚拟仿真平台的物联网专业RFID课程实践教学探索［J］.医学信息学杂志，2018，39（8）：84-88.

［7］潘晟旻，田春瑾，刘领兵，等.回归常识的MOOC生态环境下计算机基础课程混合式教学改革［J］.计算机教育，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