借鑒TRIZ理論構建物聯網工程實踐教學體系

吳 迪, 朱金秀, 徐 寧,2, 劉 景, 張學武, 江 冰, 朱昌平

(1. 河海大學 物聯網工程學院, 江蘇 常州 213022;2. 南京郵電大學 寬帶無線通信與傳感網技術教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210003)

借鑒TRIZ理論構建物聯網工程實踐教學體系

吳 迪1, 朱金秀1, 徐 寧1,2, 劉 景1, 張學武1, 江 冰1, 朱昌平1

(1. 河海大學 物聯網工程學院, 江蘇 常州 213022;2. 南京郵電大學 寬帶無線通信與傳感網技術教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210003)

在實踐中總結出一種借鑒TRIZ理論的物聯網工程專業實踐教學體系,并給出體系框圖。該體系框圖主要包括物聯網工程專業師資建設、物聯網工程專業實踐課程建設、物聯網工程專業實踐教材建設、專業實驗室及實踐基地建設、物聯網工程專業研究型實踐教學、物聯網工程專業雙創教育6個環節,并對其中的每一環節進行了多次完善。該物聯網工程專業實踐教學體系的實施,能有效提升物聯網工程專業的實踐教學內涵,提高物聯網工程專業學生的實踐創新能力和創業能力。

物聯網工程; 實踐教學; 體系框圖; TRIZ理論

作為全國首批開設該專業的高校之一,河海大學將物聯網工程專業設在常州校區,在學生自愿申請的基礎上,從2010級各專業選拔出34人組成該專業的首批學生。這批學生已于2014年6月畢業,成為全國首屆物聯網工程專業本科畢業生。物聯網工程專業作為新建的本科專業,為了提高學生的實踐創新能力,河海大學物聯網工程學院在對該專業實踐教學開展探索的基礎上,提出“構建借鑒TRIZ理論的物聯網工程專業實踐教學體系”,通過該體系的實施,全面提升物聯網工程專業學生的實踐創新能力、創業能力。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是由前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒所提出的,能夠幫助我們打破思維定勢、擴展創新思維的能力,是一種思想武器和方法。TRIZ理論認為“發明問題”的核心是解決“沖突”,在“設計過程”中不斷地發現沖突,利用“發明原理”解決“沖突”,才能獲得理想的“產品”[1]。培養物聯網工程專業創新型學生的核心也是解決“沖突”,此處的“沖突”是指瓶頸問題。

我們在對物聯網工程專業實踐教學體系的探索中,發現了其中相互聯系、相互制約的六大“沖突”,提出“構建借鑒TRIZ理論的物聯網工程專業實踐教學體系”,給出體系框圖并對對框圖中每一環節分別進行了闡述。

2 借鑒TRIZ理論的物聯網工程專業實踐教學體系

2.1 體系框圖

河海大學物聯網工程學院根據物聯網產業的發展需求、長三角地區物聯網應用實際情況、“211工程”高校的人才特點以及學校的行業優勢來制定物聯網工程專業的實踐教學目標[2]。借鑒TRIZ理論,指出影響物聯網工程專業實踐教學質量的六大“沖突”,在“物聯網工程專業實踐教學過程”中不斷發現“沖突”,不斷解決“沖突”,最終培養優秀的物聯網工程專業畢業生。該實踐教學體系的體系框圖如圖1所示。

圖1 借鑒TRIZ理論的物聯網工程專業實踐教學體系

由圖1可以看出,該物聯網工程專業實踐教學體系主要包含6個關鍵環節:

(1) 物聯網工程專業師資隊伍建設;

(2) 物聯網工程專業實踐課程建設;

(3) 物聯網工程專業實踐教材建設;

(4) 專業實驗室、實踐基地建設;

(5) 物聯網工程專業研究性實踐教學;

(6) 物聯工程專業雙創教育。

在該體系框圖中,物聯網工程專業師資隊伍建設為基礎、物聯網工程專業實踐課程建設為保證、物聯網工程專業實踐教材建設為媒介、物聯網工程專業實驗室建設以及課外實踐基地建設為平臺、開展研究型實踐教學為手段、物聯網創新創業教育為貫穿始終的主線。

2.2 物聯網工程專業師資建設

物聯網工程專業涉及到通信工程、計算機科學與技術、自動化等多專業的融合與提升,涉及到多門專業課程的匯聚和結合[3]。河海大學物聯網工程學院提出建設一支具有TRIZ創新精神的物聯網工程專業高水平的師資隊伍,主要包括7個方面,如圖2所示。

圖2 物聯網工程專業師資建設

(1) 建設物聯網工程專業碩士點和博士點。為了培養物聯網行業的高層次人才以及高水平的師資隊伍,河海大學物聯網工程學院在建設物聯網工程本科專業的同時,積極申報該專業的碩士點和博士點。目前,河海大學物聯網工程學院該專業的首屆博士研究生為2014年博士研究生,并且已經于2014年5月錄取完畢。

(2) 整合現有各專業師資。河海大學物聯網工程學院原有專業包括通信工程專業、電子信息工程專業、自動化、電子科學與技術以及計算機科學與技術等專業,這幾個專業恰恰與物聯網工程專業緊密相連,因此河海大學物聯網工程學院在開辦物聯網工程專業方面具有較好的先天條件。整合這幾個專業的優秀師資,能夠為又好又快地建設物聯網工程專業的師資隊伍開創良好的局面。

(3) 成立專門的二級機構。為更好地開展物聯網方面的教學、科研工作,河海大學物聯網工程學院分別成立了物聯網工程系、物聯網工程研究所2個二級機構。物聯網工程系、物聯網工程研究所的工作重點不同,集中優勢力量,因“師”施“教”,更有利于開展工作。

(4) 培養物聯網工程專業骨干教師。培養骨干教師是專業師資發展的重點任務,河海大學物聯網工程學院在培養骨干教師方面采取了一系列切實可行的措施,包括鼓勵教師深造、出國訪問、國內訪問、短期培訓、企業實踐以及校內培訓與交流等形式。目前,河海大學物聯網工程學院物聯網工程專業師資隊伍的76.9%的教師具有博士學位,15.4%的教師正在攻讀博士學位。此外,不僅鼓勵骨干教師積極申報各個層面的物聯網方面的研究課題,還在校內設立了若干相關的教育教學研究課題,比如,河海大學物聯網工程學院在2013年校內教改立項20項,2014年校內教改立項18項。

(5) 引進優秀的物聯網工程專業師資隊伍。2014年,河海大學物聯網工程學院擬招聘云計算、射頻技術以及傳感網等物聯網相關研究方向的高層次人才。在滿足基本條件的應聘者中,再進行綜合考察,實行“優中選優”,確保新引進的每一名教師都是優秀的師資。對于新引進的優秀師資,我校可提供一系列優惠政策,包括:①提供住房補貼、安家費;②提供科研經費,優先推薦高層次人才申報科研課題及科研成果獎勵;③提供開展教學科研工作的良好工作條件和工作環境;④實行跟蹤培養,優先提供國內外學術交流、出國進修等機會;⑤特別優秀的,可以直接聘用到教授、副教授、青年教授崗位;(6)校企聯合。河海大學物聯網工程學院積極與物聯網行業相關企業實行“互嵌”發展,一方面聘請物聯網行業相關企業的優秀人才或資深專家擔任兼職教師,另一方面選派骨干教師或學生到相關企業進行深入的交流,最終實現與物聯網相關企業間資源互享、人才互享、共同發展、共同提高。

(7) 培養精通TRIZ理論的物聯網工程專業師資。TRIZ理論是由前蘇聯人所發明并獲得蓬勃發展,TRIZ課程是前蘇聯理工科本科生、研究生的必修課程,甚至還設有TRIZ研究生專業。在美國,大多數院校都開設了TRIZ方面的課程。在北歐和西歐,許多院校也都開設了TRIZ課程。在日本、韓國,TRIZ理論也得到了迅速發展。我國目前也有許多高校開設了TRIZ相關課程[4-5]。目前在我國高校推行基于TRIZ理論的發明式教學最大的困難就是師資匱乏。因此,用TRIZ理論武裝現有的師資隊伍成為一個有效的解決方法,根據TRIZ理論方法研究教學方式、改革教學方法、以創新教育教學方式培訓專業教師,培養一批理論水平高、實踐能力強、精通TRIZ理論的物聯網工程專業師資隊伍[6]。

2.3 物聯網工程專業實踐課程建設

河海大學物聯網工程學院堅持“以學生為本”的基本原則,結合物聯網工程專業學科特點,狠抓物聯網工程專業實踐課程建設,主要包括以下3個方面[7-9]:

(1) 完善物聯網工程專業實踐課程體系。根據物聯網工程專業共性基礎和我校的特色,建設物聯網工程專業課程體系,如圖3所示。同時,為了強化物聯網工程專業本科生動手能力、創新能力的培養,完善實踐教學體系,河海大學物聯網工程學院以上述物聯網工程專業課程體系為基礎構建了物聯網工程專業的實踐教學課程體系,如圖4所示。

(2) 積極培育物聯網工程專業核心實驗課。為促進實驗教學內涵建設,提高實驗教學質量并為其他實驗課程教學提供示范經驗,河海大學物聯網工程學院今年著重建設了包括無線傳感器網絡實驗在內的3門核心實驗課。

(3) 立項建設實驗開放課程。為了更好地培養學生的創新能力、動手能力,河海大學物聯網工程學院積極探索開放式的實驗室管理模式。目前,河海大學物聯網工程學院已經通過立項的形式建設包括云計算實驗等課程在內的實驗開放課程4項,并發布了相關建設文件。

圖3 物聯網工程專業課程體系

圖4 物聯網工程專業實踐教學課程體系

2.4 物聯網工程專業實踐教材建設

由于物聯網工程專業是新專業,所以還比較缺乏合適的實踐教材。針對這種情況,我院物聯網工程專業的實踐教材的主要來源有4類:

(1) 主講教師負責編著適合本院物聯網工程專業學生使用的、能公開出版的實踐類教材;

(2) 主講教師自編相關實驗指導書,緩解一時之需;

(3) 采用其他已經公開出版的相關實踐教材;

(4) 鼓勵骨干教師編著適合物聯網工程專業使用的TRIZ教材。

2.5 專業實驗室、實踐基地建設

為了給本專業學生提供較好的實驗環境,河海大學物聯網工程學院通過立項的形式新建了若干物聯網工程專業實驗平臺,包括:

(1) 物聯網綜合應用云服務平臺;

(2) 傳感器實驗;

(3) RFID教學實驗;

(4) 物聯網嵌入式系統實驗;

(5) 嵌入式軟件綜合實訓平臺;

(6) 物聯網測控實驗;

(7) 智能家居綜合實訓平臺;

(8) 物聯網數據庫實訓平臺等。

此外,河海大學物聯網工程學院還積極建設實驗實踐基地。目前,已經建成2個國家級工程實踐教育中心、1個省級工程實踐教育中心、1個省級實驗基地和1個省級實驗示范中心。同時,聯合建設校內外實踐基地,根據學生意向,參加不同形式的企業工程實踐[10]。

2.6 物聯網工程專業研究型實踐教學

國際上,研究型教學的思想起源于德國。美國借鑒了德國大學的辦學經驗,注重教學與科研相結合、相統一。雖然研究型教學在我國高等學校中的推進過程經歷了初級、發展和深化3個階段,但是目前關于物聯網工程專業研究型實踐教學的研究比較少[11-12]。

河海大學物聯網工程學院針對當前物聯網工程專業辦學的現狀,積極開展研究型實踐教學,借鑒TRIZ創新思維,結合“國家特色專業”和“卓越工程師教育培養計劃”,確定物聯網工程專業創新型人才的基本要求和開展研究型實踐教學課程的基本教學目標,分析創新人才培養的各方面問題,包括內容設置、實踐方法、科研課題、研討內容等。

河海大學物聯網工程學院將物聯網工程專業研究型實踐教學分5個層次進行設計與管理,并提供雙重保障,如圖5所示。

5個層次分別為:

(1) 大一新生專業認知實踐教育;

(2) 實踐能力和實際操作能力的培養;

(3) 分析問題和設計能力的培養;

(4) 科研潛力和創新能力的培養;

(5)創業能力的培養。

雙重保障分別為課內保障和課外保障。

圖5 研究型實踐教學模式

2.7 物聯網工程專業雙創教育

河海大學物聯網工程學院積極探索對物聯網工程專業學生進行“雙創”教育的有效方法。“雙創”教育是指創新教育和創業教育,其培養體系如圖6所示。

圖6 物聯網工程專業雙創教育體系圖

從圖6可以看出,物聯網工程專業雙創教育培養體系主要包括8部分:

(1) 雙創課程建設。開設TRIZ理論、大學生創新思維、物聯網創新導論及實踐、職業生涯規劃等一批公共基礎課和選修課,鼓勵學生選修經管、財務、法律等跨學科課程[13]。

(2) 校園文化建設。校園文化建設配合雙創教育開展一系列宣傳教育活動。

(3) 定期講座。如我院舉辦的“大學生創新創業大講堂”,每月一期,一期一主題,比如專利的申請技巧、創新創業成功案例分析、國家政策解讀、常州市科技政策與人才政策解讀、物聯網產業最新進展等。

(4) 學生創新實驗室。由學生自主管理,制定章程,充分激發學生創新創業的潛能。

(5) 教師創新實驗室。教師主導,學生主體,教師帶領學生共同完成實踐課題。

(6) 學科競賽。借助多種學科競賽平臺,檢驗并提升學生的創新、創業能力,如“飛思卡爾” 杯全國大學生智能汽車競賽、“intel”杯全國大學生電子設計競賽嵌入式邀請賽、江蘇省電子設計競賽、國際大學生程序設計ACM/ICPC亞洲區域賽、“藍橋杯”全國軟件專業人才設計與創業大賽、中國大學生ICAN物聯網創新創業大賽、全國大學生嵌入式物聯網設計大賽、全國大學生數學系列競賽、美國數學建模系列競賽、全國數模系列競賽、江蘇省物理科技創新競賽、機器人系列大賽、全國大學生節能減排競賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、全國創業計劃系列競賽等。

(7) 責任導師4年不斷線。為每個學生班級配備的班導師除做好常規工作外,需要堅持4年不斷線地對學生進行創新創業能力的培養,不僅要對新入學的大一學生灌輸創新創業意識,對即將畢業的大四學生更要加強指導,并鼓勵畢業生滿懷創新創業的信心與恒心走向職場。

(8) 課外實踐。河海大學一方面為學生提供統一的課外實踐基地,另一方面鼓勵學生組成社團開展創新創業實踐活動。一方面注重在學期中多角度、全方位地培養學生的創新創業能力,另一方面鼓勵學生利用放假期間進行自我提升、自我實踐。

目前,河海大學物聯網工程學院培養的全國首屆物聯網工程專業畢業生升學、就業情況良好,除升學率達35%外,其余主要就業于與物聯網相關的企業、行業。畢業生能夠從事物聯網的通信架構、網絡協議和標準、無線傳感器、信息安全等的設計、開發、管理與維護,也可在高校或科研機構從事科研和教學工作。

3 結束語

分析了物聯網工程專業實踐教學面臨的6個主要問題,提出構建借鑒TRIZ理論的物聯網工程專業實踐教學體系,并給出體系框圖。該體系框圖主要包括物聯網工程專業師資建設、物聯網工程專業實踐課程建設、物聯網工程專業實踐教材建設、專業實驗室及實踐基地建設、物聯網工程專業研究型實踐教學、物聯網工程專業雙創教育6個環節,并在實踐的基礎上對每一環節進行了細化完善,可操作性強,能有效提升物聯網工程專業學生的創新精神、實踐能力和創業能力。

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Building practice teaching system for Internet of things engineering by using TRIZ theory

Wu Di1, Zhu Jinxiu1, Xu Ning1,2, Liu Jing1, Zhang Xuewu1, Jiang Bin1,Zhu Changping1

(1. College of IOT Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China; 2. Key Laboratory of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology, of Ministry of Education, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003,China)

This article has summed up a kind of practice teaching system for the Internet of things engineering by using the TRIZ theory for conference in practice and given the system block diagram.The diagram of the system mainly includes six links as follows: the Internet of things engineering teaching staff construction, professional practical courses construction, practical teaching material construction,professional laboratory and practice base construction,research-based practical teaching,the double entrepreneur education,and each link has been improved for many times.The practice results show that the implementation of the practical teaching system for the Internet of things engineering can effectively promote the practical teaching content of the Internet of things engineering and improve the Internet of things engineering students’ practice innovation ability and entrepreneurial ability.

Internet of things engineering; practical teaching; system block diagram; TRIZ theory

2014- 11- 04 修改日期：2015- 03- 10

The open research fund of Key Lab of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology (Nanjing University of Posts and Telecommunications),Ministry of Education(NYKL201305);河海大學常州校區2013年度教育教學改革研究課題(XZX/13A001-37)

吳迪(1980—),女,江蘇徐州,碩士,講師,主要從事物聯網領域的實驗教學和研究.

E-mail：wudihh@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)6- 0195- 05