基于工程實踐能力培養的物聯網綜合實訓教學模式研究

吳志剛++張書欽++王海龍

摘 要：鑒于社會對物聯網工程應用型人才的巨大需求，文中對基于工程實踐能力培養的物聯網與嵌入式系統綜合實訓教學改革進行了系統、深入的探索。以工程實踐能力培養為核心，并分別從綜合實訓的前提條件、教學目標、教學模式、教學內容設計、課程考核和教學保障等方面進行了分析與論述。五年的實踐經驗表明，工程化的綜合實訓教學能夠達到物聯網工程專業應用型人才培養的要求。

關鍵詞：物聯網；嵌入式系統；工程實踐能力；綜合實訓；教學模式

中圖分類號：TP399；G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-0-03

0 引 言

作為國家重點發展的戰略性新興產業，物聯網技術廣泛應用于工業、農業、軍事等多個領域，但目前物聯網工程專業的技術人才十分匱乏。作為一門處于初創期的學科，物聯網工程專業的人才培養模式、課程體系建設、教學模式等方面都在不斷嘗試和探索[1，2]；在物聯網應用領域，企業需要從業者具有深厚的理論基礎、較強的工程實踐能力和一定的經驗積累[3]。實訓作為實踐教學體系中的重要一環，在物聯網工程專業的人才培養中起著至關重要的作用。通過實訓，學生將所學的理論知識與社會實際需求結合起來，真正做到學以致用。中原工學院在物聯網工程專業人才的培養模式、課程體系建設和實踐教學等方面經過多年研究，摸索了一套基于工程實踐能力培養的物聯網與嵌入式系統綜合實訓教學模式。

1 綜合實訓教學模式實施的前提條件

物聯網工程專業屬于典型的多領域交叉學科，涵蓋了計算機科學、電路與電子技術和網絡與通信工程等多門專業的核心知識[4]，物聯網與嵌入式系統綜合實訓涉及十幾門課程，若采用傳統的教學模式，教學內容多、學時少，執行難度大。為此，教學團隊經過多次調研，反復論證，從全局考慮，從以下幾方面入手，進行學生自主學習能力和實踐動手能力的進階訓練，為有效落實綜合實訓奠定了堅實的基礎。

1.1 開放綜合實訓成果展示室，以學生帶動學生，激發學生的求知欲和探索激情

“興趣是最好的老師”，一個人一旦對某事物產生了濃厚的興趣，就會主動求知、探索、實踐，并在求知、探索、實踐中產生愉快的情緒和體驗，從而激發學生的潛力和創造力，讓學習持續進行。因此，教學團隊為了讓學生盡快了解、認識物聯網實訓，我院專門設置了歷屆學生軟硬件實訓成果展示室，并對外開放。每件成果都清晰標明成果簡介、設計理念和團隊成員、成果參賽所獲獎項和獲獎感言等，并安排團隊成員負責咨詢與解說，以激發學生的探索激情。借助實物，其效果遠好于集中給學生做動員工作。

1.2 從一年級著手學生自主學習能力、算法設計與編程能力和實踐動手能力的培養

綜合實訓的很多課程都無法在課堂上系統學習，需要學生課下自主學習。顯然，學生的主動性、自主學習能力和動手能力是影響其學習效果的關鍵因素[5]。為此，針對我校學生特點，采用如下措施培養學生的自主學習能力、算法設計與編程能力和實踐動手能力：

（1）從一年級新生入學開始就教育、引導學生訓練自主學習能力和實踐能力。

（2）積極主動參加各層次的學科競賽或大學生科技創新活動，并以此來檢驗學習效果，然后進一步提高興趣、促進自主學習。

在準備競賽或參與科技創新活動的過程中，學生或獨立或團隊協作訓練邏輯思維能力、算法設計與編程能力、團隊協作能力以及分析問題、解決問題的實踐動手能力，為綜合實訓打下堅實基礎。

2 綜合實訓的教學模式

我校物聯網與嵌入式系統綜合實訓是在學生完成主要專業課程的理論學習和主要技能實訓后，綜合運用本專業的主要知識和技能在校或實訓基地集中完成物聯網技術開發的綜合性、整體性、系統化訓練的教學過程。其主要目標是以“學以致用”為基本原則，以能力培養為核心，通過項目化的綜合實訓培養學生綜合運用物聯網應用系統的開發技術、方法和工具，培養能勝任物聯網相關技術的研發及物聯網應用系統規劃、分析、設計、開發、部署、運行維護等工作，提升學生技術應用能力和初步職業能力等，以便學生能利用較短的時間適應社會和企業要求。通過近5年的沉淀與積累，綜合實訓已形成穩定、可操作的實踐教學模式，這種教學模式包括三個階段，即準備階段、執行階段和考核與總結階段，其中每個階段又涵蓋多個教學環節，如圖1所示。

2.1 綜合實訓準備階段

準備階段一般在第5學期期末，主要完成與實訓相關的開發技術培訓、實訓開展方式和學生選題與分組說明，目的是讓學生對綜合實訓所涉及的相關技術、開發工具、實訓題目、學時分配、實訓管理制度以及階段性的檢查內容和考核方式有一個較為清晰的了解和認識。

關于實訓選題的設計。綜合實訓旨在培養學生在物聯網應用系統中進行規劃、設計和研發的工程實踐能力。因此，實訓教學采取以項目為核心的組織方式，精心設計的綜合項目以物聯網體系結構為核心，覆蓋典型感知層、網絡層和應用層的設計及開發技術等典型專業知識點。為進行針對性訓練，我們將實訓項目按其涵蓋知識內容歸納為無線物聯網、嵌入式物聯網和移動互聯網三大類。在每一大類中選擇5～7個不同類型的實訓題目，這些課題主要來自于指導老師的科研項目，或者企業實際需求，抑或是社會服務項目。每屆也會適時增加一些緊跟技術發展趨勢的新項目、舍去部分舊題目，以擴充、完善實訓項目資源庫。

在準備階段，學生選題與分組對整個實訓的教學效果和教學質量將產生重要影響。為避免學生在自愿選擇項目組時，動手能力強或弱的學生過度集中在某個項目組，導致實訓項目無法正常進行，我們約定每個項目組分配4～6名學生，動手能力強弱的學生均衡搭配。由指導教師選擇本組1名動手能力和組織協調能力較強的學生作為組長，并由組長根據學生能力均衡原則，選擇本組項目成員，未被選擇的學生需重新選擇或等待二次分配。

項目組長作為本組項目經理，在指導教師的領導下，全權負責項目的開發進度、總體規劃、成員的角色分配，主持召開每周項目例會，負責項目組師生之間的溝通與協調，以及項目組成員的考核。endprint

2.2 綜合實訓執行階段

執行階段是整個綜合實訓教學的重點，直接決定實訓的教學效果和教學質量。在該階段，學生在指導教師的指導下，嚴格按照物聯網工程項目展開，涵蓋項目需求分析、方案設計與實施及項目管理等環節，由組長帶領團隊成員按照項目進度和項目分工，分步完成實訓項目的設計與開發任務。指導教師僅在項目的技術線路和關鍵技術等方面給予及時引導，旨在培養學生對物聯網應用系統的項目規劃與工程實施能力、團隊協作能力及自主學習能力。

為解決綜合實訓學時不足問題，實訓時間采用分散與集中相結合的模式。由于第6學期學生還有理論課的學習，而1～10周主要利用課余時間分散進行，學生自主學習，因此項目組長應主持每周項目例會、布置階段任務，組織成員匯報、討論項目方案和撰寫相關階段性技術文檔，并隨時與指導教師交流，及時解決存在的問題。集中實訓安排在11～14周，集中進行項目完善、驗收和撰寫實訓報告。

由于實訓大部分時間都在課外，需要執行實訓過程監管、嚴格監督才能保證實訓任務順利完成。為此，學院設置一名專職的實訓督導教師，負責實訓的日常管理，實時跟蹤實訓教學的執行過程，及時發現并解決學生在實訓過程中遇到的各種問題。

2.3 綜合實訓考核與總結階段

考核與總結是實訓教學的最后階段，在該階段，每個項目組需提交系統設計文檔和系統源代碼。每一位成員需提交給指導老師一份符合規范的實訓報告，并由指導教師結合每位學生的出勤、階段表現和實訓成果給予相應的考核成績，然后統一參加實訓答辯組的系統驗收和答辯。答辯組對每名學生的實訓成果進行驗收和答辯，并參考指導教師給出的成績對該名學生給出實訓總評成績。

實訓結束后，每位指導教師組需要完成一份實訓總結匯報，對本次實訓中存在的問題進行分析和反思，總結經驗和教訓，以便改進。為了全面評價綜合實訓教學效果，在實訓結束后一周內，我們會組織學生對實訓效果和教學質量進行綜合評價，包括指導教師的責任心、教學水平、指導質量、學術水平以及實訓項目內容、個人在本次實訓中知識和能力方面的收獲等各項指標進行綜合評價。通過綜合評價發現問題，查找不足，及時改進。

3 綜合實訓教學的保障條件

再好的教學模式如果沒有完備的保障體系來支撐也無法實施。因此，我們從實驗室、師資、教學監督與評價和師生管理等方面建立有效的保障體系。

3.1 整合原有硬件實驗室的優勢和經驗，構建滿足不同需求的綜合實訓平臺

從2009年始，學校陸續購買了一批應用廣泛的無線傳感器網絡開發設備和3G移動互聯終端開發設備，在整合原有嵌入式系統實驗室、EDA實驗室等基礎上，新建無線傳感器網絡實驗室、物聯網綜合應用實驗室等，實現物聯網系統的硬件綜合實踐平臺和綜合應用實踐平臺全覆蓋，可搭建包括傳感器、無線傳感網絡和RFID的完整物聯網系統。目前基本滿足學生的課程實驗和各類實訓需求。

3.2 建立結構合理的指導教師隊伍

為保障綜合實訓教學的順利實施，我們廣泛吸收了具有實際應用背景的教師參與到物聯網實訓教學中來，并聘請2名實踐經驗豐富的企業技術人員組成教學團隊，該團隊中教授占7%，副教授占26%，講師占56%，助教占11%，其中擁有雙師素質的人才占89%，碩士占83%。對現有教師通過課程培訓和下廠實踐鍛煉，以滿足其理論知識和實踐技能教學需要。

3.3 建立完善的管理制度

為保障綜合實訓的各項教學活動有序推進，學院制定多項政策予以支持，主要體現在以下幾方面：

（1）物聯網與嵌入式系統綜合實訓課程設置有6個學分，并制定計算機學院“物聯網與嵌入式系統綜合實訓”學生考勤辦法和學生成績考核辦法，要求學生足夠重視這門課，認真按照要求完成綜合實訓任務。

（2）制定計算機學院“物聯網與嵌入式系統綜合實訓”選題與評審管理辦法，要求所有的選題必須符合綜合實訓的選題要求，并且通過選題評審小組答辯，才能正式確定為實訓題目。

（3）制定計算機學院“物聯網與嵌入式系統綜合實訓”指導教師管理與考核方法，設置一名實訓督導教師，專門負責實訓的日常管理、實訓教學安排和指導教師考核等。

（4）制定計算機學院“物聯網與嵌入式系統綜合實訓”教學評價辦法和信息反饋機制，組織學生對實訓教學效果和教學質量進行綜合評價，多渠道及時反饋存在的問題，監督指導老師認真履行職責。

4 結 語

我校物聯網與嵌入式系統綜合實訓從2010級開始，至今已執行完5屆。從歷屆學生到校外實習和就業情況看，越來越多的學生選擇到北京、上海、廣州、杭州和南京等大城市從事本專業的研發工作，說明學生對專業能力更加自信，就業面更寬，敢于挑戰的勇氣源于學生自身扎實的專業知識、熟練的技能以及較強的綜合實踐能力和實踐經驗。后續需要對實訓教學模式進行深入研究，給學生提供更多的社會實踐機會，使我們的綜合實訓更接近企業生產實際，在強化學生工程實踐能力的同時，積累寶貴的實踐經驗，以便盡快適應工作。

參考文獻

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