新工科語境下物聯網專業課程設置研究

黃東軍

（中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙，410083）

1 背 景

新工科（新型工科）是指面向新經濟和新技術，以開放、融合、創新的理念和方法開設的新型工程學科專業，也包括對傳統工科的改造與提升。新工科目前主要涵蓋大數據、云計算、物聯網、人工智能、虛擬現實、基因工程、智能制造、集成電路、生物醫藥等新興工程學科專業[1]。

實際上，新工科這個概念尚在探討中，其核心理念不在于具體專業的名稱或領域，而是要求高等教育的人才培養體系從根本上變革，以適應全球科技革命和產業變革的新形勢，滿足以新技術、新業態、新產業為特點的新經濟蓬勃發展對工程科技人才的需要，大力培養具有更高創新創業能力和跨界整合能力的專業人才[2]。

物聯網工程專業雖然被視為新工科的典型代表，但實際上從教育部2010年7月批準首批32所高校設立該專業起，已經過去7年多了，最早的畢業生在2014年就走向了社會。目前，全國共有430多所高等學校開設了物聯網本科專業[3]。

7年來，物聯網專業建設與改革取得了長足發展，無論是師資隊伍、教材與實驗室，還是實踐教學平臺、學科競賽、校企合作辦學等方面，都取得了很大的成績。

然而，廣大教師和學生也普遍感到，當前物聯網專業建設也遇到了不少挑戰，似乎到了瓶頸狀態，存在一些亟待解決的問題，其中最主要的還是培養目標不聚焦、課程設置過于寬泛，還包括畢業生就業去向與實際物聯網產業匹配度低等。

2 物聯網專業建設面臨的主要問題

2.1 培養目標不聚焦

不聚焦是指過于寬泛，本質上就是培養目標不明確。眾所周知，物聯網是一個非常龐大的應用系統，是指通過各種感知器件和定位技術，對設備、人員和環境的狀態信息進行采集、傳輸、存儲、分析和應用所形成的智能網絡系統，以實現對物體的識別、跟蹤、監控和管理。物聯網被認為是新一代信息技術的深度集成和綜合應用，是實現各領域智慧應用的基本模式，是信息技術的一次革命性發展。

物聯網技術與應用的飛速發展是客觀事實，但專業教育能否正確把握時代脈搏，契合社會經濟發展對人才的需求，則取決于培養方案、課程設置和教學實施過程。由于物聯網工程是一個新開設的專業，各高校都處在探索階段，加上受到物聯網系統概念的影響，因此，絕大部分高校物聯網專業的培養目標都試圖涵蓋整個物聯網系統。如果瀏覽一下各高校物聯網專業培養方案，不難發現基本采取了如下描述：本專業培養物聯網工程高級專業人才（或復合型人才，或應用型高級專業人才），畢業生具有系統的電子、計算機、通信、控制等相關學科的基本理論和專業知識，掌握物聯網感知與標識、傳輸與控制、數據處理與應用等專業技術，具備物聯網應用系統開發、設計和部署的能力。畢業生可到物聯網相關領域從事專業技術和管理工作。

可以看出，這個描述有3個主要特點：

第一是涵蓋多學科，如電子、計算機、通信、控制等。跨學科其實是有好處的，就是綜合性強，可以融合多學科優勢，但前提是要形成自己獨立的學科。現在，物聯網被普遍認為沒有學科，只是一種應用系統，但任何專業都必須基于一種學科。目前，物聯網專業實際上是依托計算機科學與技術學科開設的，這就必然導致課程設置與計算機專業接近，同時移植了一些電子、通信、控制等專業的課程，這樣做不僅專業特色難以顯現，而且有拼湊的嫌疑。

第二是覆蓋物聯網應用系統的全部4個層面，即在感知、傳輸、處理、應用的各個層面均有關鍵技術涉及。現在只要談到物聯網，人們就會想到它的分層模型，也就是那個覆蓋了從感知一直到應用的巨大網絡系統。在這樣的認知下，課程設置自然就會去試圖覆蓋各層關鍵技術。這一點下面的第（2）小節還有詳細討論。

第三，就業領域模糊，無法明確崗位，只能表述為“物聯網相關領域”。

2.2 課程設置過于寬泛

由于人們從物聯網的宏觀視圖著眼，因此在課程設置上采取了“全覆蓋”“上下通吃”的模式。具體來看，各高校培養方案在感知層，普遍開設了傳感器、定位技術、RFID與智能卡、條形碼、圖像采集、群智感知等課程；在傳輸層，開設了近距離無線通信（ZigBee、藍牙、WiFi、NFC等）、移動通信、計算機網絡、無線傳感器網絡（WSN）等課程；在服務層，開設了物聯網中間件、物聯網平臺與標準、EPC編碼與解析服務、數據庫、分布式、云計算、大數據與機器學習、信息安全等課程；在應用層，開設了Android開發、Web應用、智能安防與應急管理、數據融合、可視化、圖像處理、智能家居、智能交通、物聯網應用系統設計、物聯網控制等課程。

全國90%以上的學校采用了上述課程設置模式。雖然各個學校會根據自己的特點和師資條件進行取舍，如有些學校沒有開設群智感知技術、智能安防與應急管理等課程，但總體上保持了“全覆蓋”“上下通吃”的基本特征。

因此，人們在談論物聯網專業課程設置的時候，都會用“大而全”“過于龐雜”“混雜”“拼湊”等字眼來概括。從教學實際來看，教師給學生描繪了一幅幅震撼人心的物聯網應用畫面，學生也切身體驗了智能家居、智能交通、智能物流、智能礦山等應用場景，接受了物聯網這個概念，并且知道其應用前景廣闊，專業興趣和自豪感油然而生。隨著時間的推移，學生（當然也包括教師）內心卻普遍出現了一種焦慮和不安，他們不停地問：物聯網到底是一個什么樣的專業，什么都要學、什么行業都需要，該專業的特點到底是什么呢？專業的優勢到底在哪里？學生畢業了到底去哪里工作？

2.3 畢業生就業去向與物聯網產業匹配度低

顯然，最能說明問題的還是畢業生就業情況。筆者所在學校的情況雖然不代表全國的物聯網專業，但也可以作為一個樣本或典型加以分析：第一，總體就業率較高，平均在96%以上；第二，除了30%左右的學生保研、考研和出國留學以外，絕大部分學生都在IT領域就業，且就業單位涵蓋微軟、阿里、百度、騰訊、華為等著名公司；第三，幾乎沒有畢業生直接從事物聯網專業技術工作，大部分學生被聘到軟件開發、前端開發、Android應用開發、Web開發、軟件測試等傳統的計算機專業工作崗位（偏軟件）。

如何看待上述情況呢？一方面，由于信息產業正處于快速增長階段，社會對計算機專業人才需求非常大，而物聯網專業培養模式靠近計算機專業，因此，不難理解為什么物聯網專業的就業率高，且出路較好。另一方面，幾乎沒有學生直接從事物聯網工作，這就值得深思了。一種觀點認為，目前物聯網應用尚未出現明顯的增長和崗位需求，物聯網專業是一個為未來培養人才的專業。實際情況并非如此，我們也看到有大量的物聯網公司和企業急需物聯網專業人才，尤其是近兩年，我們只要看看各個物聯網公司的招聘廣告就會發現，他們更需要高層次的、能夠從事物聯網系統設計的架構師，特別需要嵌入式物聯網硬件設計專業人才。然而，我們培養的物聯網專業學生，既不具備架構師的能力（因為架構師只能在實踐中磨練成長），也不擅長物聯網硬件開發（一些教師把這種情況稱為“欺軟怕硬”），這就解釋了畢業生就業去向與物聯網產業匹配度低的情況。所以，從新工科的觀點看，目前的物聯網專業課程設置與培養，與實際的物聯網產業需求脫節了。

3　3種課程設置模式

在實踐中培養目標不聚焦、課程設置過于寬泛的問題也并非沒有引起人們的注意，有一些高校在過去幾年里探索了一些其他課程設置模式。

總體上來說，存在3種課程設置模式。第一種就是上面已經分析過的“全覆蓋”模式，也可以稱之為“基于系統架構的課程設置模式”，即全面考慮物聯網系統模型的各個層面，除此以外，還有其他兩種模式。

3.1 基于行業應用的課程設置模式

我國的一些行業高校，如電力、石油、農業、林業、海洋等大學或學院，因其行業特色和優勢，較早并且相對容易解決“大而全”的問題，探索了所謂“基于行業應用的課程設置模式”。

例如，某電力大學開設的智能電網專業，實際上是物聯網工程專業的一個行業應用變種，其課程設置除了傳感與檢測、RFID、傳感器網絡等專業課程以外，還推出了很多面向電力行業的特色課程，如“智能電網技術導論”“智能電網通信技術”“智能電網先進傳感技術”“智能電網信息安全”等。

又例如，某農業大學物聯網工程專業，明確提出了農業物聯網的概念，即在智能大棚、畜牧養殖、水產養殖、園林植物繁育等現代農業的各個領域，運用物聯網的傳感器技術、條碼和RFID電子標簽識別技術、智能移動終端、大型數據庫、Web以及Android應用開發等諸多技術，實現農業生產、收購、加工、運輸、銷售等各個環節的標識、識別、追蹤、查詢和管理。培養目標也較為明確，就是提高涉農院校為三農服務的能力，圍繞農業產業鏈和流通鏈，培養適應科技進步和農業產業化、現代化需要的專業人才，通過農學結合、校企合作、頂崗實習、社會服務等機制，推進農科教統籌、產學研合作；以農業物聯網技術集成和應用為中心，深化課程體系和課程內容的改革，為現代農業發展輸送合格的農業物聯網技術技能型人才。為了實現這個培養目標，一些農業大學或高校推出“農業現代科技概論”“農產品生產流通管理概論”“農業物聯網導論”“3S技術及其農業應用”“林業物聯網技術”等特色課程。

3.2 基于物聯網核心技術的課程設置模式

如果說“大而全”模式非常普遍，“基于行業應用的模式”比較小眾，那么“基于核心專業技術的設置模式”就是少數探索者了。我們知道，江南大學物聯網工程學院在2010年除開設了物聯網工程專業以外，還同時設置了“傳感網技術”這個專業，該專業的主要課程有微機原理及接口技術、信號與系統、電磁場與電磁波、數字信號處理、計算機組成原理、傳感器技術、微電子學概論、通信原理、計算機網絡、嵌入式系統原理及應用、無線射頻技術、無線傳感網技術、光纖通信、移動通信等。

可以看出，這樣的課程安排，采取了基于通信工程專業的策略，通過向物聯網感知層下探，試圖強化感知技術，其培養定位是物聯網感知層設計與應用專業人才，以此展開差異化競爭，應當說不失為一種有益探索。

當然，該校“傳感網技術”專業后來合并到物聯網工程專業中去了，這是一個另當別論的問題。

4 物聯網專業課程設置的發展方向

在新工科概念興起的背景下，物聯網專業的課程設置將在3個方向上進行探索和演化。

4.1 基于系統架構的模式將會逐步調整聚焦

前面已經指出，基于系統架構的設置模式具有“大而全”“上下通吃”的特點，但是該模式不會立即改變，專業將繼續存在，所培養的學生基本上也有出路，因為培養目標靠近計算機科學與技術專業，而且多少有一些綜合優勢和特色。加上物聯網本身在快速發展，社會和業界持續關注，因此，這種模式下的物聯網專業畢業生仍然會有出路（當然，不同學校的就業情況會不同）。

但問題在于，“大而全”的設置模式非長遠之計。這就好比我們面臨著培養“全科醫生”還是培養“專科醫生”的選擇一樣。

這里有必要討論一下所謂的全棧開發者(full stack developer)問題。

全棧開發者有點類似全科醫生，是指那些熟練掌握后端和前端技術的信息系統開發者。具體來說，全棧意味著開發者必須要懂計算機、操作系統、網絡、數據庫、后端代碼（Ruby、Python、Java和Scala等）和前端代碼（JavaScript、HTML5和CSS），但在物聯網時代，這還不夠。物聯網應用系統不僅包括頁面和移動應用這樣的前端，也涉及數據庫、分布式存儲、大數據處理等后端系統，同時還包括眾多的硬件平臺，而且往往是定制式硬件。這意味著物聯網“全棧”開發者必須更全面，要懂嵌入式系統（固件）、電氣工程、控制和機械工程學等。

顯然，全棧開發者這種人才像獨角獸一樣稀有，但也確實存在。然而，只有學計算機工程和嵌入式系統的人才，并且經歷了業界的長期鍛煉，才有可能轉變為全棧開發者。這就如同卓越工程師一樣，他們只能在長期的工程實踐中成長，不可能由高校直接輸送。

因此，結合新工科語境來考察，我們也許看得更明確，那種什么都知道一點、但什么都沒有學精的畢業生，很難滿足新技術與新經濟的需要。

結論是，“大而全”的課程設置必將演變，出路就是縮小規模，調整課程設置，在有限的學時和學分內，把教學內容集中到物聯網的核心知識和技能上來。目前，工程類本科學時普遍壓縮到180學時左右，有些學校甚至低到150學時。

4.2 基于行業應用的設置模式將穩定發展

行業特色就是專業的競爭優勢。誠如某公司主管所說，高校可以辦物聯網專業，但是要辦出點特色來，一個普通大學的物聯網專業，如何同“985”大學的相同專業競爭？

基于行業應用的課程設置，本質就是往物聯網層次架構的應用層聚焦，并與領域結合，從而擺脫“全覆蓋”“上下通吃”“什么都知道，什么都沒有學精”的尷尬局面。

可以想見，隨著物聯網技術在交通、石油、農業、林業、海洋等不同領域中的廣泛普及和深入發展，基于行業應用的課程設置模式必將鞏固，且前景美好。

4.3 基于物聯網核心技術的課程設置模式是歸屬

新工科的深層涵義是面向新技術、新產業、新業態，通過培養更具創新能力的專業人才，精準地融入并促進新經濟的發展。

“全覆蓋”課程設置模式之所以效果不理想，歸根結底在于它偏離了物聯網技術的真實需要。

縱觀整個物聯網產業鏈的崗位布局不難發現，以嵌入式技術為核心的物聯網硬件開發與應用，是整個物聯網產業這個金字塔的基座，人才需求旺盛，應當也必然成為物聯網專業最重要的目標。

第一，聚焦嵌入式技術為核心的物聯網硬件開發與應用，體現了物聯網的根本特性，即物聯網感知層特性（顯然，沒有感知，就沒有物聯網），而該層的核心技術就是嵌入式智能感知與硬件互聯，如智能電表、智能水表、智能小車、共享單車鎖、RFID閱讀器、機頂盒、網絡電視、智能冰箱、智能空調、自動售貨機、智能鞋、智能手環、智能手表，等等。這些智能感知物聯網終端設備，構成了物聯網應用的龐大基礎。也正是由于這個原因，產業界甚至就把這些智能感知物聯網終端設備直接等同于物聯網。

第二，聚焦嵌入式技術為核心的物聯網硬件開發與應用，還體現了物聯網核心理論——信息物理系統（CPS）的基本觀點：物聯網的主要任務是把“物”聯結到互聯網上去[4]。CPS研究信息世界與物理世界的有機融合與深度協作，以實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS是一個融合性概念，但被賦予了新內涵，因此是一個相對獨立的知識體系，未來將成為物聯網學科的理論基礎。

第三，聚焦嵌入式技術為核心的物聯網硬件開發與應用，將有效解決物聯網專業與計算機、自動化、大數據、信息安全、軟件工程等專業的分工與協作問題。顯然，一個在“全覆蓋”課程模式下培養出來的物聯網專業畢業生，將無力與這些姊妹專業競爭，因為在計算、控制、數據處理、軟件設計、安全等任何一個環節，“什么都知道，什么都不精”的學生無法勝任實質性工作。當然，更不可能擔任“總指揮”成為所謂“跨領域整合者”。相反，如果物聯網專業學生主攻嵌入式物聯網硬件設計開發，則必將牢牢占據技術制高點，成為真正的專業人才，其中少數人將成長為全棧開發者，最終成為領軍式人物。

此外，聚焦嵌入式技術為核心的物聯網硬件開發與應用，還將為嵌入式行業做大做強提供機遇。眾所周知，多年來，嵌入式行業一直希望有自己的專業，然而由于種種原因，這個愿望不能實現。嵌入式人才需求量大、培養難度高、滲透性強，如果能與物聯網緊密融合，將迎來新的發展機遇。這也正是新工科概念提出的背景之一。

因此，物聯網工程這個專業將歷史性地聚焦到核心知識和技術上來，真正成為一個建立在獨立學科基礎之上的新工科專業。

基于上述思考，我們認為專業基礎和專業核心課程主要有電路理論、模擬電子技術、數字電路、計算機原理與匯編語言、C語言程序設計、操作系統、計算機網絡、通信原理、嵌入式系統、RFID與智能卡、條形碼、近距離無線通信技術、NB-IoT、傳感器技術、定位技術、無線傳感網(WSN)、物聯網協調器設計、M2M協議設計、實時操作系統（或物聯網操作系統）、微處理器、單片機與接口、FPGA等[5]。

從知識和技術體系來看，上述課程設置能夠較為充分地體現嵌入式物聯網硬件開發所需要的學科理論、專業基礎和專業技能的層次結構。

從培養方案的角度看，在培養規格與總學時的約束下，物聯網專業并不要求學生通曉云計算、機器學習、大數據、Java、C#、.NET、Python、R、Scala、Hadoop、Spark和TensorFlow等技術。當然，也不妨礙他們對這些技術產生興趣，因為任何學生都可以憑借自學或培訓，了解、鉆研、掌握培養方案以外的任何知識和技術。

5 結 語

通過上述思考與闡述，我們可以得到下列結論。

（1）物聯網專業課程設置模式有3種類型：基于系統架構的設置模式存在培養目標不聚焦、課程設置過于寬泛的問題；基于行業應用的設置模式體現了領域特色和優勢，將穩定發展；基于物聯網核心技術的設置模式將是發展的方向。

（2）基于物聯網核心技術的設置模式，實質就是把以嵌入式技術為核心的物聯網硬件開發與應用作為著眼點，體現物聯網感知這一關鍵屬性，體現新技術、新業態、新產業的真實需求，體現把“物”聯到互聯網上去這一CPS所倡導的核心課題，體現與計算機、軟件工程、自動化、大數據、信息安全等專業的分工和協作。

（3）隨著物聯網技術與應用的不斷發展，物聯網工程這個專業將歷史性地聚焦到核心知識和技術上來，成為一個建立在獨立學科基礎之上的名副其實的新工科。

參考文獻：

[1]教育部高等教育司.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[EB/OL]. [2017-07-01]. http://www.moe.edu.cn/.

[2]王慶環.“新工科新在哪兒”[N]. 光明日報, 2017-04-03(5).

[3]黃旭, 蔣云良, 顧永跟, 等. 物聯網工程專業建設中多學科融合的探索與實踐[J]. 高等工程教育研究, 2016(4): 1-3.

[4]Giraldo J, Sarkar E, Cardenas A, et al. Security and privacy in cyber-physical systems: A survey of surveys[J]. IEEE Design & Test,2017(4): 7-17.

[5] Zanella A, Bui N, Castellani A, et al. Internet of things for smart cities[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2014(1): 22-32.