物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程建設(shè)與實踐教學研究

張志剛 劉美娟 段嗣妍 原帥 李愛華

[摘 要]物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是新工科建設(shè)的重點專業(yè)，其建立時間短，涉及的專業(yè)知識內(nèi)容豐富。應(yīng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案規(guī)定的培養(yǎng)目標做好專業(yè)群建設(shè)和課程優(yōu)化，針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點、課程計劃，充分挖掘現(xiàn)有資源，統(tǒng)籌兼顧，妥善安排，物盡所用，提高實驗室的利用率，同時加快專業(yè)實驗室的建設(shè)，使有限的資源利用率最大化。通過校校互助以及校企合作的方式可以解決在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程建設(shè)和實踐教學中遇到教師資源、教師專業(yè)能力，實踐教學資源建設(shè)匱乏等諸多問題。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);課程群;課程優(yōu)化;實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）08-0072-03

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是新興的以“應(yīng)用型人才”培養(yǎng)為目標的新工科專業(yè)，是根據(jù)我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，依據(jù)智慧中國的戰(zhàn)略進程發(fā)展提出來的，其富有強烈的時代感。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人才是我國信息智能技術(shù)發(fā)展急需的人才，缺口很大。據(jù)統(tǒng)計，我國未來五年該專業(yè)的人才需求缺口約1000萬，而物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)從2012年開始建設(shè)至今還處于發(fā)展初期，人才培養(yǎng)目標的定位、課程體系的建設(shè)、實踐教學環(huán)節(jié)和綜合設(shè)計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都需要大量的研究和探討。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程群的建設(shè)和人才培養(yǎng)定位是各高校從事物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)面臨的問題。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)時間不長，各大高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)不同，分別有在自動化、計算機、電子技術(shù)、通信工程專業(yè)基礎(chǔ)上建設(shè)的，因此存在著培養(yǎng)方向和培養(yǎng)目標的差別。由于教學資源的約束導(dǎo)致課程內(nèi)容、學時、專業(yè)核心課和專業(yè)課的設(shè)置安排不同，特別是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及的專業(yè)方向多，可選的課程內(nèi)容多，在規(guī)定的專業(yè)總學時約束下如何整合課程和課程內(nèi)容就成了一個主要問題。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個多學科交叉融合的專業(yè)，其中包括網(wǎng)絡(luò)工程、控制系統(tǒng)、計算機應(yīng)用技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)、電子科學等[1]。因此，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程群的建設(shè)中，加強課程內(nèi)容的整合是非常重要的，同時要在新工科教育的思想下加強實踐教學的研究和探討，保證在專業(yè)建設(shè)中做到“課程精，實驗強”[2]。

教育部2018 年1月頒發(fā)的《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的知識體系和核心課程體系建議中指出，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)要“培養(yǎng)學生將基本原理與技術(shù)運用于物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、開發(fā)、部署、運行、維護等工作能力。建議教學內(nèi)容包含電路與電子技術(shù)、標識與感知、物聯(lián)網(wǎng)通信、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、物聯(lián)網(wǎng)控制、物聯(lián)網(wǎng)信息安全、物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計與實施等知識領(lǐng)域的基本內(nèi)容”[3]。本文在解讀標準的基礎(chǔ)上，根據(jù)2017版物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，基于我校“應(yīng)用型人才培養(yǎng)”的目標，對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程群的專業(yè)課程內(nèi)容及課程設(shè)置優(yōu)化做初步探討，以促進物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展。

一、現(xiàn)代交換技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)

2017版物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中將計算機網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代交換技術(shù)融合成一門課，整合后的課程名稱改為現(xiàn)代交換技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信。計算機網(wǎng)絡(luò)課程是目前高等學校計算機類和電子信息類本科教學的主要內(nèi)容，一般選用謝希仁教授編寫的教材。該教材自1989年首次出版以來，曾于1994年、1999年、2003年、2008年和2013年分別出了修訂版。2006年教材通過教育部的評審，被納入普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材;2008年出版的第5版獲得了教育部2009年精品教材稱號;2013年出版的第6版是“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材;2017年發(fā)行的第7版又在第6版的基礎(chǔ)上進行了一些修訂。 教材分為九章，比較全面系統(tǒng)地介紹了計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和原理體系結(jié)構(gòu)、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層（包括局域網(wǎng)）、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)安全、互聯(lián)網(wǎng)上的音頻/視頻服務(wù)，以及無線網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容。該教材從第二章至第五章分別介紹網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)及每一層所實現(xiàn)的功能以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和工作原理，只是在第一章中簡單提及交換技術(shù)的內(nèi)容。現(xiàn)代交換技術(shù)主要介紹電路交換和分組交換技術(shù)以及IP交換技術(shù)，是學好網(wǎng)絡(luò)通信的知識基礎(chǔ)，是網(wǎng)絡(luò)開發(fā)設(shè)計的必備知識，掌握交換技術(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)知識對理解和掌握通信網(wǎng)原理技術(shù)是非常重要的。目前已有的介紹有關(guān)交換原理及技術(shù)方面的教材中，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)分層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)容又偏少，而較好地掌握交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)尤為重要。因此，有機地把它們整合成一門課是有意義的。同時增加二、三層交換機的原理介紹和路由器的工作原理等相關(guān)內(nèi)容，目前各大出版社出版的教材中尚未發(fā)現(xiàn)這樣完美整合到一起的教材，這需要任課教師在課程準備上下足功夫，把上述有關(guān)內(nèi)容進行合理整合或者自編教材。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，教材的內(nèi)容有時過于陳舊，為了培養(yǎng)適應(yīng)新環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的需求，在教學內(nèi)容上可適當取舍，減少電路交換的內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)分層內(nèi)有些功能的講解，如數(shù)據(jù)鏈路層的差錯控制等。有些內(nèi)容可以一帶而過，盡量突出重點，這樣做的目的是讓學生掌握電路交換和分組交換的基本原理和方法、實現(xiàn)并完成信息的交換，讓學生掌握重點內(nèi)容及實現(xiàn)方法、充分理解同步交換技術(shù)和異步交換技術(shù)的差異，以提高學生的綜合分析、處理問題的能力。簡化網(wǎng)絡(luò)分層的有關(guān)具體細節(jié)介紹，重點說明網(wǎng)絡(luò)分層在通信系統(tǒng)程序設(shè)計開發(fā)及網(wǎng)絡(luò)維護管理方面的優(yōu)越性，讓學生了解掌握各層的主要功能和信息在各層的處理過程和目的。在現(xiàn)代交換技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信教學過程中可以考慮通過對有關(guān)專業(yè)安排2～3次的課程講座，在電路交換、分組交換和IP交換的基礎(chǔ)上，通過課程講座的模式進一步拓展介紹通信技術(shù)的新發(fā)展和新思路，包括軟交換技術(shù)、移動交換技術(shù)和移動通信網(wǎng)絡(luò)等。

二、計算機原理與接口技術(shù)、單片機原理及接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用

目前高校開設(shè)的計算機原理與接口、單片機原理與應(yīng)用及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)教材中有很多重復(fù)的內(nèi)容，這三門課對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)都很重要。計算機原理是重要的學科基礎(chǔ)課，單片機原理是學習嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)課程，同時也是智能傳感器及其檢測儀表的常用的控制器件。單片機原理與計算機接口技術(shù)在感知設(shè)備的設(shè)計和開發(fā)中又是重要的支撐技術(shù)，是從事物聯(lián)網(wǎng)感知層產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的必備知識。因此，把三門課程合理的整合，按課程的先后順序，通過合理整合去掉彼此重復(fù)的課程內(nèi)容，突出各課程的重點內(nèi)容，可以降低理論課總的學時數(shù)，便于增加實踐教學的內(nèi)容，提高實踐教學的學時數(shù)，這對提高學生的實踐能力以及創(chuàng)新能力都具有重要的意義。

微型機系統(tǒng)與接口是傳統(tǒng)的計算機專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是自動化、信息類專業(yè)課程的基礎(chǔ)課。在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)授課時間的安排上，首先應(yīng)安排計算機原理與接口技術(shù)，重點教學內(nèi)容是講授基礎(chǔ)知識，主要講解計算機的基本結(jié)構(gòu)和微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，CPU的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，系統(tǒng)的尋址方式和指令系統(tǒng)，匯編語言程序設(shè)計以理論為主，對于接口技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容可以簡單介紹。接口技術(shù)涉及的實踐教學內(nèi)容多，主要安排在單片機課程之后。接下來安排單片機原理及接口技術(shù)課程的學習，重點講授單片機的組成、結(jié)構(gòu)布局和C語言程序設(shè)計的內(nèi)容，對于單片機的匯編語言可簡單介紹。同時加強實踐教學，把計算機接口技術(shù)與單片機技術(shù)結(jié)合起來，通過課程實驗和課程設(shè)計，加強學生實踐能力的培養(yǎng)，從設(shè)計擴展接口開始逐步到產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計，重點在設(shè)計方案的選擇比較以及實現(xiàn)，培養(yǎng)學生從產(chǎn)品設(shè)計到安裝調(diào)試整個過程中分析問題和解決問題的能力。學生在具備較好的微型計算機原理知識和較好的實踐設(shè)計能力之后，對接下來學習的嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計就可以輕松駕馭，應(yīng)付自如了。嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計課程在內(nèi)容上重點介紹與嵌入式操作系統(tǒng)的有關(guān)知識及嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括中間件技術(shù)。

總體上看，這樣的理論教學內(nèi)容課時減少，整體內(nèi)容飽滿充實，避免了內(nèi)容的重疊;課程內(nèi)容清晰，學生容易掌握;在保證教學質(zhì)量的基礎(chǔ)上，理論學時的合理降低也給實踐教學內(nèi)容的安排創(chuàng)造了條件，更有利于滿足《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》對人才培養(yǎng)多樣化的要求。

三、RFID技術(shù)、短距離無線通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與應(yīng)用

RFID射頻識別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要技術(shù)之一。考慮到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)的重點在于應(yīng)用，因此在教學內(nèi)容上可適當降低或者去掉有關(guān)原理知識內(nèi)容的介紹，重點介紹RFID的應(yīng)用技術(shù)。鑒于這門課程安排得比較早，在有限的學時內(nèi)也不適合過多講解和學習有關(guān)的標準、中間件技術(shù)等。

短距離無線通信是一門相對比較新的課程，主要講授的是一些最基礎(chǔ)的通信技術(shù)， 介紹短距離無線通信技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和應(yīng)用，內(nèi)容包括藍牙技術(shù)、Wifi技術(shù)、UWB技術(shù)和ZigBee技術(shù)。作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)掌握通信層知識的基礎(chǔ)入門級課程，在選擇上主要講授前三種知識及應(yīng)用，綜合考慮到接下來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)置，可以把ZigBee技術(shù)的內(nèi)容安排到傳感器網(wǎng)絡(luò)中重點介紹，并結(jié)合課程實驗加強實踐教學。

在教學安排上，短距離無線通信與RFID射頻識別技術(shù)一起各設(shè)置16學時的教學內(nèi)容，分別安排在小學期（第二、第三學期）。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在課程內(nèi)容上重點介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制和覆蓋技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信和組網(wǎng)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標準和ZigBee協(xié)議標準。設(shè)置了移動通信或者無線移動互聯(lián)網(wǎng)的學校課程可考慮對課程內(nèi)容進行適當取舍，避免重復(fù)教學。

四、實踐教學與實驗室建設(shè)

實踐教學是新版《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》和新版專業(yè)人才培養(yǎng)方案強化的重點內(nèi)容，也是實現(xiàn)新工科教育概念下重點建設(shè)的內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)工程作為一個新興本科專業(yè)，它不以理論為主導(dǎo)，而重點在于工程應(yīng)用[4]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)自2012年開始創(chuàng)建，至今陸續(xù)在全國各高校招生，隊伍不斷擴大。綜合國內(nèi)各高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)的情況，新專業(yè)建設(shè)主要是依托計算機專業(yè)、自動化專業(yè)和電子科學與技術(shù)等信息類專業(yè)為基礎(chǔ)建設(shè)的。由于建設(shè)時間短，專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)不同，因此，在實踐教學中實驗課程的設(shè)置和綜合創(chuàng)新類實驗的配置各異，重點各異。如何根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的需求，根據(jù)現(xiàn)有的師資條件開設(shè)出有關(guān)實踐教學的課程，準確定位，辦出特色，是應(yīng)用型高校值得深入思考和研究的重點問題。

我院的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是在計算機科學與技術(shù)、電子信息科學與技術(shù)、通信工程專業(yè)的基礎(chǔ)上建設(shè)的。針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點、課程計劃，我院充分挖掘現(xiàn)有資源，合理利用現(xiàn)有教學資源，統(tǒng)籌兼顧，妥善安排，物盡所用，提高實驗室的利用率，同時加快專業(yè)實驗室建設(shè)。在制定人才培養(yǎng)方案時，我們統(tǒng)籌考慮，使有限的資源利用率最大化。在專業(yè)基礎(chǔ)課程中，硬件課程電路理論與分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等基礎(chǔ)課程分別由電子科學與技術(shù)專業(yè)實驗室承擔，軟件類課程如高級語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程的實驗由計算機科學與技術(shù)專業(yè)實驗室承擔;對專業(yè)基礎(chǔ)課程的實驗則部分由上述兩個實驗室承擔，如嵌入式系統(tǒng)、Java語言等;部分專業(yè)課程的實驗通過對現(xiàn)有實驗室進行局部改造以滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基礎(chǔ)實驗的需求，而有關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信類課程則由通信工程專業(yè)實驗室承擔。對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特有的一些課程則爭取資金，加強建設(shè)，如RFID實驗、短距離無線通信技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗，以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合技術(shù)實驗室等。

五、校企聯(lián)合與專業(yè)實踐教學

2018版《計算機類教學質(zhì)量國家標準》指出，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是培養(yǎng)學生將基本原理與技術(shù)運用于物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、開發(fā)、部署、運行、維護等工作的能力，培養(yǎng)以現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)實際應(yīng)用的專門人才，強調(diào)的是學生的應(yīng)用創(chuàng)新能力和工程創(chuàng)新能力[5]。社會上物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才短缺，同樣，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程建設(shè)和實踐教學中也存在教師資源、教師專業(yè)能力、實踐教學資源建設(shè)匱乏等諸多問題。如何解決這些棘手的問題也是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)過程中必須面對的。實踐證明，通過校校互助以及校企合作可以部分解決這些問題。

首先，通過加強與校本部的橫向合作，加強與校本部的橫向聯(lián)系，充分利用校本部的教學資源，對教學實驗課程暫時力爭在本部實驗室解決。目前，RFID射頻識別技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與應(yīng)用的課程實驗均安排在本部的實驗室完成。

其次，在師資力量上，加強落實工程師進校園計劃，聘請企業(yè)有實力的工程師承擔對部分專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)課程的授課任務(wù)。

而針對課程設(shè)計和專業(yè)實習等實踐課程的實施，我們先后與中興通信亞太培訓基地、華清遠見濟南分公司合作，解決了部分實踐教學落實中的難題。借助企業(yè)的力量，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學困難得到了緩解。同時我們積極推進與學院管理部門的溝通，加強學院自身實驗室建設(shè)的速度，加強實踐教學課程資源整合和建設(shè)的規(guī)模。

六、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程群的建設(shè)涉及的內(nèi)容多而廣，本文只是介紹了部分內(nèi)容，主要涉及硬件技術(shù)。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)所涉及的軟件技術(shù)，包括傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計及應(yīng)用、Java程序設(shè)計以及現(xiàn)代的數(shù)據(jù)融合與挖掘、云計算、大數(shù)據(jù)等課程的內(nèi)容均對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的技術(shù)人才培養(yǎng)非常重要。對這些課程的整合和優(yōu)化也是非常必要的，需要廣大的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教師付出更多的努力，在課程的性質(zhì)、課程的內(nèi)容、學時等方面安排得更加合理，以便于學生學習理解和掌握，達到讓學生學以致用的目的。新版的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案增加了專業(yè)新技術(shù)講座課程，這可根據(jù)實際需要靈活安排，強化對現(xiàn)代專業(yè)新知識、新技術(shù)及專業(yè)發(fā)展趨勢和方向的拓展。

隨著信息技術(shù)、就業(yè)需求和高校教學理念的不斷更新，在課程群建設(shè)中，采取“弱化教師課堂，加強實驗實踐動手環(huán)節(jié)，鼓勵自主創(chuàng)新學習，推動課外創(chuàng)新和課內(nèi)教學的教學模式”[6]等一系列教學改革和實踐，必將探索出適合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的教學模式和完善的課程群建設(shè)思路。

[參考文獻]

[1] 王鑫，張鈺，唐成華，劉建明. 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)硬件課程體系建設(shè)的研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2014（12）：7-10.

[2] 吳功宜.對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學體系建設(shè)的思考[J].計算機教育，2010（21）：26-29.

[3] 姜穎，劉國麗，劉佳.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系的探索與研究[J].時代教育，2013（17）：127-128.

[4] 教育部高等學校教學指導(dǎo)委員會.普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準[M].北京：高等教育出版社，2018：325-326.

[5] 朱俊嶺，邵平，王俊波，等.物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的探索[J].教育教學論壇，2015（8）：152-153.

[6] 吳珺，王春枝，葉志偉.物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新班課程體系與專業(yè)能力培養(yǎng)研究[J].教育教學論壇，2017（20）：106-107.

[責任編輯：陳 明]