物聯網專業網絡課程實驗教學研究與實踐

(安徽師范大學數學計算機學院，安徽 蕪湖241000)

0 引 言

近年來，隨著開設物聯網工程專業的高校不斷增多，如何圍繞物聯網專業的人才培養目標，結合物聯網專業人才的社會需求，重構物聯網專業中的計算機網絡課程的教學內容及體系成為物聯網產業界和教育界廣泛關注的課題之一[1-2]。根據IEEE-CS/ACM 發布的CS2013 來看，計算機網絡不僅是計算機科學、軟件工程、網絡工程等專業的基礎課程，同時也是目前云計算、社會計算、物聯網和移動互聯網等新興技術的重要基石。綜觀國內，主流的計算機網絡實驗教學模式主要采用基于OSI 參考模型，圍繞計算機網絡的基本思想、基礎架構、基礎協議的教學實驗。這一教學理念主要沿襲了早期PC時代的計算機網絡實驗課程設置，難以滿足當前的物聯網專業建設需要，普遍存在的問題是系統能力培養不足，缺少前沿網絡知識等。相比于國內，國外的計算機網絡實踐課程教學通常以項目為驅動，注重學生的獨立思考能力和創新能力的考核[3]。

鑒于國內的教學現狀，我國計算機教育工作者，根據目前計算機學科背景的變化，已經做出了相應的教學改革，如江南大學的盧先領等人[4]結合物聯網時代的需求，提出了優化計算機網絡課程教學的一些改革措施;中國礦業大學的胡青松等人[5]根據礦山物聯網的泛在感知需求，提出了面向礦山物聯網的“計算機網絡”課程教學模式;杭州電子科技大學的王相林[6]認為，不同的信息類專業需要采用不同層次的計算機網絡課程教學體系。先前的研究主要關注宏觀層面的教學改革，本文主要結合我校物聯網專業網絡教學的實踐，圍繞物聯網專業網絡實驗課程“教什么、怎么教”兩個主要問題，提出并確立了以系統能力培養為目標的物聯網專業計算機網絡實踐課程改革總體規劃，重點在以下3個方面開展了具體的教學實踐:1)以系統能力培養為導向，重構計算機網絡的實踐教學內容體系;2)以提升實踐能力培養水平為突破，采用了基于行業案例的實驗教學模式;3)采用在線測試與課程組綜合評估相結合的計算機網絡實驗考核方法。

1 計算機網絡在專業課程中的地位及實踐教學體系

物聯網專業的網絡實驗內容主要涉及計算機科學技術、軟件工程、電子工程、通信工程等工科專業。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一定的不足[7]。經過調研發現，當前高師院校的物聯網實驗教學環節在實驗相關課程的融通性、工程訓練的實效性方面有待于進一步增強。

根據國際IEEE-CS/ACM的關于物聯網工程及應用專業的人才培養素質的建議，物聯網專業人才應具備4種基本的能力:1)計算思維能力;2)算法設計與分析能力;3)程序設計與實現能力;4)物聯網系統的認知、分析、設計與開發能力。計算機網絡課程在物聯網專業課程及實踐課程中的地位如圖1所示。從圖1可以看出，物聯網專業課程總體上分為基本理論與專業基礎類和工程與技術實踐類兩大類。前者主要使學生具備基于計算思維的物聯網認知與研發基礎;后者主要以社會需求以導向使學生掌握物聯網系統開發能力。這種課程設計的依據是教育部計算機科學與技術教學指導委員會關于工程及應用的基本理解。物聯網工程的根本目標是如何構建低成本、高效率的自動系統;物聯網技術的根本問題是如何方便有效地利用系統實現面向不同行業的物聯網服務。根據國內專家吳功宜等人的觀點，物聯網專業是由計算機學科派生而來，主要目標是培養工程與技術人才，因此，物聯網專業的實踐類課程成為專業課程的關鍵[2，7]。隨著計算機學科的發展及物聯網專業建設的客觀需求，物聯網工程專業人才特別需要充分理解物理空間與信息空間的一體化趨勢，并具備跨學科的思維創新與設計實現能力。圖1表明，計算機網絡及實踐課程在物聯網專業課程群中處于核心地位。

圖1 計算機網絡課程在物聯網專業中的核心地位

鑒于計算機網絡在物聯網專業課程中的地位，相應的實踐教學改革成為當前的現實需要。圖2是本文設計的針對物聯網專業的計算機網絡實驗教學體系。

圖2 物聯網專業的計算機網絡實驗教學體系

在圖2的實驗教學體系中，圍繞專業人才培養目標，對實驗理念和內容等進行了全面考慮[7]。在教學效果的考核、評價方面，主要采用兩種途徑:一是組建本碩博一體化的課程教學綜合評估小組，將單純的實驗教學考核融入到專業的教學實踐體系中;二是通過學校與學院的教學督導，對實驗課程的質量進行全面監控。

2 計算機網絡課程實驗教學體系的實踐

2.1 基于CDIO的網絡實驗教學理念

CDIO代表構思(conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，是以產品研發到產品運行的生命周期為載體，以培養學生主動實踐的工程能力。由于網絡課程的內容貫穿于物聯網專業的四年本科學習，因此，在物聯網工程專業的實踐教學體系不同階段有效融入網絡課程的實驗內容具有必要性。課程實驗主要屬于計算機網絡的課內實驗，課外科技活動包括各類專業活動、學科競賽以及科研活動等。實驗課程是獨立開設的實踐教學課程，主要包括工程訓練、企業實踐以及畢業實習，要求學生具有較高的專業技能社會適應度。在實際教學過程中，主要通過網絡課程教研組方式實施對于學生網絡內容的掌握與運用。如圖3所示，基于CDIO的網絡實驗教學方式能夠有效解決“產學脫節、學用脫節”這一問題。

圖3 基于CDIO的計算機網絡實驗內容與專業實踐有機融合

2.2 基于行業案例的實驗模式

由于物聯網具有全面感知、可靠傳輸、智能處理的特點，被廣泛應用于智能電網、交通、物流等領域。智慧城市是物聯網最為典型的多域應用場景。智慧城市通過全面感知、互聯互通實現城市經濟、社會資源的優化配置和智能管理，確保城市管理服務的高效與人民生活質量的提高。智慧城市是城市現代化和信息化發展的高級階段，是復雜的社會系統工程。物聯網專業的網絡課程教學實驗通過與蕪湖市的相關部門展開基于行業的校企合作實驗教學模式，能夠使物聯網專業的學生直接與社會需求最強勁的行業對接。蕪湖市的智慧城市創建目標是緊緊圍繞全面轉型、率先崛起、富民強市的發展主線，建設“創新、優美、和諧、幸福”型智慧城市，建設內容包括智慧基礎設施、智慧公共服務、智慧產業經濟。主要任務是推進實施“1336 工程”，即“一個中心、三項工程、三大體系、六大基地”。建設一個市政務云計算中心;實施智慧城市基礎設施建設工程、智慧城市公共信息平臺建設工程、智慧城市應用示范工程三大工程;建立智慧城市信息運營服務體系、智慧城市標準規范保障體系、智慧城市專家咨詢與知識支撐體系三大體系;建設服務外包產業基地、共享容災備份基地、新興信息技術產業基地、現代化物流基地、IT 實訓基地、智能裝備和產品研發與制造基地等六大基地。這些目標和任務為人才培養提供了良好的機遇與實踐平臺。在日常教學、工程訓練、專業實習、畢業設計等實踐環節中有意識地加強相關的內容，并帶領學生積極參與專業相關的企業實踐、學術論壇等，這些做法大大提升了學生的專業水平。

2.3 面向過程的實驗考核方式

在高校計算機課程教學過程中，實驗成績的評定是非常重要的。由于高校人才培養的多元化特點，采用統一的總結性評價難以全面反映學生的真實情況。為了在計算機網絡的實際教學過程中取得最佳的效果，采用面向過程的實驗評定方式能夠科學合理地判定學生的實驗成績。為了科學公正地評估學生的實踐技術，我們主要引入基于云計算的在線測試形式以及計算機網絡課程組綜合評估的方式。前者針對模塊化的靜態網絡知識點進行實施;后者主要全面考核學生網絡知識的創新運用、系統集成能力。通過這兩種方式的有機結合，在一定程度上科學合理地反映學生在計算機網絡課程的綜合能力及水平。

3 結束語

隨著中國物聯網產業的強勁發展，高校需要大力培養物聯網技術專門人才，完善物聯網人才的培養體系。由于計算機網絡在物聯網專業中的重要性，本文以安徽師范大學物聯網專業的計算機網絡實驗教學為例，探討了如何實施物聯網專業的計算機網絡的課程學習，提出了基于CDIO的網絡實驗教學理念、基于行業案例的實驗模式以及面向過程的實驗考核方式。近年來，根據我們參與的學科競賽，諸如工業和信息化部人才交流中心主辦的“藍橋杯”、互聯網應用創新開放平臺聯盟主辦的首屆物聯網創意大賽取得的成績來看，我們提出并實施的計算機網絡實驗課程的教學改革有助于提高物聯網專業的人才培養質量。

[1]王志英，周興社，袁春風，等.計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J].計算機教育，2013，9:1-6.

[2]趙傳信，王楊，陳付龍.物聯網專業實踐課程建設探討[J].電腦知識與技術，2012，8(12):2 922-2 924.

[3]劉悅，孫潤元，荊山.中美高校的計算機網絡課程教學對比[J].計算機教育，2013(1):58-61.

[4]盧先領，毛力.物聯網時代的計算機網絡教學改革初探[J].無錫職業技術學院學報，2014，13(1):38-41.

[5]胡青松，耿飛，劉偉，等.面向礦山物聯網的“計算機網絡”課程的教學重構[J].電氣電子教學學報，2013，35(3):30-32.

[6]王相林.分層次的計算機網絡課程體系建設[J].計算機教育，2011，(6):20-23.

[7]王楊，許勇，趙傳信，等.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.