結合自動控制模型的物聯網人才創新創業能力培養

衛星，翟琰，魏振春，程曉紅，王雁

（1.合肥工業大學計算機與信息學院，安徽合肥 230009；2.合肥工業大學創新創業教育中心，安徽合肥230009）

新一輪科技革命與產業變革、 支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略激發了“新工科”教育理念貫徹的不斷深入、專業人才培養目標改革的不斷深化。 因此工科類高等學校傳統實踐教學模式的弊端日益突出，主要表現如下所述。

（1）專業課程的實驗配套環節存在著不足。首先實驗課程主要是面向書本知識的原理性驗證、 簡化的方法驗證和非控制對象的理想化驗證。比如，某些實驗只要求學生將把預先提供的程序燒寫進系統控制器，觀察現象并記錄數據； 或者按照樣圖焊接好芯片和器件上電通過就可以完成。 其次，實驗室目前提供的儀器、設備、工具軟件主要來自國內廠家生產的實驗箱或者教儀，所采用的軟硬件技術和主流領域尤其是計算機、電子行業存在相當大的差距， 更新換代的周期亦遠遠落后于其日新月異的發展速度， 這種實驗室環境無法復現或微縮工業現場的情況導致“為學”和“致用”之間出現了一條不可逾越的鴻溝。

（2）生產實習環節暴露的問題更為突出。 一方面，高等工科院校越來越多的將工作重心轉移到科研上，疏于實踐能力、工程師能力的培養，另一方面近年來隨著市場經濟體系的建立和完善，許多企業主要出于“安全生產”“技術保密”等方面的立場，對接納學生實習積極性不高，造成實習安排困難、學生實習期間只能“看”不能“動”和實習效果較差等一系列問題。 工科學生實習僅僅是為了完成論文或者學校規定的學分， 大部分學生畢業前沒有進過工廠，沒有到過工業生產一線。

（3）對于嵌入式系統的研發過程而言，設計人員經常會出現能夠調試電路卻很難編寫結構化的程序代碼，遇到硬件出錯無所適從，完成某一相對獨立的系統模塊卻缺乏全面整合設計的能力等問題。 很多公司的主設計師一般都是學硬件出身的工程師在進修軟件設計后成長起來的復合型人才， 而科班畢業的軟件工程師卻很難成為主設計師。 在IC 設計行業，只有精通硬件和軟件設計，才能正確地定義和分割系統。

物聯網屬于計算機、控制、通信、電子、信息安全、系統工程等多領域的交叉學科， 物聯網創新創業人才是能夠綜合運用嵌入式技術、智能技術、計算機和網絡等技術，進行信息感知、無線傳輸、數據存儲和處理及應用等方面知識能力的系統工程型和創新性高級工程技術人才。高校學科競賽是面向大學生、研究生開展的課內外科技活動， 是培養學生創新精神和實踐能力的有效載體，是激發潛能和創造力的有力手段，對提升學生的創新思維、創新能力、團隊合作精神、實踐動手能力具有重要作用。

1 整體方案

合肥工業大學是全國首批獲準開辦物聯網工程專業的30 所高校之一， 該校物聯網工程專業于2010年開始招生，并于2011年獲批為國家級特色專業。 該專業開辦后，通過調研、交流、研討，該校依托計算機與信息學院的學科和專業優勢以及科研積累，制訂了“通識教育+交叉學科基礎+專業知識+能力訓練+創新創業實踐”的結合自動控制模型的人才培養模式，以課程教學為基礎、學科競賽為載體、能力訓練為手段。 該模式從培養目標與特色出發并結合現有資源和條件， 首先構架多學科交叉課程、校內外綜合實訓、產學研應用示范訓練體系，同時實施管理、服務、保障舉措；其次組建多層高維競賽訓練機制， 為學生提供階梯形能力提升手段，從而在各類競賽獎項產出的成果中，極大激勵學生學習熱情、為其創業積累經驗、激發其深造興趣直至產生新的科研思想； 最后通過科學的質量評估方法分析學生、教師、學校、社會各實體的反饋結果，持續改進前述三個環節。 最終形成一套動態修正、 良性循環的“以賽促改，以賽促教，以賽促練，以賽促學”物聯網創新創業人才培養體系（如圖1 表示）。

2 建立寬基礎、重實踐、多學科交叉的物聯網人才培養體系

2.1 多學科交叉的課程培養體系

（1）制訂科學的教學計劃。

以轉變教育思想和觀念為先導，以培養專業人才為目標，以構筑各類人才知識結構為依據，以優化課程體系為手段，科學制定與優化人才培養方案，明確體現先進科學的專業教育思想， 從而切實保證人才培養目標的實現。 具體地，根據專業定位和培養模式，構建專業知識結構，優化現有的專業課程體系和實踐環節。在廣泛聽取行業和用人單位意見的基礎上， 綜合考慮該專業的師資力量、教學條件等因素，制定與生產實踐、社會經濟發展需求相結合的培養方案和課程體系， 制訂科學合理的教學計劃。 人才培養方案的制定與優化過程中，注重學生學科基本理論和思維方法的培養，以及創新意識、創新能力的培養和挖掘，建立創新型人才培養模式。努力實現“三個結合”，即素質教育與專業教育結合，課堂教學與實踐教學結合，個性發展與共性提高結合，構建由通識教育平臺課程、物聯網專業基礎平臺課程、 實驗平臺課程和物聯網專業特色方向模塊課程群組成的多位一體的課程體系。

圖1 系統整體方案

圖2 專業課程結構

（2）加強課程建設與改革。

以教育部、 安徽省和學校實施的本科教學質量工程為契機，以精品課程和教學團隊建設為龍頭，以改革教學內容、教學方法和教學手段為保證，帶動專業師資隊伍建設和課程教學質量建設。一方面，從專業主干課程中遴選若干門專業特色課作為精品課程建設， 以精品課程建設帶動專業師資隊伍建設和課程質量、教風、學風建設。另一方面，根據教學計劃，成立相關的課程小組和教學團隊， 由課程組長或團隊領頭人負責課程調研、課程內容更新、整合，編寫和修訂課程教學大綱、實驗大綱、課程設計大綱、實驗指導書、課程設計指導書。

（3）實施“3＋1”和“4＋1＋1”的課程培養方式。

“3+1”模式即在校學習3年公共基礎、專業基礎課程和專業方向課程， 在企業學習實踐和畢業設計累計1年。 在整個四年的學習過程中循序漸進地掌握專業基礎必修、專業基礎選修、專業方向必修、專業方向選修等層次的專業課程。 多層次的課程體系能夠全面地建立學生的專業知識結構，同時突出強調了工程鍛煉、工程設計，培養學生的大工程觀。課程體系中的實踐與課外科技活動類包括：專業基礎平臺類、專業課程類、大學生課外科技活動、競賽類、認證與培訓類、實踐基地實習、畢業設計等多種類型，覆蓋從大學第一學期的程序設計一直到畢業設計。這些豐富的課程、課外實踐鍛煉能夠為畢業后的計算機工程實踐奠定良好的基礎。“4+1+1”模式是指“四年大學本科教育、一年工程一線掛職、一年工程碩士階段學習”的6年校企聯合培養模式。

2.2 知識結構與課程體系的制定與完善

（1）明確物聯網知識結構。

物聯網的關鍵技術包括傳感器技術、識別技術、計算技術、軟件技術、納米技術、嵌入式智能技術等。物聯網知識結構可以分為三個層次，如圖2 所示。感知技術通過多種傳感器、RFID、二維碼、定位、地理識別系統、多媒體信息等數據采集技術， 實現外部世界信息的感知和識別；網絡技術通過廣泛的互聯功能，實現感知信息高可靠性、高安全性進行傳送，包括各種有線和無線傳輸技術、交換技術、組網技術、網關技術等；應用技術通過應用中間件提供跨行業、跨應用、跨系統之間的信息協同及共享和互通的功能， 包括數據存儲、 并行計算、數據挖掘、平臺服務、信息呈現、服務體系架構、軟件和算法技術等。

（2）搭建課程體系。

結合該院學科發展的特點和實際情況， 并綜合考慮社會對物聯網人才的需求情況， 科學合理地制定并實施了物聯網工程專業的課程體系（如圖2 表示）。

3 理實兼修的校內外實習實訓體系

物聯網專業的實訓內容選題將圍繞這些技術展開，具體說明如下（如圖3 表示）。

在物聯網工程系統理論與方法方面， 重點以重點領域內的物聯網工程系統為對象， 以數學方法和計算機技術為主要工具，對物聯網工程系統的體系結構、控制策略以及和系統建模、分析、設計、實現相關的理論與方法等方面進行選題。

圖3 校內外實習實訓體系

在接入網絡與通信網絡方面，主要從物聯網工程的接入層、傳輸層方面進行選題，包括傳統的現場總線/工業以太網，以及多級異構無線網絡等。

在嵌入式系統技術方面， 主要從智能終端設備及其協同工作方面選題，包括如何現終端設備多功能、高可靠、小體積、低功耗等要求，還有越來越豐富的物聯網服務定制需求。

在展示區方面，主要提供樣機系統和體驗區，如智能家居場館、溫室大棚物聯網、車聯網終端、建筑結構健康監測平臺等。

4 多要素協同的競賽參與機制

學生主體：學生既是參與競賽的主體，又是競賽的最大受益者。多渠道向學生宣傳學科競賽的意義，動員廣大學生積極參加各類學科競賽， 鼓勵組建專業科技社團吸納更多學生參與， 培養骨干分子發揮帶頭和示范作用，采取同學教同學、老隊員帶新隊員的方式形成梯隊，有計劃、有步驟地進行普及性訓練，極大地調動學生群體參與學科競賽的積極性， 以主人翁的態度積極主動地投身到學科競賽活動中去。

教師主導：教師是學科競賽引導者。從選手培訓到賽前指導，從豐富理論知識到訓練邏輯思維，教師有著不可或缺的作用。廣大教師積極擔任學科競賽的導師，把課程教學活動與學科競賽活動緊密結合起來， 建立課內與課外的互動。 許多教授以其豐富的經驗將參賽選手帶入新技術的應用和科研開發的殿堂， 重視學生的興趣愛好和特長的培養。

企業參與： 社會力量的參與和支持不僅是教育改革與發展的基礎，也是開展競賽的必要經濟基礎之一。學科競賽逐漸為社會認可， 許多企業以不同形式贊助學校的學科競賽，不僅資助學校的創新型人才培養，極大地激發了學生參加學科競賽活動的積極性， 有力地支持了學科競賽活動。

文化熏陶：學校全面構建創新文化體系，形成適合學生創新的校園文化環境和學術氛圍。 課外學術科技活動與校園文化活動、社會實踐活動有機結合，豐富校園文化的新內涵，培育創新文化。營造一個民主、開放、進取的文化環境， 尊重學生的興趣、 愛好以及能力趨向， 對學生的創新思想和創新行為給予充分的理解和支持，為學生個性自由發展創造充分的空間，使學生的主體性和個體性得以充分發揮。

品牌引領：結合學科特色和專業特點，集中優勢辦好各種具有廣泛參與度的學科競賽（如挑戰杯、物聯網大賽、雙百大賽、Robocup、ICPC 等賽事），發揮品牌的示范、帶動和輻射作用。不斷延展科技競賽平臺的寬度和深度，從而引導和催生學生對學習重要性的認同、對學習知識的興趣， 形成一種共同的價值取向和努力進取的良好氛圍。

5 基于學科競賽的物聯網創新創業人才培養質量評價體系

依據科學的評價標準和客觀準確的評價信息，通過對人才培養的創新創業特性進行定性和定量分析，進而對物聯網人才的培養過程和培養質量給予客觀評價的綜合體系。 其基本評價原則為培養的人才是否適應國家和地方經濟社會發展、 是否適應國際競爭和經濟結構調整需要、是否具有多領域基礎理論知識、是否具備“工程基礎厚、工作作風實、創業能力強”工程實踐特質，是否具備創新創業精神。

基于學科競賽的物聯網創新創業人才培養質量評價體系，采用包括學生評價、教師評價、學校評價和社會評價等多種評價方法， 從不同側面對競賽在物聯網創新創業人才培養過程中的作用進行科學評價， 進而優化人才培養體系、管理保障措施和多層次競賽機制，為進一步完善創新創業人才培養模式提供依據。

（1）學生評價。

包括在校學生評價和已畢業學生評價兩類， 主要從競賽活動激勵學習熱情、具備創新創業基本素質、積累經驗進行創業、激發深造興趣和引發科研思想火花五個維度進行評價，采用的評價形式為問卷調查（見表1）。

（2）教師評價。

教師評價主要是競賽指導教師和授課教師從競賽活動激勵學習熱情、 具備創新創業基本素質兩方面對在校學生進行評價（見表2）。

表1 學生評價

表2 教師評價

表3 學校評價

（3）學校評價。

學校評價主要從競賽活動激勵學習熱情、 具備創新創業基本素質、畢業去向三個方面進行評價（見表3）。

結合自動控制模型的物聯網人才創新創業能力培養體系。 首先構架多學科交叉課程、校內外綜合實訓、產學研應用示范訓練體系，同時實施管理、服務、保障舉措；其次組建多層高維競賽訓練機制，為學生提供階梯形能力提升手段； 從而在各類競賽獎項產出的成果中，極大激勵學生學習熱情、為其創業積累經驗、激發其深造興趣直至產生新的科研思想； 最后通過科學的質量評估方法分析學生、教師、學校、社會各實體的反饋結果，持續改進前述三個環節。該方法應用于合肥工業大學物聯網相關專業效果斐然， 為物聯網創新創業人才培養模式的改革提供了成功經驗。