基于CDIO 的物聯網工程專業實踐教學體系的研究與實踐

崔貫勛，王 勇，王柯柯，何亞輝，馬 勇

（1.重慶理工大學計算機科學與工程學院，重慶 400054；2.重慶理工大學信息與教育技術中心，重慶 400054；3.重慶理工大學圖書館，重慶 400054）

物聯網被稱為計算機和互聯網后的第3次信息化產業革命性發展的浪潮。美國將物聯網上升至國家戰略，歐盟發布了物聯網戰略研究發展藍圖，日本把物聯網發展鮮明地寫上國家通訊發展策略，韓國樹立了通過構建世界最先進的物聯網基礎實施、打造未來廣播通信融合領域超一流強國的目標，我國也將物聯網上升為重要戰略性新興產業。2010年6月7日，胡錦濤總書記在中國科學院第十五次院士大會、中國工程院第十次院士大會上發表重要講話，指出“要抓住新一代信息網絡技術發展的機遇，創新信息產業技術，以信息化帶動工業化，發展和普及互聯網技術，加快發展物聯網技術”。物聯網專業建設是社會需求發展的必然，是我國當前一項重要的戰略任務。推動物聯網發展，不僅要從國家戰略的高度考慮，也要從全球化的目標考慮，從不斷增強我國經濟實力與國際競爭力的角度考慮［1］。然而，目前我國從事物聯網行業的人才匱乏，尤其缺少從事物聯網核心產品研發、物聯網項目集成實施與管理、物聯網項目解決方案設計等方面的人才。產業發展，人才先行，人才是科技發展的關鍵。為了培養國家戰略性新興產業發展需要的高素質專門人才，教育部設置了物聯網工程專業。

1 物聯網工程專業實踐教學中存在的問題

物聯網專業作為培養戰略性新興產業發展所需要的高素質人才的新專業，在專業建設和人才培養2個方面還存在很多不足，主要表現在缺少公認的、系統的基礎理論和實踐教材，課程建設尚未形成體系，師資力量極度缺乏，實驗平臺與實訓室建設標準不規范等［2］，在具體的實踐課程教學中存在如下一些問題。

（1）缺乏切合實際的成熟的實踐教學體系。物聯網工程作為新專業，專業課程如何設置，以及實踐教學如何開展，尚沒有成熟的經驗可供借鑒。物聯網專業的知識體系、課程體系、工程實踐和人才培養等方面都還是一片空白，各個高校的人才培養方案差別非常大，開設的課程也五花八門。市場上物聯網的教材少之又少，實踐教學的教材就更少，再加上物聯網工程是新專業，以及物聯網實驗設備都非常昂貴，各個高校基本上都沒有完善的實驗環境。

（2）重理論輕實踐。2005 年10 月有一份報告稱，我國適合在國際化公司工作的高校畢業生不到高校培養的工程技術人才的10%，其原因是我國教育系統偏于理論，學生很少受到團隊和項目工作的實際訓練，而北美和歐洲學生更能以團隊方式解決實際問題。

（3）開設了實驗項目，但實驗效果欠佳。引導學生在心智和操作技能方面共同發展是實踐教學的最終目的，二者都不可缺少。然而，目前的實驗教學將實驗技能歸結為實驗操作技能，將十分具體生動的實驗技能硬目標不知不覺變為知識性的軟目標，實驗活動所需要的觀察、設計、數據處理等心智技能很少得到關注，學生也養成了“照書本做實驗，離開書本什么都不會”的不求甚解的實驗習慣，因此學生的綜合、設計、創新等實驗能力呈現出下降的趨勢。

（4）實驗平臺復雜，一些實驗難以開展。許多物聯網實驗需要多臺設備才能構建一個合適的環境，這大大增加了實驗室管理和維護的難度，所以在實踐中搭建的環境往往都比較簡單，但這會使實驗在數量上受到限制，實驗效果也大打折扣。

（5）實踐教學中知識跨度大，學生容易產生懼怕心理。物聯網工程專業是一個涉及計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感技術等多個信息領域的綜合性專業，實驗要綜合運用這些技術，某個技術沒掌握好或者不感興趣，就可能導致整個實驗很難開展。

（6）傳統的課堂教學難以適應物聯網工程專業實踐教學內容的獨特性。物聯網實踐教學中的絕大多數實驗在2節課的時間內是無法完成的，并且有些實驗是緊密聯系的，后面的實驗要在前面實驗的基礎上實現，這給實踐教學的實施增加了難度。

2 基于CDIO 的物聯網工程專業實踐教學

2.1 基于CDIO 的物聯網工程專業實踐教學模型

CDIO（conceive構思，design 設計，implement實現，operate動作）是近年來國際工程教育改革的最新成果，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。按照工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力4個層面培養學生的工程能力，運用綜合培養的方式使學生達到4個層面的預定目標。根據實踐教學體系的關鍵要素，為使物聯網工程專業學生的素質得到全面提升，通過對文獻［3－7］的研究，將如圖1所示的集教學理念、教學主體、教學過程、教學層次和評價機制五位為一體的工程化實踐教學體系模型，運用于物聯網工程專業的實踐教學中，形成一個融基礎理論、實驗教學、工程實踐為一體的整體化培養機制，以全面體現工程化能力和職業素質培養的思路，以適應物聯網產業的需求。

2.2 基于CDIO 的物聯網工程專業實踐課程體系

物聯網工程是計算機科學與信息技術、通信工程、微電子學、檢測與自動化和儀器科學與技術多個學科的融合的學科。它們分別對應物聯網的信息處理、傳輸、感知和控制技術，其知識體系如圖2所示［8］。

圖1 五位為一體的物聯網工程專業實踐教學體系模型

圖2 物聯網工程專業知識體系示意圖

物聯網工程專業的培養目標是培養具備電子技術、現代傳感器和無線網絡技術、物聯網相關高頻和微波技術，掌握有線和無線網絡通信理論、信息處理、計算機技術、系統工程等基礎理論，掌握物聯網系統的感知層、傳輸層、支撐層和應用層關鍵設計等專門知識和技能，并具備在本專業領域跟蹤新理論、新知識、新技術的能力以及較強的創新實踐能力，成為能夠從事物聯網領域的系統設計、系統分析、系統維護與管理和產品研發的高等工程技術人才。這樣的培養目標決定了其實踐教學內容具有較強的專業性、綜合性、設計性和創新研究性，本著“厚基礎、重實踐、強能力”的教學思路，以CDIO為教學理念，通過讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，來培養物聯網工程專業學生的工程基礎知識、個人、人際團隊和工程系統4個層面的能力。根據物聯網工程專業的知識體系和培養目標，結合物聯網工程專業的實踐教學模型，形成了如圖3所示的物聯網工程專業的實踐課程體系。

圖3 物聯網工程專業實踐課程體系示意圖

3 物聯網工程專業實踐課程體系實施的關鍵

3.1 實踐教材的建設

物聯網是教育部新設的專業，教材是課程的基石，而目前公開出版的物聯網教材非常少。可以由出版社聯合有技術實力的高校教師和企業技術骨干，通過校企合作的方式，結合學校的特點和產業需求的實際編寫具有行業特色的教材。

3.2 物聯網工程專業的師資隊伍建設

優秀的師資隊伍是確保物聯網工程專業開設的前提。物聯網是典型的交叉學科，高校教師精通物聯網相關的多方面的專業知識的教師非常少，各個高校都出現了師資匱乏的問題。要解決這個問題，除了引進國內外高層次人才以充實教學隊伍外，還可以直接從有技術實力的物聯網企業聘請技術人員作為學校的兼職教師為學生授課，同時讓電子、計算機、通信等相關專業的教師組建物聯網興趣課程群組，分別確定研究領域和研究方向，并組織這些教師到物聯網研發技術強的企業接受培訓，以提高教師的專業技能［9］。

3.3 物聯網實驗室建設

實踐是檢驗真理的唯一標準，夯實硬件是開展物聯網實驗教學與研究的基礎。由于物聯網專業是新開設的專業，沒有一個成熟的方案和經驗可供借鑒，各個高校都在探索課程如何設置、實驗室如何建設。物聯網是電子、計算機、通信等多個學科交叉的專業，因此物聯網實驗教學可以在充分利用嵌入式實驗室、電子電路實驗室、軟件工程實驗室、網絡工程實驗室等學科專業實驗室的基礎上，新建RFID、傳感器、物聯網應用技術等實驗室來解決。對有技術實力的高校，可以組織骨干教師參與企業項目，合作開發有本校特色的物聯網實驗箱和物聯網實驗室產品，來完成實驗室的建設，而對于技術實力不足的高校，可以購買企業研發成功的設備，再組織相關教師到這些單位接受培訓，以提高教師技能［10］。

3.4 物聯網實踐教學研究與改革

教育部設置物聯網工程專業是為了培養高素質專門人才，以適應國家戰略性新興產業發展的需要。實踐課程是培養大學生動手實踐能力最主要的途徑，而物聯網工程專業是新開設的專業，目前沒有成熟的經驗和方案可供參考，各個高校都處于探索階段，這樣的開設背景決定了其專業建設的超常規性。如何改革課程教學方法、如何建設課程體系、如何制定教學大綱、如何建設實驗室、如何組織教材編寫、如何評價課程教學效果、如何改革和創新管理體制與運行機制以及和哪些企業建立生產實習基地等，必須同步整體加以推進，而不能按部就班地進行，否則就會在信息產業的革命浪潮中貽誤戰機。

4 結束語

根據物聯網技術的知識體系結構及CDIO 的特點，研究了物聯網工程專業的實踐課程體系，在充分體現物聯網技術特征與物聯網產業應用需求的同時，也充分考慮了對相關專業的繼承和拓展，強化實踐訓練，突出能力培養，采用層次化和模塊化設計，兼顧培養研究型、工程型和應用型人才。學校可以根據自己的辦學定位和學生的實際情況，選擇其中的某些專業方向來培養學生。通過對該專業學生的綜合分析，證明該實踐課程體系是行之有效的，它能激發學生對實踐的興趣和求知欲。通過實踐教學，既鞏固了課堂知識和促進了學生主動獲取課外知識拓寬知識面，又培養了學生的創新能力、分析問題和解決問題的能力，對于提高實踐教學質量、促進物聯網工程專業的實踐教學改革有著重要作用。

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