新工科背景下物聯網工程專業實踐強化教學探索

魏葉華，張連明，萬求真，魏書寧

（湖南師范大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410081）

0 引 言

物聯網技術的發展由人機交互，轉變到了人與人、人與物、物與物的信息交換，萬物互聯成為了可能。隨著5G、NB-IoT、LoRa、SigFox 等技術不斷發展和應用，物聯網技術由概念逐漸落地應用，在各行業都有廣闊的應用前景。為適應物聯網人才需求，自2010 年設立物聯網工程專業以來，目前已有400 多所院校開設了這一專業。作為一個新設置工科專業，沒有成熟培養方案可參考，加上涉及技術領域較多，難度較大，在專業教學上，多數高校仍在探索中前行。怎樣結合各自特色和專業特點，探索物聯網教學改革，強化實踐教學，培養適合行業需求的新型工科人才，仍具有很強的現實意義。

1 強化實踐教學的意義

我國工程教育規模已位居世界第一，有力支撐了我國工業和經濟發展。為實施人才強國戰略，2010 年教育部實施了“卓越工程師教育培養計劃”項目，培養創新能力強、適應社會經濟發展的高質量工程人才。為適應新的產業變革，服務創新驅動發展，推動工程教育改革，教育部2017 年發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，號召各高校開展新工科研究與實踐，培養適應產業發展和國際競爭的高素質工科人才[1]。實踐能力的培養是卓越工程師和新工科建設的重要內涵，是高等工程教育變革形勢所需，也是作為新興工科專業的物聯網工程的重要需求。

物聯網具有實踐性強和學科交叉的特點，是理論與實踐并重的新興技術[2]，應用范圍覆蓋環境監測、智慧城市、智能家居、智慧農業等諸多行業，解決領域應用需要開發人員具有堅實的物聯網理論基礎和良好的工程設計能力。物聯網教學中的實踐能力培養是工程設計和創新能力的重要保證。

綜上所述，無論是在行業對物聯網應用型人才需求上，還是工科人才培養變革趨勢上看，物聯網專業人才培養勢必要強化實踐性。注重專業基礎知識的同時，要強化培養實踐技能[3]，由知識型培養到知識技能型轉變，培養物聯網工程高級專門人才[4]。

2 物聯網實踐教學存在的不足

目前，物聯網工程專業培養目標、模式等仍在探索階段[5]。有些高校走出了自己的特色，形成了品牌，也存在許多高校落入傳統理工科培養模式，無法彰顯專業特點，人才培養與企業需求脫節[6]。結合物聯網工程專業培養經驗和調研，對物聯網教學特別是實踐教學存在的不足梳理如下。

（1）課程體系缺少整體規劃，未突出物聯網專業特點[5]。課程體系建設上多是增設無線傳感器網絡、RFID 原理及應用等物聯網相關課程，而計算機網絡、通信原理、嵌入式系統等多數課程是從計算機、通信等專業移植過來，未結合物聯網工程特點進行再設計再融合。課程顯得較為雜亂，學生抓不住重點，易產生專業迷茫。

（2）理論與實踐教學缺少系統性規劃，未突出物聯網技術上的銜接和關聯。物聯網作為新興技術，真正從事物聯網研究的教師并不多，大部分教師也并未參加過系統的物聯網技術培訓，課程講授多按原有模式孤立講授各個知識點；實踐教學上基本也是各自為政，未能從物聯網系統上整體設計實踐方案。學生對物聯網應用系統缺少整體認知，難以從系統上理解、消化和應用各知識點。

（3）實踐教學模式較為傳統，課時不足，未能體現專業的工程性及創新能力培養需求。許多學校仍然以理論教學為主，課程實驗為輔，實踐教學形式單一，停留在驗證性實驗上。實踐教學多是按實驗講義開展，學生缺少自主性，不夠深入，學生解決工程問題的能力得不到鍛煉[6]，不利于學生創新和工程實踐能力培養。

（4）學分構成和學生評價比較傳統，在正向促進學生對工程實踐能力和創新能力提升著力上仍顯不足。學分構成除常規基本實驗和實習外，仍以理論課程為主，考試成績仍是決定性因素，反而強化了學生重理論輕實踐的意識。新工科建設背景下，培養解決復雜工程問題的高級物聯網工程人才，需要加大實踐能力在學生評價中的比重。

3 實踐強化教學探索

物聯網工程是多學科融合的交叉型新興學科，綜合了計算機科學與技術、通信工程、電子科學與技術等多個學科。物聯網體系結構通常劃分為感知層、傳輸層、網絡層和應用層4 個層次，涵蓋傳感器、嵌入式系統、無線通信、網絡、數據處理及云計算等多種技術，學習難度大。為適應高等工程教育變革所需，結合新工科建設內涵，對物聯網工程專業教學模式積極探索，不斷強化實踐教學，在夯實基礎之上，努力提升學生的工程設計和創新能力。校企合作，建設企業實習實訓基地是一種有效實踐方式，這里主要探討校內實踐教學。

3.1 體現多元實踐的培養方案

與多數高校基本類似，我校物聯網工程專業課程劃分為公共基礎、學科基礎、專業核心、專業任選課程及實踐課程等幾個主要模塊，但在專業建設中高度重視學生實踐和創新能力培養，不斷調整優化實踐教學形式和內容，構建了“基礎實驗—電子工藝實習—專業實驗—綜合實訓—課程設計—創新實驗—學科競賽—科研項目—專業實習—畢業設計”等多元實踐教學體系，從物聯網基礎，到專業強化，再到實踐能力提升，漸進全面培養學生的工程實踐能力。

除基礎實驗、專業實驗和專業實習外，大二開展為期1 周的電子工藝實習，每位學生自主焊接和編程智能小車等作品，既鍛煉了動手能力，又激發了專業學習熱情；大三開設了32 個課時1 個學分的綜合實訓課程，依據實驗室智慧交通、智能家居等物聯網平臺，自主選擇實訓課題，提高物聯網技術和知識的綜合運用能力，增強系統開發能力；大三下學期開展了2 周的物聯網課程設計，設計物聯網應用小系統，鍛煉知識自主運用能力，培養分析問題和解決問題能力。此外，為培養學生實踐和創新能力，增加了2 學分的創新創業課程，并列為了必修課程，邀請企業經驗豐富工程師參與講授。

3.2 多課程協同教學體系

物聯網工程專業課程分布于計算機科學與技術、軟件工程、通信工程、電子科學與技術、控制工程等多個專業。學生需要掌握信息采集接口編程、傳感器組網、嵌入式系統開發、無線通信、數據庫、Web 開發等相關技能，什么都要學，繁雜而困難，難以從系統角度學習和掌握各科知識，迷茫而無方向感。為此，應以項目開發為驅動，構建多課程協同的教學體系，加強各課程融合，提高學生知識點綜合運用能力。

課程來源于其他學科，容易產生課程內容和講授方式原樣照搬現象，缺少專業性設計和融合，學生學完后難于綜合統籌。以實驗室智能監測系統這一綜合項目為出發點，將項目劃分為幾個子模塊，每個子模塊關聯知識點映射到具體課程，任課教師在原有課程內容基礎上，增加相關知識點的講授，并修改相應的課程實驗大綱，設計子模塊相關知識的驗證或應用實驗。如感知層的溫濕度、PM2.5 等傳感器原理和采集的A/D 轉換電路部分，分別對應電子技術和傳感器與檢測技術課程；溫濕度等感知數據采集和處理、攝像頭云臺控制等接口和控制程序設計對應到單片機原理及應用、數據挖掘等課程；傳感器節點組網、通信、識別等相關知識對應到無線傳感網原理及應用、RFID 原理及應用等課程；系統網關相關的操作系統、圖形界面開發等對應到嵌入式系統、無線傳感網原理及應用等課程；監測數據處理、存儲和展示等對應到大數據技術、Web 開發、Java程序設計和數據庫系統等課程。經過項目知識點分解，講授做到有的放矢，實現課程上有機聯系和專業融合，突出物聯網工程專業特點。

通過多課程協同專業課程體系建設，學生可從物聯網系統角度去理解并掌握各門課程重點。在專業課程學習結束，綜合各課程知識，自主重現智能監測系統，并撰寫分析和設計文檔，由點到面，形成了物聯網工程思維。

3.3 線上線下混合教學模式

培養方案中總課時是固定的，為強化實踐教學，增加電子工藝實習、綜合實訓課程和創新創業課程后，勢必擠占其他課程學時。為優化學時分配，保證各科教學效果，以教學模式變革彌補課時變化，探索并實踐了線上線下混合教學模式。經專業教師研討，確立了幾門試點課程，如Java 程序設計、數據庫系統等課程，理論教學課時壓縮到32 課時，基礎實驗壓縮到16 課時，借助EduCoder 綜合實訓平臺，增設對應的實訓課程，任課教師設計、發布實訓題目，學生注冊后自行在課下完成，平臺自動記錄詳細的完成情況，評判分數。經過兩學期試行，學生反映良好，受益頗多，實訓記錄也可作為課程成績評定依據，改變了單一的理論考試評價方式。

3.4 突出自主的實踐教學條件

要提高學生動手能力、解決工程問題的能力，僅僅進行理論學習是無本之木。專業經過幾年建設，已形成“基礎實驗—專業課實驗—綜合實訓—眾創空間”等較為系統的多層次實驗實踐平臺，為實踐教學提供了有力支持。

我院具有計算機、通信工程等多個本科專業，嵌入式系統、計算機網絡、通信原理等課程實驗條件已經成熟，但多是按原專業需求建設，根據物聯網工程專業教學需要，須升級部分設備，如嵌入式系統設備不再以實驗箱形式，購置開發板模塊組，學生可以帶回宿舍自主學習。另外，要修改現有實驗設計和講義，增加物聯網綜合系統所對應的相關知識點實驗，并提高設計實驗比重，突出學生自主性。

除基礎課程實驗室外，要建設無線傳感器網絡、RFID 技術等物聯網專業實驗室，支持感知、傳輸、組網和計算4 個層次相關技術實驗。為進一步提高實踐能力和系統開發能力，學院建設了智能交通、智能家居、工業監測等綜合實訓平臺，開設物聯網系統綜合實訓課程，在教師指導下，強調學生自主開發，系統功能重現；為提升學生創新創業能力，與企業共同建設了“眾創空間”開放實驗室、省級大學生創新創業教育中心，提供各類元器件、物聯網開放套件及輔助設備，對有志于工程開發和應用創新的學生全天候開放。

此外，為突出實踐重要性，借鑒歐美高校做法，增加課程項目，以小組為單位，既加強了知識運用能力，又鍛煉了團隊精神，不再僅僅以期末考試進行課程評價，提高學生對設計型實驗的興趣。

3.5 競賽與項目提升實踐

高素質新型工科人才需要具備較強的工程實踐能力和創新精神，專業堅持每個學生均能成才的理念，同時注重學生個性化發展，因材施教，實施了“綜合實訓項目—創新實驗項目—學科競賽—科研項目”等多類型實踐和創新項目形式，對學有余力的學生，在完成專業實踐、實習基礎之上，鼓勵積極參與教師科研課題、參加學科競賽和申報各類創新創業項目。

學科競賽能夠激發學生創新意識，鞏固和強化專業知識，增強動手能力，已成為高校重要實踐教學環節，是培養高素質創新型人才的重要途徑。我院牽頭組織了校物聯網應用創新設計大賽、計算機程序設計大賽，且分別有對應的省級賽事。除此之外，還鼓勵學生積極參加電子設計大賽、創青春、挑戰杯、互聯網+等各種比賽。以競賽任務為驅動，充分發揮了學生主觀能動性，使用所學物聯網知識和技能，設計和實現自己的創意或競賽組題目，有效提升工程實踐能力和團隊精神。

各類實踐創新項目也是培養解決工程問題能力的重要方法。專業要求所有大二以上學生必須申報或參與申報校級大學生創新創業訓練計劃項目，擇優推薦到省級。對學業優秀，學有余力，熱愛科研的同學，安排參與教師科研項目，并實施了拔尖創新人才培養計劃，實行導師制、課題制培養。另外，實施了項目制課程，將教師科研項目向本科生開放，學生根據興趣選擇，達到要求后給予相應學分。通過項目的開展，培養了創新思維、科研素質，充分鍛煉了分析、解決問題的能力。

4 結 語

自2014 年我校開設物聯網工程專業以來，經過幾年來不斷探索，通過課程體系優化，實踐教學強化，實驗實踐條件改善，競賽和創新項目開展，學生工程實踐能力得到了明顯提升，提高了創新精神和團隊合作意識。物聯網工程作為一個新專業，無成熟建設經驗參考，加上涉及多個學科，融合具有難度，專業將繼續不斷深化教學改革，強化實踐教學，為社會培養基礎扎實，工程實踐能力強，具有創新精神的物聯網領域高素質新型工科人才。