面向高師院校物聯網工程專業的實驗教學策略研究

王楊　殷曉斌　陳付龍　趙傳信　陳少軍

[摘 要]近年來，計算學科中的物聯網工程專業建設受到教育界的廣泛關注，但是師范院校的自身特點制約了高師院校在物聯網專業人才培養方面的發展。針對這一現狀，借助CDIO的教育理念，以安徽師范大學物聯網工程專業分層實驗策略與“安徽師范大學皖江學院——中軟國際物聯網CDIO實驗室建設”實習中心建設項目為案例，提出了如何在高等師范院校引入分層實驗教學與項目嵌入式教育環境構建的實驗教學策略，以增強學生的系統開發能力。

[關鍵詞]高師院校 CDIO 中軟國際 物聯網工程

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）14-0132-03

物聯網工程專業是教育部為服務國家戰略性新興產業而開辦的新型專業，覆蓋計算機、控制、通信技術、信息安全、系統工程等領域，是計算學科發展的必然。[1]由于其強勁的社會需求與學科發展的需要受到了高等院校和企業界的共同關注。近年來，部分高校、高職、高專院校以及獨立學院紛紛設立了“物聯網工程”、“傳感網技術”等相關專業。從產業的未來需求來看，由于物聯網在交通、物流、水電等領域的廣泛應用前景，相關企業對物聯網工程專業方面的人才需求十分迫切。從物聯網專業人才的培養目標來看，本科生人才的培養類型可以分為理論創新型、工程應用型和綜合技術型。其中工程應用型是物聯網專業人才培養的主流。[2]從國內當前的物聯網工程專業人才培養現狀來看，面向高師院校的物聯網工程專業人才的長效機制尚未形成。由于物聯網專業具有很強的工程應用背景，因此面向高師院校的計算學科的物聯網工程化教育面臨三大挑戰：（1）如何把計算機科學作為工具學科的教育潛在觀點轉化為計算類的系統學科教育觀點；（2）如何在保持計算學科核心課程的前提下，擴展計算學科的外延課程，增強計算學科的社會服務能力；（3）如何在增強計算專業優勢的基礎上，開展計算學科與其他學科之間的交叉性研究工作。上述三大挑戰在高等師范院校的物聯網專業建設方面表現得尤為明顯。因此如何在高等師范院校構建有效的物聯網工程專業人才培養機制是一個迫切需要解決的計算學科教育重大問題之一。[3] [4]本文主要探討在面向高師院校如何實施物聯網工程專業人才培養的實驗教學策略問題。

一、高師院校物聯網工程實驗教學現狀及分析

物聯網工程專業工程實驗課的內容主要涉及控制科學與工程、計算機科學與技術、信息與通信工程。相比于工科院校，高等師范院校培養物聯網工程專業人才在實踐方面有很大的不足。[4]具體表現在畢業生的工程實踐能力偏弱、行業應用背景知識匱乏、項目經驗不足等問題。這些問題的存在嚴重地影響了高師院校計算學科快速發展。根據我們的調研發現，目前的高師院校的物聯網實驗教學環節存在以下三個方面的問題：（1）實驗教材強調課程的完整性，忽視了相關課程之間的融通性。先前的實驗教材通常是一個獨立的知識體，強調知識的全面性，忽略課程之間的相關性。學生難以系統地實現課程知識體系。（2）強調計算機原理性知識的學習，缺乏工程性方法的系統訓練。傳統的實驗課程教學往往突出原理性知識的實驗呈現，往往沒有融入一套有效的工程性構建方法。學生雖然知道了基本概念，卻難于實現具有一定規模的實驗。（3）強調分析式教學，忽視了系統綜合式實驗教學。教學內容主要采用分析性教學方法，往往缺乏工程性的方法。進一步結合相關畢業生的訴求和ACM/IEEE-CSJointTaskForce的觀點[2]，我們認為產生這些問題的原因是多方面的，具體的原因主要包括：（1）高師院校長期辦學的傳統理念的制約；（2）高師院校的非師范計算機專業學生的行業視野受限；（3）課程設置與教學方法缺乏針對性；（4）工程應用背景知識匱乏；（5）教學實踐環節相對較弱。[3]工程技術人才的培養除了必要的基礎理論知識之外，更重要的是通過實踐教學培養學生動手操作能力。而計算學科的實踐教學需要具備二個條件：一是熟悉實踐操作的教師；二是實驗實訓的設備、基地。目前真正具備這兩個條件的師范院校較少，這導致高質量的物聯網工程專業建設難以開展，以致教學質量偏低。上述5點主要原因導致高師院校在物聯網專業人才培養質量與工科院校相比，在人才規格上具有一定的差距，并進一步導致發展空間受到一定的限制。根據著名軟件TheodoreY的觀點，“科學家發現世界上已經存在的事物，而工程師創造世界上從未存在的事物”，這一觀點與當前國際上最新的工程項目成果CDIO工程教育理念是一致的。[7]我們認為，面向高師院校的物聯網工程專業建設尤為需要引入CDIO的工程教育理念。CDIO包含構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）幾個方面的內容，它以產品研發到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的理論、技術與經驗。其教學大綱滿足美國、加拿大和其他華盛頓協議國家職業工程師組織對工科教育的要求，其教學框架體現了創新的教育思想。面向高師院校的物聯網專業建設的CDIO能力培養內容如圖1。

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圖1 物聯網工程實踐中的CDIO能力培養內容

二、高師院校物聯網專業實驗的分層策略

物聯網實驗的目標是基于當前通用的軟件硬件技術平臺，通過實驗全面地展現物聯網相關技術。由于傳統的計算機實驗室環境受限，以及時間、成本、復雜度等方面的限制，物聯網的相關實驗內容只能在物聯網的感知層、網絡層和應用層相關技術中進行篩選。我們將物聯網的實驗歸入三類實驗平臺之上，具體內容如表1。

表1 物聯網三類實驗平臺及內容

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在實驗教學中，為保證每個學生都能更好地理解物聯網課程知識，兼顧不同層次學生的求知需求，提高實踐教學質量，我們采用了層次化的實踐教學策略，分別為基礎實驗、設計性實驗、課程延伸實驗。下面以物聯網嵌入式系統的教學為案例進行介紹。

（一）基礎實驗

基礎實驗使用EL-JY-II型計算機組成原理實驗箱，以“基板+開放式CPU板”的形式構成實驗平臺。在實驗教學過程中，要求學生根據功能結構圖和實驗目標，分析概括實驗步驟，完成實驗內容，寫實驗小結。在實驗箱上完成的主要是原理驗證性實驗，設計性實驗在實驗箱上是難以進行的。

（二）設計實驗

為降低設計實驗難度，可使用FPGA進行嵌入式的設計實驗，要求學生利用硬件描述語言進行邏輯設計。首先在PC機上利用EDA工具進行功能仿真，最后下載到芯片中進行功能測試。整個設計實現過程，不僅使同學們初步了解硬件芯片的設計、制造、調試和運行維護的過程及相關技巧，更增強了學生理論聯系實際的能力。對于這類實驗，學生的興趣較大，不僅完成既定設計目標，有的學生還提出了獨特的設計方案，有利于學生創新能力的培養，為后續課程的學習和科研工作奠定基礎。

（三）拓展實驗

在嵌入式系統實驗中，微程序控制是課程設計中的一個難點，由于微程序控制單元看不見、摸不著，學生對涉及的許多概念如：微程序入口地址、微指令格式、下址等概念難以理解，通過設計、調試、下載和驗證過程，可以深刻理解微程序控制嵌入式系統的本質，了解軟硬件協同工作的原理，建立整機的概念，可以培養學生完成工程項目的能力。我們的做法是將此內容與畢業設計有機結合在一起。

在上述的分層實驗策略中，我們一方面將課程的基礎知識借助實驗箱進行鞏固，另一方面將CDIO實驗理念分別融入設計實驗與拓展實驗中。由于物聯網課程內容的系統化與復雜性，因此后兩類實驗更具實效性。

三、物聯網工程專業的工程教育環境構建策略

根據全國高等師范學校計算機教育研究會提出的教育創新的需求[6]，物聯網工程專業的工程教育環境需要采用新的視角加以構建。下面以安徽師范大學皖江學院與中軟國際公司的合作項目為案例，介紹高師院校如何依托企業構建物聯網工程專業的教育環境。中軟國際是中國大型綜合性軟件與信息服務企業，提供從IT咨詢服務、IT技術服務、IT外包服務到IT培訓的“端到端”軟件及信息服務。

因此，為了有效實施物聯網工程實驗環境的建設，我們與中軟國際合作，共同構建物聯網CDIO實驗培訓基地，雙方以項目的形式加以實施。這種合作方式有效解決了高等師范院校的工程教育環境的建設問題。將CDIO的教學理念既融入學科課程體系安排和整體教學實施上，還滲透在具體專業課程的教學實踐中。

在構建了基本的物聯網工程實驗環境的基礎上，我們還引入了基于物聯網工程應用背景的項目教學法。指導學生主持創新和創業類實踐課題，進行“實戰性的項目開發，帶領學生參加各項設計類競賽”，以賽促學，學以致用，對學生進行科學思維的訓練，養成良好的工作習慣和工作作風；充分利用各種平臺，開展學科前沿交流，拓展學生視野，鼓勵學生探索學科前沿領域，激發學生的探索意識和創新精神，培養學生的主體意識，提高學生獨立解決現實問題的能力，使之成為適應社會發展需要的實用型人才。這些具體舉措使得CDIO的內容全方位地融入物聯網人才培養中來。從已有實際效果來看，本文提出的教學策略具有較好的成效。

四、結語

如何構建面向高師院校的計算機工程技術人才培養體系是目前高等師范院校學科建設與專業發展過程中所面臨的重大課題之一。這需要改變師范院校以往理論強、實踐弱的局面，充分發揮團隊協作優勢，增強學生創新能力的培養。我們針對高等師范院校在工程技術人才培養方面的不足，結合安徽師范大學物聯網專業建設的具體實際，借鑒CDIO教育理念進行了面向高師院校的工程教育改革的有益嘗試，并進行了具體實踐，取得了一定的效果。今后我們將進一步深化加強物聯網工程教育環境的建設，吸收新的工程教育理念，培養社會需求的，與國際接軌的現代化物聯網綜合性工程技術人才。

[ 注 釋 ]

[1] 周曉聰，衣楊，賴劍煌.計算機科學與技術專業綜合實踐課程教學模式探索[J].計算機教育，2014（1）：60-63.

[2] 王楊，許勇.高師院校非師范計算機專業人才培養新途徑[J].計算機教育，2010（8）：4-10.

[3] ComputerScienceCurricula2013FinalReporthttp：//robotics.st？鄄anford.edu/users/sahami/CS2013/.

[4] 陳付龍，齊學梅，羅永龍等.創新能力驅動的層次化計算機硬件課程群構建與實施[J].大學教育，2014（2）：39-42.

[5] 吳恭興，劉文白，張寶吉等.基于CDIO模式的卓越工程師培養方案的探索與實踐研究[J].大學教育，2013（9）：7-10.

[6] 教育部，高等學校計算機科學與技術專業教學指導委員會.忠于使命積極努力承上啟下改革創新[J].計算機教育，2011（21）：1-9.

[7] EdwardF.Crawley，查建中，JohanMalmqvist，DorisR.Brod？鄄

eur.工程教育的環境[J].高等工程教育研究，2008（4）：13-21.

[責任編輯：鐘 嵐]