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【摘要】分析了“新工科”建设对“信息、控制与计算”课程的实践教学的要求及目前“信息、控制与计算”课程在实践教学中存在的一系列问题，并针对这些问题，提出了一种面向“新工科”的基于物联网的实践教学方法。该实践教学方法包括链路级仿真验证、系统级半实物验证、平台级实际验证和实践报告总结4个实践环节，充分结合“信息、控制与计算”课程特点，以物联网为典型应用场景，将理论与实践相结合，环环相扣、层层递进。实践结果表明，该实践教学方法有效提高了“信息、控制与计算”课程的教学质量，在培养学生的思维能力、实践能力和创新能力方面均取得了较好的效果。
【关键词】教学方法；信息；控制与计算；实践教学；新工科
0引言
为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展等战略，教育部及时启动了“新工科”建设，助力高等教育现代化[1-3]。“新工科”建设目的是利用智能制造、云计算、人工智能和机器人等对传统工科专业进行升级改造，核心理念是产业需求导向、多学科跨界交叉融合。
1“信息、控制与计算”课程目标
面向“新工科”建设的需求，浙江大学信息与电子工程学院率先在国内开设了“信息、控制与计算”信息类交叉课程，打破了传统信息学科间的壁垒，加快新信息学科的建设，培养面向5G、物联网和工业互联网等新基建产业的复合型人才。课程以信息为中心、以信息系统为对象，以信息过程为主线，在介绍信息内涵、度量和表示的基础上，从“信息传输与容量理论”“信息计算与复杂性理论”和“信息控制与稳定性理论”3个方面逐步深入展开阐述，最后通过物联网将信息的产生、获取、传输、处理和应用等过程有机串联起来，使学生对现代信息处理技术有完整的理解和掌握[4]。
2“信息、控制与计算”课程实践
教学面临的挑战与传统工科相比，“新工科”更加强调从高校到社会、从理论到实践、从教育到应用的全流程教学。因此，实践教学是“新工科”背景下“信息、控制与计算”课程极其重要的一环。由于“信息、控制与计算”课程的学科交叉特性，笔者发现目前的“信息、控制与计算”课程的实践教学存在以下3个问题。（1）实践教学主要涉及单个知识点的验证，缺乏知识点间的交叉融合。课程涉及的通信、控制与计算学科都有很多经典的理论，这些理论构建出了本学科的基本理论体系。这3个学科各有侧重，也存在着一些经典的实践教学项目。例如，通信学科有通信系统的设计项目[5-6]，控制学科有控制系统的设计项目[7-8]，而计算学科有很多机器学习等的设计项目[9-10]。在之前的实践教学中，通常在各学科知识点学习的基础上安排设计项目。这些项目相互独立，缺乏对这些知识点的交叉融合，很难使学生对这一交叉学科有全面的认识和理解。（2）实践教学偏重对理论知识的验证，缺乏对实际应用的探索。实践教学的目的是对理论知识进行验证，进而掌握知识点实际应用的原理和方法。实践教学类似于课程实验，主要是对知识点的验证。例如，在通信系统设计项目中，主要基于MATLAB等软件验证某一信道编码方法的性能，缺乏对信道编码实际应用的探索。同样地，控制系统和机器学习的设计课程也没有深入探讨其实际应用的难点与解决方案。然而，“新工科”建设是要面向产业应用的，因此需要将实践教学进一步推向实际应用。（3）实践教学大多局限于高校实验室内，缺乏与经济社会发展的衔接。“新工科”要推动传统工科的转型升级，就必须与经济社会发展的需求相匹配。“信息、控制与计算”课程的实践教学大多局限在高校实验室内，与实际的经济社会需求存在着一定的偏差。为了适应经济社会的发展需求，需要走出实验室，到企业中去了解需求，不断更新实践教学内容。
3“新工科”背景下的实践教学方法
“信息、控制与计算”课程是一门理论性极强、实践性极强的课程。因此，实践教学是“信息、控制与计算”课程教学过程中极其重要的一环。课程实践教学需要兼顾高校与社会、理论与实践、教育和应用等关系，因此具有极大的难度。课程知识体系的纷繁复杂，增加了实践教学的复杂度。（1）链路级仿真验证。物联网是“信息、控制与计算”课程的典型应用场景，涉及终端节点的信息感知、终端节点与接入节点之间的信息传输、接入节点对终端节点的控制、接入节点对接收信息的计算等。因此，笔者将物联网作为实践教学的主要内容。由于物联网纷繁复杂，学生在学习的过程中无法直接进行系统级实践验证。在这种情况下，笔者将链路级仿真作为基于物联网的实践教学的第一步。所谓链路级仿真，即利用MATLAB等仿真软件对物联网涉及的通信、控制和计算等关键技术进行数值仿真，掌握各项技术的优缺点及其使用场景。（2）系统级半实物验证。链路级仿真仅用于了解各项关键技术的特点和性能，不能反映这些技术在整个物联网系统中的相互作用和整体效果。因此，需要在链路级仿真的基础上进行系统级验证。然而搭建完整的物联网系统需要耗费大量时间，对于初学者来说并不是简单的任务。笔者提出采用真实节点在环的半实物验证。主机对物联网环境进行模拟，进而验证这些通信、控制和计算技术在模拟环境下的整体性能。系统级半实物仿真具有实现简单和灵活的特点，适合以小组为单位、在学期中进行的实践教学。（3）平台级实际验证。系统级半实物仿真对“信息、控制与计算”课程所涉及的内容有较为全面的理解和掌握。为了更好地面向产业实际应用，需要进行平台级实际验证。如图2所示，课程搭建包括物联网设备、接入点、物联网云平台和应用终端的物联网硬件平台，对物联网的各项技术在实际环境下进行验证，使学生有真实的体验。特别是平台根据各行业的需要进行调整设计，面向经济社会需求进行更新。平台级实际验证工作量较大，需要在学期末进行平台搭建。（4）实践报告总结。经过理论学习和实践教学，学生对“信息、控制与计算”课程有了全面的认识，对其应用有了较好的掌握。在此基础上，笔者鼓励学生撰写实践报告和学术论文，把知识的理解和应用总结出来，以便进一步改进和提高。
4结语
面向“新工科”的特点、需求和存在的问题，研究“信息、控制与计算”课程的实践教学，提出了一种基于物联网的实践教学方法。实践结果表明，这种实践教学方法有利于学生对课程的理论和应用有完整的理解和掌握，也为学生的创新能力和实践能力培养提供了有效的手段。
【参考文献】
[1]林健.面向未来的中国“新工科”建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.
[2]崔庆玲，刘善球.中国“新工科”建设与发展研究综述[J].世界教育信息，2018，31（4）：19-26.
[3]田亚楠.“新工科”背景下电子信息类专业建设探索与实践：以通信工程为例[J].物联网技术，2022（8）：139-141.
[4]陈晓明.“信息、控制与计算”课程的泛课堂教学方法探析[J].电脑知识与技术，2019（22）：124-125.
[5]仇佩亮，张朝阳，谢磊，等.信息论与编码[M].北京：高等教育出版社，2003.
[6]JohnGP.数字通信[M].北京：电子工业出版社，2004.
[7]张嗣瀛，高立群.现代控制理论[M].北京：清华大学出版社，2006.
[8]邹见效.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2017.
[9]周志华.机器学习[M].北京：清华大学出版社，2016.[10]张旭东.机器学习导论[M].北京：清华大学出版社，2022.
作者：陈晓明 单位：浙江大学信息与电子工程学院
