“三位一體”的物聯網工程專業進階式實踐教學改革研究

張 奕，程小輝，金 紅，劉亞榮

（桂林理工大學 信息科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

物聯網工程是一個多學科融合、面向系統級工程應用的新興學科，物聯網工程專業相關技術與知識具有更新速度快的特點。與傳統應用型人才所具有的理論基礎扎實、實踐能力強的特點相比，物聯網工程人才還應具有學習能力與創新能力強的特點[1]。因此，作為物聯網人才培養主體的高等院校要積極推進物聯網及相關專業的建設與發展，集中物聯網相關專業的優勢設備和技術并將其高度融合，以滿足人才市場需求且與國際接軌，培養具有“工程能力、創新能力和設計能力”的綜合型人才，創造性地建設貫穿物聯網感知層、網絡層和應用層的綜合項目驅動開發為導向的物聯網創新實驗、實踐課程體系[2]，不斷提高物聯網專業人才的創新創業能力和動手實踐能力，服務地方經濟與社會發展，發展物聯網開環應用。

物聯網工程學科特點決定了教學不應以理論為主導，應由應用驅動教學，培養學生更高層次的計算能力（即強計算能力）。物聯網工程專業課程本身的強實踐性特質決定了課程的實踐教學環節將會對課程的教學效果產生舉足輕重的決定作用，構建的實踐教學體系相關課程設置及內容應重在特色，采用“課堂理論講授+開放精品資源共享平臺支撐+計算思維能力培養”三位一體的競爭性項目實踐能力進階式的層次化實驗實踐教學模式，培養學生具有物聯網感知子系統、傳輸子系統、物聯網應用系統所需要的系統認知、分析、設計與應用等方面的能力，尤為重要的是感知子系統的硬、軟件分析與設計能力以及應用系統需求分析、總體方案設計、系統集成、系統測試等方面的工程實踐能力。

1 物聯網實踐教學存在的主要問題

物聯網專業是一個新興的工程實踐性較強的復合型專業，涉及的學科與專業知識較復雜。目前高校的物聯網專業正處在由規模擴張轉向內涵建設的探索階段，普遍存在對物聯網實踐教學定位不清楚、實踐教學環節薄弱、實踐教學師資與經驗不足、實踐教學方法單一、缺乏專業綜合實踐課程、實驗項目設置缺乏關聯性等問題[3]。在實踐教學過程中學生的思維活動空間受到了制約，想象力和創造力得不到充分發揮。

1.1 項目及實踐教學案例老化，缺乏關聯性

物聯網工程相關專業知識和技術更新較快，若與最新的技術脫節易使學生失去新鮮感，難以投入百分之百的精力和熱情。涉及多個課程的物聯網綜合實踐類項目太少或只是幾個課程的簡單拼湊，如何通過一個與時俱進的代表性綜合項目或案例，最大程度地激發學生對基本知識舉一反三的潛力，需要相關教師對物聯網實踐教學體系具有整體認識，并了解掌握最新最前沿的物聯網發展動向。

1.2 考核方法不全面

目前對于實踐環節的考核，主要包括出勤率、實驗報告、項目結果幾方面。由于場地和設備條件的限制，在具體實施過程中，往往將若干學生分為一組，而對各個學生的分工卻沒有具體詳細的規定和個性化的定制內容，無法避免學生的抄襲行為。實驗方案、源碼及實驗結果高度同質化，導致教師在考核時難免出現分數不客觀、不公正的現象。若教師通過詢問每位學生相關實驗的問題進行評判，則需耗費大量的時間和精力，更不現實。

1.3 缺乏個性化、競爭性項目

缺乏競爭性的、獨立完成的個性化實踐項目，很難真正調動學生的主觀能動性。在同質化的實踐項目考核下，小部分學生的動力來自對分數的追求，大部分學生對自己并沒有太高的要求，抱著得過且過的心態。

針對以上問題，減少驗證性實驗，增加設計性和綜合性實驗項目的同時，本文提出一種基于競爭的項目實踐教學方法，將理論課堂講授的相關知識融入競爭式的項目實踐內容，培養學生基于計算的思維能力，讓學生從系統級層面進階式認知物聯網，激發學生的創造性。

2 課程和實驗、實踐教學改革方案

物聯網工程專業的專業能力總體上應包括計算機類專業的計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力、系統能力等，并將這些專業能力體現到物聯網感知層、傳輸層、數據處理層、應用層及完整物聯網應用系統的分析、設計與實現環節[4-5]。

2.1 進階式多層次實驗教學體系設計

在講授式教學的基礎上，通過引入“競爭性項目”實踐驅動教學，強化學生的動手能力和實際問題的分析能力，突出學生學習的自主性和創造性特點[6]。本文設置了“驗證型-設計型-綜合型-創新型”分層遞進的實驗體系作為立體化教學方法[7]，形成“問題分析能力強化型理論教學，項目驅動型實踐教學，動手能力培養型工程實踐應用”三位一體實踐教學及應用體系，體系結構如圖1所示。驗證型實驗用于基礎知識、基本原理驗證；設計型和綜合型實驗內容用于多門課程的綜合應用[8]；創新型實驗用于創新性或“競爭性項目”為案例導向的實踐項目。實驗內容除了選用教材指定的實驗內容外，鼓勵學生在教師的指導下，選擇競爭性項目相關的分解模塊作為子任務的實驗內容，逐步實現競爭性項目中的各個部分，使得實驗項目的形式與內容呈現出多樣化的特點。分層遞進式的實驗體系符合學生對物聯網相關技術的進階式認知與掌握過程，學生完成的基本型、設計型、綜合型實踐項目相關基本實現方法可作為后續創新型實踐的基本模塊和知識儲備，利于培養復合型物聯網創新實踐技術人才。

2.2 大跨度交叉融合實驗內容分配

物聯網工程專業實踐課程涉及如下三大類：

（1）信息獲取，即傳感器相關知識和信號檢測相關知識；

（2）信息傳輸，即無線通信、通信協議、通信電路設計；

（3）信息處理，即數據融合、云計算等。

涉及的學科有數學和物理公共學科，電子科學與技術，通信工程，計算機科學與技術，網絡工程，信息安全。其專業知識跨度大，因此，本文從信息感知獲取、信息傳輸、信息處理、應用四個環節，完善 “基礎實驗-拓展實驗-綜合實驗-創新實驗”四個層次的實驗教學體系[8]。

圖1 層次進階式實踐教學體系結構

由多學科交叉融合實驗內容構建的物聯網技術實驗體系遵循由簡單到復雜，由認知到創新的梯度規律，如圖2所示。由單一的基礎實驗內容到綜合項目設計型實踐，再到與課外科技、競賽活動相結合的科技創新型引導實訓與畢業設計，時間跨度分布大學四年的每個階段，逐步提高學生的學習能力、綜合工程應用能力、創新能力和設計能力[9]，真正實現 “教、學、做”一體化。

圖2 層次進階式實踐教學時間跨度體系

第一層次是基本素質培養，主要培養學生的基本技能，以及以電工電子實習和軟件實習為主的能力。通過電工電子實習使學生掌握元器件的辨別學法，掌握一些基本電工電子設備的安裝、調試、測試方法等基本技能。同時，通過軟件實習了解常用仿真軟件的基本應用。

第二層次是專業技能培養，包括電路與電子技術課程實驗、信號與系統實驗、電子測量實驗、傳感與檢測實驗，熟悉各種開發環境等。

第三層次是工程實踐與創新能力培養，主要包括各門課程的課程設計，旨在培養學生的綜合設計能力、團隊合作能力以及創新意識。

第四層次是綜合設計能力培養，針對實踐教學模塊每一層次的內容，選取幾個關鍵領域的實際問題，設計個性化的競爭性實踐項目，通過分組的形式，組內分工合作、組間競爭，培養良好的溝通、表達和協調能力。

通過四個層次能力的培養，最終完成項目并撰寫實習報告，以取得理想的實踐教學效果。

2.3 多元化實踐效果評價手段與實施過程

對于綜合創新型競爭性項目，需要多名學生參與，分工各異。因此，怎樣評價一個項目組的成績和項目組中各學生的成績，將成績與學生的組織決策能力、溝通表達能力和團隊協作能力相掛鉤，是一個較難解決的問題。故需引入多元化的實踐效果評價手段。

本文不再局限于教師單獨給出成績進行考核，而是將實踐與實習成績由多方綜合評定給出并與能力掛鉤。多方綜合評定成績由各種成績加權生成：每個學生在實習實踐報告中給出自我能力評定成績；項目組成員之間相互評定成績；競爭性項目結果展示答辯成績；個性化競爭性項目的難度系數加分。

同時，鼓勵學生將項目成果在開放資源共享平臺上展示，一方面，解決項目成果評價手段單一的問題；另一方面，激勵學生的自我價值體現，增進學習的積極性和創新性。通過鼓勵與指導學生參與“全國大學生物聯網創新設計大賽”等重要的課外科技競賽活動，快速高效地提高所培養學生的實踐經驗和綜合素質。具體的競爭性項目實踐教學實施過程如圖3所示。

通過開放資源共享平臺展示實踐成果，將競爭性項目實踐的實施過程與立體化評價方式以螺旋交替的方式向前推進，建立交互式“教、學、做”同步模式，通過協作與競爭手段強化“交互”和學生的參與，激發學生的創造性與積極性，突出物聯網專業實踐性和創新性的特性，創立有價值的反饋式實踐教學情境。

圖3 競爭性實踐項目教學實施過程

3 結 語

工程實踐能力和創新能力對物聯網工程專業的學生尤為重要，本文通過競爭性項目建立的“問題分析能力強化型理論教學，項目驅動型實踐教學，動手能力培養型工程實踐應用”三位一體實踐教學及應用體系，極大地提高了學生的動手能力、分析問題與解決問題的能力，效果顯著。希望此教學實踐改革方案能夠給其他院校帶來一些啟發和借鑒，共同推動物聯網工程專業建設的健康發展。