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【摘要】分析了“新工科”建設對“信息、控制與計算”課程的實踐教學的要求及目前“信息、控制與計算”課程在實踐教學中存在的一系列問題，并針對這些問題，提出了一種面向“新工科”的基于物聯網的實踐教學方法。該實踐教學方法包括鏈路級仿真驗證、系統級半實物驗證、平臺級實際驗證和實踐報告總結4個實踐環節，充分結合“信息、控制與計算”課程特點，以物聯網為典型應用場景，將理論與實踐相結合，環環相扣、層層遞進。實踐結果表明，該實踐教學方法有效提高了“信息、控制與計算”課程的教學質量，在培養學生的思維能力、實踐能力和創新能力方面均取得了較好的效果。
【關鍵詞】教學方法；信息；控制與計算；實踐教學；新工科
0引言
為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展等戰略，教育部及時啟動了“新工科”建設，助力高等教育現代化[1-3]。“新工科”建設目的是利用智能制造、云計算、人工智能和機器人等對傳統工科專業進行升級改造，核心理念是產業需求導向、多學科跨界交叉融合。
1“信息、控制與計算”課程目標
面向“新工科”建設的需求，浙江大學信息與電子工程學院率先在國內開設了“信息、控制與計算”信息類交叉課程，打破了傳統信息學科間的壁壘，加快新信息學科的建設，培養面向5G、物聯網和工業互聯網等新基建產業的復合型人才。課程以信息為中心、以信息系統為對象，以信息過程為主線，在介紹信息內涵、度量和表示的基礎上，從“信息傳輸與容量理論”“信息計算與復雜性理論”和“信息控制與穩定性理論”3個方面逐步深入展開闡述，最后通過物聯網將信息的產生、獲取、傳輸、處理和應用等過程有機串聯起來，使學生對現代信息處理技術有完整的理解和掌握[4]。
2“信息、控制與計算”課程實踐
教學面臨的挑戰與傳統工科相比，“新工科”更加強調從高校到社會、從理論到實踐、從教育到應用的全流程教學。因此，實踐教學是“新工科”背景下“信息、控制與計算”課程極其重要的一環。由于“信息、控制與計算”課程的學科交叉特性，筆者發現目前的“信息、控制與計算”課程的實踐教學存在以下3個問題。（1）實踐教學主要涉及單個知識點的驗證，缺乏知識點間的交叉融合。課程涉及的通信、控制與計算學科都有很多經典的理論，這些理論構建出了本學科的基本理論體系。這3個學科各有側重，也存在著一些經典的實踐教學項目。例如，通信學科有通信系統的設計項目[5-6]，控制學科有控制系統的設計項目[7-8]，而計算學科有很多機器學習等的設計項目[9-10]。在之前的實踐教學中，通常在各學科知識點學習的基礎上安排設計項目。這些項目相互獨立，缺乏對這些知識點的交叉融合，很難使學生對這一交叉學科有全面的認識和理解。（2）實踐教學偏重對理論知識的驗證，缺乏對實際應用的探索。實踐教學的目的是對理論知識進行驗證，進而掌握知識點實際應用的原理和方法。實踐教學類似于課程實驗，主要是對知識點的驗證。例如，在通信系統設計項目中，主要基于MATLAB等軟件驗證某一信道編碼方法的性能，缺乏對信道編碼實際應用的探索。同樣地，控制系統和機器學習的設計課程也沒有深入探討其實際應用的難點與解決方案。然而，“新工科”建設是要面向產業應用的，因此需要將實踐教學進一步推向實際應用。（3）實踐教學大多局限于高校實驗室內，缺乏與經濟社會發展的銜接?！靶鹿た啤币苿觽鹘y工科的轉型升級，就必須與經濟社會發展的需求相匹配?！靶畔?、控制與計算”課程的實踐教學大多局限在高校實驗室內，與實際的經濟社會需求存在著一定的偏差。為了適應經濟社會的發展需求，需要走出實驗室，到企業中去了解需求，不斷更新實踐教學內容。
3“新工科”背景下的實踐教學方法
“信息、控制與計算”課程是一門理論性極強、實踐性極強的課程。因此，實踐教學是“信息、控制與計算”課程教學過程中極其重要的一環。課程實踐教學需要兼顧高校與社會、理論與實踐、教育和應用等關系，因此具有極大的難度。課程知識體系的紛繁復雜，增加了實踐教學的復雜度。（1）鏈路級仿真驗證。物聯網是“信息、控制與計算”課程的典型應用場景，涉及終端節點的信息感知、終端節點與接入節點之間的信息傳輸、接入節點對終端節點的控制、接入節點對接收信息的計算等。因此，筆者將物聯網作為實踐教學的主要內容。由于物聯網紛繁復雜，學生在學習的過程中無法直接進行系統級實踐驗證。在這種情況下，筆者將鏈路級仿真作為基于物聯網的實踐教學的第一步。所謂鏈路級仿真，即利用MATLAB等仿真軟件對物聯網涉及的通信、控制和計算等關鍵技術進行數值仿真，掌握各項技術的優缺點及其使用場景。（2）系統級半實物驗證。鏈路級仿真僅用于了解各項關鍵技術的特點和性能，不能反映這些技術在整個物聯網系統中的相互作用和整體效果。因此，需要在鏈路級仿真的基礎上進行系統級驗證。然而搭建完整的物聯網系統需要耗費大量時間，對于初學者來說并不是簡單的任務。筆者提出采用真實節點在環的半實物驗證。主機對物聯網環境進行模擬，進而驗證這些通信、控制和計算技術在模擬環境下的整體性能。系統級半實物仿真具有實現簡單和靈活的特點，適合以小組為單位、在學期中進行的實踐教學。（3）平臺級實際驗證。系統級半實物仿真對“信息、控制與計算”課程所涉及的內容有較為全面的理解和掌握。為了更好地面向產業實際應用，需要進行平臺級實際驗證。如圖2所示，課程搭建包括物聯網設備、接入點、物聯網云平臺和應用終端的物聯網硬件平臺，對物聯網的各項技術在實際環境下進行驗證，使學生有真實的體驗。特別是平臺根據各行業的需要進行調整設計，面向經濟社會需求進行更新。平臺級實際驗證工作量較大，需要在學期末進行平臺搭建。（4）實踐報告總結。經過理論學習和實踐教學，學生對“信息、控制與計算”課程有了全面的認識，對其應用有了較好的掌握。在此基礎上，筆者鼓勵學生撰寫實踐報告和學術論文，把知識的理解和應用總結出來，以便進一步改進和提高。
4結語
面向“新工科”的特點、需求和存在的問題，研究“信息、控制與計算”課程的實踐教學，提出了一種基于物聯網的實踐教學方法。實踐結果表明，這種實踐教學方法有利于學生對課程的理論和應用有完整的理解和掌握，也為學生的創新能力和實踐能力培養提供了有效的手段。
【參考文獻】
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作者：陳曉明 單位：浙江大學信息與電子工程學院
