物聯網工程專業實踐教學體系構建研究

陳 輝，劉向舉，蔣社想，劉喚喚

（安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽淮南 232001）

0 引言

為應對以新技術、新產業、新業態和新模式為特征的新經濟形態的快速發展，強化創新驅動，支撐服務“中國制造2025”等一系列國家戰略，自2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，為新工科建設和工程教育改革指明了方向。新工科建設一方面需要建設一批針對新興產業的新工科專業，包括大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、物聯網等，另一方面需要利用新興技術，如人工智能、大數據等對傳統工科專業進行改造升級，以滿足經濟發展的需求。新工科建設對工科人才培養提出了更高要求，尤其是實踐能力、創新能力、國際競爭力方面。物聯網作為新興產業和傳統工科專業改造升級的支撐技術，在新工科建設過程中具有重要地位。

物聯網工程屬于典型的新工科專業，自2010年開設以來為我國物聯網領域培養了大量專門技術人才，但由于其涉及多學科知識、涵蓋內容廣泛，在人才培養方面仍然面臨著諸多難題和挑戰。首先是專業定位和特色方面存在定位不準確、專業特色不明顯、與依托專業區分度不大等問題；其次是大多數高校物聯網專業的教師都是從其他相關專業調整而來，對物聯網相關理論和應用研究不夠深入，尤其是實踐應用能力欠缺；此外是人才培養方面存在教學體系不切合實際、實驗模式死板、缺少實戰技能訓練等問題，尤其是缺少有效的實踐創新能力培養機制。諸多因素導致學生畢業要求達成度偏低、就業競爭力不強，與培養目標有一定差距。

1 相關研究

針對上述問題，高等院校相關專業教育和管理人員對物聯網工程專業的實踐教學進行了一些探索和研究，起到了積極的推動作用。例如，文獻［5］［6］［9］針對物聯網工程專業特色不明顯問題，研究了構建專業特色課程體系的方法，指出應結合學校行業背景、地方經濟發展特點以及物聯網應用領域的特點形成辦學特色，避免物聯網專業人才培養同質化；文獻［7］［8］針對物聯網工程專業實踐教學存在的問題，基于CDIO 理念構建了由公共基礎課、學科基礎課、專業基礎課、專業課程、創新實踐教育組成的課程體系，但沒有明確各門課程間的聯系和支撐關系，只是簡單羅列了各組成部分所涉及的課程；文獻［10］針對傳統實踐教學體系中存在的問題，研究了新工科背景下物聯網工程專業的實踐教學體系，構建了由實驗教學內容改革、競賽和項目驅動、強化導師指導、校企聯合實踐基地建設以及激勵保障措施構成的實踐教學體系框架，但未對課程實踐環節進行探討；文獻［11］針對物聯網專業實驗教學的特點建設模塊化實驗教學案例，實現了跨專業教學，滿足了新工科背景下人才培養的需求，提升了物聯網實驗教學效果。

物聯網工程專業作為適應新興產業和新技術需求而設立的新工科專業，大多以計算機科學與技術專業為主要依托專業，部分高校以電子信息工程、通信工程等專業為辦學基礎。不同依托專業導致其專業培養目標存在一定差異，課程體系設置也會有所不同。從工程教育專業認證和國家一流專業建設的角度來看，物聯網工程專業應被納入計算機科學與技術學科。因此，本文以安徽理工大學計算機科學與技術專業為依托，針對目前物聯網工程專業實踐教學中存在的主要問題，系統梳理專業課程之間的關系，構建了多層次的物聯網工程專業實踐教學新體系，形成了3 個主要專業方向，為培養具有較強實踐能力和創新能力、滿足新經濟發展需求的物聯網專業人才提供支撐。

2 實踐教學中存在的主要問題

物聯網工程專業課程體系包括理論課程和實踐課程，前者培養學生掌握基礎理論知識和專業知識，后者培養學生運用知識解決問題和創新實踐的能力，與理論教學相互支撐。一般而言，理論課程的設置應具有良好的系統性和連貫性，包括通識課程、專業基礎課程和專業課程，相對應的實踐課程也應由易到難，循序漸進。物聯網工程專業涉及多學科領域，教學內容涉及面廣，與依托專業的交叉度高，然而目前其課程設置沒有很好地體現實踐課程體系的相對獨立性、連續性和完整性，實踐環節仍然沿用傳統的教學模式，具體體現在以下幾個方面：①實踐課程之間的關系不明晰，沒有針對物聯網專業的特點和培養目標進行系統構建，導致教學和培養目標不明確；②實踐課程設置沒有體現物聯網體系架構的特點，課程設置跳躍性較大，實踐環節之間孤立、缺乏連續性，導致學生學習困難；③實驗和實踐平臺沒有針對專業方向和特點進行建設，不能有效發揮作用；④開放實驗和綜合實驗環節設置不足，大多是實驗箱層面的知識點重現，沒有對相關專業知識進行綜合運用；⑤實踐教學仍然停留在實驗室層面，與工程實踐相結合的環節偏少，尤其是企業參與的實踐教學環節嚴重不足，導致學生的工程應用和實踐能力不強。上述問題在一定程度上影響了實踐教學效果和學生創新能力的培養，是物聯網工程專業建設過程中亟需解決的問題。

3 物聯網工程專業實踐課程體系構建

實踐課程教學新體系由課程實驗、課程設計、實習和實訓、科技創新實踐等部分組成，形成了從點到線、從線到面、從面到體逐層遞進的實踐過程。其中，課程實驗以知識點的形式鍛煉學生的動手能力，使其打牢課程的理論基礎并掌握重要知識點；課程設計環節以綜合運用某門課程的知識點解決問題為目標，實現核心知識的融會貫通；實習實訓環節針對某一復雜問題或應用案例，訓練學生綜合運用多門專業課程知識解決問題的能力，同時加強學生對企業需求的了解，達到校企之間的有效對接；在科技創新實踐部分，通過學科競賽、創新創業項目、科研訓練和企業項目等環節實現一定程度的理論和技術創新；最后通過畢業設計環節全面檢驗學生綜合運用專業知識的能力，培養其獨立分析問題、查閱文獻和資料、提出模型和方案、搭建和實現系統、解決實際復雜工程問題的實戰能力。

3.1 課程實驗

物聯網工程專業的培養目標是使學生在畢業后5 年內具備物聯網工程師的專業技能，勝任物聯網應用系統軟硬件的設計開發、系統測試、數據處理和項目管理等工作。因此，本文專業課程設置了3 條主線和專業方向，分別為物聯網感知控制（嵌入式）、物聯網應用端軟件開發和物聯網大數據處理。每個方向對應的主要課程為：①物聯網感知控制（嵌入式）：C 語言→匯編語言→單片機技術→傳感器技術→RFID 射頻識別技術→ZigBee 無線傳感器網絡（短距離通信技術）→嵌入式系統→物聯網控制；②物聯網應用端軟件開發：Java 語言→數據庫→WEB 應用開發→Android 應用開發；③物聯網大數據處理：Python 語言→數據庫→大數據技術→數據挖掘。

此外，相關專業基礎理論課程應包括數字邏輯、電路與電子技術、數據結構、計算機組成原理、操作系統、計算機網絡等。基于理論課程之間的關系構建出物聯網工程專業的實驗教學體系，其圍繞3 條主線展開，主線之間可以交叉，但應保證每條主線課程以及基礎理論課程之間的前后關系。構建的課程實驗教學體系如圖1 所示。可以看出，3 條主線對應實驗課程的前后銜接關系以及3 條主線之間的聯系，避免了課程實驗之間出現較大的跳躍性和不連續性。同時，課程體系體現了物聯網的3 層架構，即物聯網感知層（傳感器技術、RFID 技術、單片機技術等）、網絡傳輸層（計算機網絡、無線傳感器網絡等）、綜合應用層（數據庫、大數據技術、數據挖掘、WEB 應用開發、移動應用開發等），有利于學生在學習過程中循序漸進，系統掌握專業基礎知識與技能。

3.2 課程設計

課程設計是進一步加強專業基礎課程和核心課程理論知識教學的重要環節，是強化學生綜合應用能力的重要手段。以專業培養目標為出發點，對C 語言程序設計、數據結構、操作系統、計算機組成原理、數據庫等課程進行設計。此外，根據專業方向，以課程設計或大作業的形式開展嵌入式系統、物聯網控制、WEB 應用開發、移動應用開發、大數據技術、數據挖掘等課程教學，并設置物聯網綜合應用設計實踐課。課程設計教學體系如圖2所示。

Fig.1 Course experiment teaching system圖1 課程實驗教學體系

Fig.2 Course design teaching system圖2 課程設計教學體系

新課程體系既突出專業基礎課程和核心課程的重要性，又重視學生專業技能的訓練。其中，物聯網綜合應用設計實踐課程綜合運用物聯網感知層、傳輸層、應用層知識，結合專業特色和學校行業背景，有針對性地開展應用設計，如針對礦山人員進行定位、礦山安全監測和預警、礦山設備健康狀態監測、煤炭高效精準開采等開展物聯網綜合應用設計，使設計內容盡可能接近工程應用，有利于提高學生的工程實踐能力，也為后續畢業設計打下了堅實基礎。

3.3 實習和實訓

實習和實訓教學涵蓋從專業認知到專業技能應用的多個環節，包括認識實習、專業實習、畢業實習、校內實訓、企業實訓、科研訓練等。其中，認識實習環節主要針對低年級學生，使其對專業現狀有基本了解，具體包括物聯網在不同行業和領域的應用現狀，存在的問題以及發展前景。專業實習和畢業實習針對高年級學生展開，使其進一步將課本上學到的知識與生產實踐相結合，真正做到學以致用，在實踐中發現問題和解決問題，實現校園學習與企業需求的有機結合；同時，為了打牢專業知識基礎，通過校內實訓平臺開展為期2～4 周的實訓，對智能交通系統、智能農業系統、智能貨架系統、智能照明系統和人員定位系統等模擬項目進行開發和測試等。此外，通過開展企業實訓進一步打破學校與企業之間的壁壘，采用線上與線下相結合的方式對學生進行專業培訓，采用真實案例作為實訓內容，使學生以項目工程師的角色參加項目開發，并進行項目驗收和考核。該環節通過多途徑培養學生的團結協作能力、組織能力和動手實踐能力等。

3.4 科技創新實踐

為了培養學生的創新實踐能力和科研精神，需要通過多渠道、多平臺為學生提供鍛煉機會。一方面，專業課程體系中需設置科研訓練實踐課程和畢業設計環節；另一方面，學生必須完成一定的創新實踐學分，例如可通過參加學科競賽、學術報告或講座、創新創業項目、教師科研項目、企業合作項目等獲得相應學分，成果形式包括學科競賽獲獎、發表科研論文、授權實用新型專利、發明專利或軟件著作權、大學生創新創業項目結題報告、學術報告體會和總結等。

企業深入參與是科技創新實踐教學的重要途徑，通過深化校企合作和產教融合，共同建立實踐教學平臺，形成校企合作實踐創新教學的長效機制，為科技創新實踐教學提供強有力的保障。學生可根據實際情況選擇最合適自身的創新實踐活動，充分發揮特長和優勢，提高創新創業能力、科研能力以及獨立處理專業技術問題的能力。

4 實踐教學體系實施及其效果

針對物聯網工程專業構建的實踐教學體系形成了課內與課外、校內與校外不同形式的實踐教學環節。課程實驗嚴格按照課程大綱和實驗大綱執行，并在每一輪教學后通過課程組討論的形式對實驗內容進行修訂和完善。實驗成績按照學生課前準備、課堂表現和實驗報告質量綜合評定。課程設計內容按照教學目標設定，原則上一人一題，對于分組進行的課程設計必須明確小組成員的分工和設計內容，避免出現部分同學坐享其成的現象。課程設計成績按照完成質量評定，包括綜合運用知識能力、系統功能或算法創新性、答辯情況、設計報告質量等方面。實習和實訓環節采用校內、校外相結合的方式，一方面通過校內和校外的實習基地開展各類實習，另一方面通過校內實訓平臺和企業教育培訓機構進行項目開發實訓，也可以通過聘請企業導師進行線上項目實訓。目前，安徽理工大學已與多家企業和培訓機構建立合作關系，如新華三技術有限公司、富士電機（杭州）軟件有限公司、中軟國際、達內教育、云思教育等。大學生創新創業項目主要針對大二和大三年級學生開展，其可根據自身興趣點，在教師指導下自主申報不同級別的創新創業項目。學科競賽是提高學生創新實踐能力的重要抓手，教師從大一開始就引導學生積極參加各類學科競賽，營造全員參與創新實踐的氛圍，尤其是挑戰杯、互聯網+以及全國大學生物聯網應用設計大賽等，并制定相應的激勵措施。企業合作項目和教師科研項目主要針對學習成績突出、對科學研究有濃厚興趣的同學，實施精英培養模式，使該部分學生盡早接觸科學研究，為進一步學習和深造打下堅實基礎。例如，通過與新華三公司共建數字學院，與富士電機軟件公司共建聯合實驗室等實踐平臺，為學生提供更多參與企業項目開發和實踐的機會，其中與企業深度合作開發的基于物聯網技術的飲料售賣系統、基于云端的智能家電設備監控系統等使學生對物聯網架構、物聯網技術應用、企業項目開發流程有了更為深入的理解；通過參與教師科研項目，如礦山災害監測和云計算管理平臺，使學生在數據采集、傳輸和智能處理等方面的能力均得到較好的鍛煉和提升。

通過實施形式多樣、逐層遞進的立體式實踐環節，學生的實踐能力明顯提高，尤其在創新創業項目申請和獲批數量、學科競賽獲獎人數和等級、考研升學率、就業率以及對物聯網工程專業的滿意度等方面均有較大提高。近3年來，物聯網工程專業學生在實踐創新能力培養成果方面的數據統計如表1所示。

Table 1 Statistical data of practical teaching achievements in recent three years表1 近3年實踐教學成果統計數據

通過表1 可以看出，近3 年來安徽理工大學在大學生創新創業項目、學科競賽獲獎數量、研究生升學人數方面均處于較高水平，2018 年和2019 年本科就業率均為100%；2020 年由于受新冠肺炎疫情的影響，升學率和就業率均有所降低。此外，畢業生問卷調查結果顯示，連續3年專業滿意度均在97%以上。由此可見，構建的實踐教學體系合理有效，能夠很好地支撐物聯網工程專業學生創新實踐能力的培養。

5 結語

通過對物聯網工程專業實踐教學中存在的問題進行剖析，系統梳理了課程間的支撐關系，明確了專業方向和特色，構建了多層次的實踐教學體系。實踐結果表明，該教學體系可行性強、有效性高，能夠很好地支撐物聯網工程專業學生創新實踐能力的培養，可為其他高校物聯網工程及相關專業的實踐教學體系構建提供有益參考。為進一步驗證該實踐教學體系的有效性，未來需要加強實踐課程達成度的評價和分析，為持續改進提供依據。隨著新工科建設的不斷推進，實踐教學體系也應不斷調整和完善，在培養學生實踐創新能力和解決復雜工程問題能力的同時堅持立德樹人理念，為國家培養德智體美勞全面發展、適應新興技術產業和新經濟形態發展需求的高素質專業技術人才。