物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)方式探討

于蕾+李軍懷+王懷軍+周紅芳

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷推廣和應用，社會對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了許多要求。文章對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方式進行研究，介紹該專業(yè)學生的知識結構組成要素及要求，并就如何開展創(chuàng)新能力培養(yǎng)進行探討。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；創(chuàng)新能力；培養(yǎng)方式

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后另一個來勢迅猛的信息科技新浪潮，尤其是IBM于2008年提出的“智慧地球”和2009年溫家寶總理提出的“感知中國”概念為這一新興科技提供了更大的推動力，得到世界各國的日益重視。2010年9月，國務院正式確定了七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，以“傳感網(wǎng)”和“物聯(lián)網(wǎng)”為代表的信息網(wǎng)絡技術成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)——“新一代信息技術”的關鍵支撐。2015年“互聯(lián)網(wǎng)+”概念受到廣泛關注，其中物聯(lián)網(wǎng)是其重要的支撐技術之一。

教育部為滿足國家對這一戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)的需求，自2010年以來在150多所高校批準設立物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為一個全新的學科，其理論體系尚未健全，各高校物聯(lián)網(wǎng)學科建設和課程還在逐步發(fā)展和完善之中。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的特殊性和對復合知識的培養(yǎng)需要建立相應的課程培養(yǎng)和實踐體系，使得學生能夠更有針對性地完成對物聯(lián)網(wǎng)各個知識體系的總體性把握和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以適應國家對高素質人才的需求[1-2]。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標與課程體系

1.1 人才培養(yǎng)目標與要求

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是典型的交叉學科，涉及計算機、電子、控制、通信等多學科領域，并廣泛應用于各行各業(yè)。因此，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才必須具備扎實的基礎理論、寬泛的知識面、較強的實踐能力，并在信息感知、網(wǎng)絡通信、行業(yè)應用方面能力突出，才能符合新世紀物聯(lián)網(wǎng)工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求。這就要求在人才培養(yǎng)時，在塑造學生學術道德、職業(yè)道德、團隊精神和創(chuàng)新精神的基礎上，強化傳感技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、智能信息處理等基礎理論；深化傳感層、傳輸層與應用層關鍵設計等專門知識和技能；提高跟蹤新理論、新知識、新技術的能力以及創(chuàng)新實踐能力和從事科學研究的能力[3-4]。

1.2 專業(yè)體系結構

對于物聯(lián)網(wǎng)的組成結構，學術界已經(jīng)有一個共識，即物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層的主要功能是“感知”信息，即從物理環(huán)境中捕獲數(shù)據(jù)并對物理對象進行控制，其理論基礎主要涉及電子科學和控制學科；網(wǎng)絡層的主要功能是高效、安全、快速地傳輸數(shù)據(jù)，其理論基礎以計算機網(wǎng)絡和通信為依托；應用層的主要功能是將數(shù)據(jù)轉化為內(nèi)容提供服務，其實現(xiàn)技術主要依靠數(shù)據(jù)庫技術、軟件工程等。據(jù)此，必須從培養(yǎng)應用型人才的角度設計“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)的課程體系結構，如圖1所示。該課程體系結構以計算機科學為重點，并融入了電子科學、控制科學相關課程。

2 實踐能力培養(yǎng)的相關方法

作者認為專業(yè)人才培養(yǎng)方案取決于對專業(yè)的行業(yè)定位。物聯(lián)網(wǎng)技術屬于“集成創(chuàng)新型”技術，因此物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才應該屬于“工程應用型”人才。例如，2016年11月26日作者在中國三大招聘網(wǎng)站之一“前程無憂”上搜索“物聯(lián)網(wǎng)”，得到9 996條招聘信息。搜索“物聯(lián)網(wǎng)軟件”，得到了7 111條招聘信息，占比達到71%。而2017年4月9日再次搜索時，這兩個數(shù)字分別變?yōu)榱?2 610和8 720。從市場對人才的需求上印證了兩點：一是未來一段時間物聯(lián)網(wǎng)市場以網(wǎng)絡層和應用層的產(chǎn)品研發(fā)為主；二是用人單位考核一個物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)畢業(yè)生時，更看重的是工程應用領域實際工作能力。“工程應用型”人才培養(yǎng)，一定要從培養(yǎng)目標定位與課程體系的設計開始就重視培養(yǎng)適合學校教學與科研基礎且有特色性的能力，處理好理論教學與能力培養(yǎng)之間的關系，以增強畢業(yè)生今后的就業(yè)競爭優(yōu)勢。

2.1 多層次實踐體系的構建

在學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)中，需要緊緊圍繞課程體系，構建學生課外培養(yǎng)體系和科技創(chuàng)新能力的實踐模式。結合其他成熟專業(yè)的培養(yǎng)經(jīng)驗，以課外科技創(chuàng)新活動為突破口，建立創(chuàng)新培養(yǎng)的實踐環(huán)境和平臺，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，打造學生的就業(yè)核心競爭力。

具體研究和探索分為基礎實驗系列、驗證實驗系列、探索性實驗系列3個層次，如圖2所示。其主要的目的分別是奠定扎實的理論基礎、提高實際動手能力以及提高學生創(chuàng)新和科研能力。

2.2 創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方法

圍繞物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程體系和實踐體系，探索在“第一課堂”的基礎上，補充“第二課堂”實施能力培養(yǎng)的專項內(nèi)容，以進一步提高學生的綜合能力[5-6]。

1）制訂科學合理的課外培養(yǎng)方案。

具體的實踐可以結合創(chuàng)新學分探索、制訂多樣化培養(yǎng)內(nèi)容和完備的課外培養(yǎng)體系。課外培養(yǎng)體系主要包括：

（1）科研素質和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，重點面向少數(shù)成績好的學生，在科研活動過程中強化學生實際動手能力和實踐技能，培養(yǎng)學生將課本知識與實際問題相結合的能力。在實踐中通過親自動手，培養(yǎng)和提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，如參加教師的科研項目、參加科技講座、進行科研專題調查、發(fā)表學術論文、參與科技制作等；結合學校相關創(chuàng)新競賽活動辦法，制定具體的課外實踐與創(chuàng)新培養(yǎng)體系，形成完善的實踐與創(chuàng)新培養(yǎng)體系；從學生動手能力、就業(yè)等方面對學生進行培訓，為其提高創(chuàng)新能力提供幫助。

（2）專項能力培養(yǎng)，重點面向有特長的學生，利用專業(yè)實驗室和學院的一些創(chuàng)新實驗平臺，由專門的老師進行指導和培訓，提高學生專項知識能力，引導學生參加各級大學生數(shù)學建模、電子設計和挑戰(zhàn)杯等大賽。

（3）專業(yè)技能培養(yǎng)，主要面向需要增加就業(yè)競爭力的學生，通過引進校外培訓機構，開展諸如Java、C#、軟件測試等各種實踐技能培訓，考取專業(yè)技能證書等。

（4）人文素質培養(yǎng)，通過選修課、講座以及學校構建的通識網(wǎng)絡課程等多種形式，培養(yǎng)計算機專業(yè)學生的文學素養(yǎng)、藝術鑒賞能力、語言和文字表達能力等人文素質。

2）搭建有效的課外培養(yǎng)方案實施平臺。

在學院已有實驗室（如網(wǎng)絡工程、計算機系統(tǒng)結構、嵌入式系統(tǒng)、軟件工程、虛擬現(xiàn)實、高性能計算等）的基礎上，建立以“RFID綜合應用”“無線傳感網(wǎng)絡”“嵌入式系統(tǒng)應用”“移動應用開發(fā)”和“物聯(lián)網(wǎng)工程”為核心的物聯(lián)網(wǎng)工程實踐平臺。充分利用學院現(xiàn)有的各類實驗室，為本專業(yè)及相關專業(yè)的信息網(wǎng)絡基礎能力培訓提供支撐，為本科畢業(yè)設計、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗和參加國內(nèi)各類硬件大賽提供基本創(chuàng)新環(huán)境，為實施課外培養(yǎng)計劃和學生科技創(chuàng)新能力的實踐提供強有力的支撐。

3）充分利用導師制。

為了保證課外培養(yǎng)計劃的落實，要充分利用導師制加強學生和導師之間的溝通，讓學生參與到老師科研活動中，幫助導師完成基本工作，發(fā)揮導師的專業(yè)指導作用，調動廣大師生參與的積極性，為課外培養(yǎng)計劃的落實和學生科技創(chuàng)新能力的實踐提供保障。

3 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)案例分析

圖2說明了培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的3個步驟，即首先奠定扎實的理論基礎，再提高實際動手能力，最后提高創(chuàng)新、科研能力。

3.1 奠定扎實的理論基礎

扎實的理論基礎是后續(xù)發(fā)展的基礎，這些扎實的理論基礎包括：

（1）能夠將數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決物聯(lián)網(wǎng)工程中的實際問題。學生必須掌握必備的工程數(shù)學知識，能夠利用數(shù)學工具完成物聯(lián)網(wǎng)工程的建模、仿真、分析與優(yōu)化。因此，高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論及數(shù)理統(tǒng)計、離散數(shù)學、大學物理、電路與電子技術是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生的必修課。

（2）能夠綜合應用信息類、通信類、控制類3門學科的知識。學生必須具備扎實的編程能力，并能將該能力與通信及控制類學科知識相結合。因此，高級程序語言（包括C語言和Python語言）、面向對象程序設計、數(shù)據(jù)結構、數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設計、算法分析、計算方法、計算機組成原理、微機原理、軟件工程、信號與系統(tǒng)都是學生的必修課。

（3）能夠設計針對復雜物聯(lián)網(wǎng)工程問題的解決方案，設計與開發(fā)滿足特定需求的網(wǎng)絡應用系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)。學生能夠采用面向服務的體系結構建立物聯(lián)網(wǎng)上游的云服務，能夠建立可變、可回溯的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知（中游）過程，能夠建立物聯(lián)網(wǎng)終端（下游）的智能感知與數(shù)據(jù)采集方法。因此，物聯(lián)網(wǎng)概論、數(shù)據(jù)庫原理、Unix/Linux操作系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡編程技術、無線傳感器網(wǎng)絡原理、RFID原理及應用、傳感與檢測技術、無線網(wǎng)絡、網(wǎng)絡通信協(xié)議分析、智能感知與定位技術也都是學生的必修課。

3.2 提高實際動手能力

所謂動手能力實際包含兩方面的內(nèi)容：解決問題的思路、方法和驗證思路、方法是否正確的實驗方案，因此核心課程的實驗安排要緊扣這兩個主題展開。為了培養(yǎng)學生工程思維方法，核心課程實驗都以項目驅動作為主線，每個實驗又以問題作為向導，以實驗數(shù)據(jù)分析作為評判標準，引導學生建立起解決不同問題的不同思維方法。以RFID原理及應用課程的實驗設置為例，可以說明提高學生實際動手能力的培養(yǎng)思路。

首先需要明確RFID原理及應用課程的目標以及在工程實踐中需要解決的問題（見表1）。

針對以上目標和問題，在實驗教學中導入一個應用項目——基于RFID技術的移動學習系統(tǒng)，該項目也是教學團隊曾經(jīng)完成的一項科技公關項目（核心專業(yè)課的實驗多以老師的科研項目為背景）。通過對項目的簡化和分解，每一個子實驗會碰到表1中的若干問題，從而實現(xiàn)以項目為驅動、問題為向導的實驗教學（見表2）。通過整個實驗，學生不但掌握了解決常見問題的思路和方法，也鍛煉了使用工具去驗證自己思路和方法的能力。

3.3 提高創(chuàng)新科研能力

“第二課堂”是學生拓展知識、鍛煉能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神的重要平臺。該平臺涵蓋了學科競賽、社會實踐、學術交流等多個分支，要想提高學生的創(chuàng)新科研能力就必須用足、用好這個平臺。

首先，在學科競賽方面，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生精心規(guī)劃了在大學四年中可以參加的各個級別的競賽（見表3），并在學生剛入校時進行深入地宣講。大一到大四有不同級別和方向的學科競賽，根據(jù)學生的能力水平選擇不同類型競賽，因材施教，從易到難逐步鍛煉學生的創(chuàng)新科研能力。由于學科競賽對于培養(yǎng)學生分析問題的能力、解決問題的能力、動手能力、工程實踐能力等有著強有力的促進作用，我們的課程實驗設置也做了相應調整。例如，核心課程的實驗內(nèi)容必須以老師的實際科研項目為背景展開（如3.2中的闡述）；綜合實驗選用歷年競賽題目等。

從2012年至2016年我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生獲得的競賽獎項數(shù)量分別為2項、4項、5項、5項和6項，參與的學生人數(shù)達到了32人，平均每年有5人參賽獲獎。這些參賽獲獎的學生也帶動了班級其他同學的學習熱情。

其次，不能參賽的同學通過社會實踐和學術交流平臺也能提高創(chuàng)新科研能力。學校通過努力，在多家物聯(lián)網(wǎng)高新企業(yè)建立了校外實習基地。低年級學生通過參觀了解物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)示范基地、物聯(lián)網(wǎng)高新技術企業(yè)，了解物聯(lián)網(wǎng)技術在經(jīng)濟社會發(fā)展中的作用；高年級學生通過在企業(yè)的實習提高自己的動手能力和工程實踐能力。同時，為了保證社會實踐環(huán)節(jié)的質量，學校會對學生的實踐表現(xiàn)采用打分的方式形成學生的成績。

4 結 語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是為滿足國家對新興戰(zhàn)略型人才需求而設立的新專業(yè)，構建科學合理的創(chuàng)新與實踐模式是人才培養(yǎng)的重要保證。本文總結了我們在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生培養(yǎng)中的一些探索，希望能為該專業(yè)的建設和改革提供有價值的參考和借鑒。

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（見習編輯：景貴英）