新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐

陳 強(qiáng),祁 鑫,崔 浩

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院,山東 東營(yíng) 257000)

中國(guó)在“十二五”期間就提出要大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),進(jìn)入“十三五”后又陸續(xù)推出一系列政策,物聯(lián)網(wǎng)成為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。《2006—2020國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》指出,我國(guó)在未來(lái)十年的計(jì)算機(jī)軟硬件專業(yè)人才需求總數(shù)為300萬(wàn)以上,物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)高層次人才需求一直很高。 2017年教育部繼“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”三部曲之后全面啟動(dòng)“新工科”建設(shè)[1],在國(guó)家大力發(fā)展新工科、培養(yǎng)戰(zhàn)略人才的大背景下,高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)提出了更高的要求[2]。實(shí)踐教學(xué)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)的重要環(huán)節(jié),肩負(fù)著理論應(yīng)用與實(shí)踐的重要使命。培養(yǎng)的學(xué)生能否適應(yīng)新形勢(shì)下市場(chǎng)對(duì)人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需求對(duì)實(shí)踐教學(xué)體系提出新的挑戰(zhàn)。

一、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題[3]:一是實(shí)踐教學(xué)體系陳舊。實(shí)踐教學(xué)依舊使用傳統(tǒng)“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)+校內(nèi)實(shí)習(xí)+畢業(yè)設(shè)計(jì)”的模式,各個(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立,沒(méi)有統(tǒng)一的管理和協(xié)調(diào),不利于學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系框架。二是缺乏專門的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。目前的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)主要是在原有計(jì)算機(jī)專業(yè)、電子專業(yè)相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行擴(kuò)展,不利于本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的開展。三是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目陳舊,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ奖容^死板,學(xué)生只是機(jī)械地被動(dòng)模仿,興趣不高,不適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)。四是缺乏應(yīng)用實(shí)踐能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)的課程考核方法是考試,這會(huì)使學(xué)生的注意力僅局限在理論知識(shí)和考試技巧上,缺少對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)完整的認(rèn)識(shí),也難以將這些知識(shí)靈活應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題中。五是缺少實(shí)戰(zhàn)技能訓(xùn)練。由于學(xué)生缺少項(xiàng)目和團(tuán)隊(duì)實(shí)際鍛煉的機(jī)會(huì),當(dāng)遇到系統(tǒng)型復(fù)雜項(xiàng)目時(shí),很難快速高效地對(duì)所開發(fā)的項(xiàng)目進(jìn)行整體構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行。六是學(xué)生在校外實(shí)習(xí)基地的實(shí)習(xí)僅限于參觀,缺少有效指導(dǎo)和操作實(shí)踐。

二、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)踐

本著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的原則,在改革原有課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、專業(yè)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上,從“做中學(xué)”的教學(xué)模式出發(fā),將參與課外學(xué)科競(jìng)賽、大創(chuàng)項(xiàng)目、教師科研項(xiàng)目等形式融入其中,構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)性強(qiáng)、可實(shí)施性強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)體系(見圖1)。其中,“做中學(xué)”是比“聽中學(xué)”更好的學(xué)習(xí)方法,核心思想是讓學(xué)生在學(xué)科競(jìng)賽和項(xiàng)目開發(fā)中加強(qiáng)對(duì)專業(yè)理論的學(xué)習(xí),解決相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用問(wèn)題,同時(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)合作等方面的綜合能力,滿足新工科對(duì)高質(zhì)量物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的要求。

圖1 實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建框架

(一)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)室,改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,增加實(shí)用性和趣味性

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和職業(yè)崗位的特點(diǎn),選擇兩家以上大型企業(yè)為依托,結(jié)合校內(nèi)已有資源搭建一套綜合多門課程知識(shí)點(diǎn)、以物聯(lián)網(wǎng)及智能控制技術(shù)為核心的綜合型、開放型和系統(tǒng)性的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,既能進(jìn)行傳感器、單片機(jī)、嵌入式等簡(jiǎn)單驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),也能進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,比如,智能交通管理系統(tǒng)、智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、智慧家居系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革,為勇于創(chuàng)新的學(xué)生提供更好、更完備的大賽作品設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái),進(jìn)一步提升預(yù)參賽學(xué)生的綜合素養(yǎng),提高作品的質(zhì)量和水平。程序開發(fā)類課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)采用FunCode平臺(tái),組織學(xué)生開發(fā)真實(shí)游戲項(xiàng)目,增加課程趣味性的同時(shí),切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

(二)競(jìng)賽驅(qū)動(dòng),以賽促學(xué),在競(jìng)賽中培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力

大學(xué)生科技競(jìng)賽主要圍繞當(dāng)前研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù),具有實(shí)用性、競(jìng)技性、趣味性和激勵(lì)性,能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,鍛煉其工程實(shí)踐能力、開拓創(chuàng)新思維[4]。甄選適合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生參與的科技競(jìng)賽,大力支持和激勵(lì)學(xué)生參加,以學(xué)科競(jìng)賽引導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)策略的創(chuàng)新,通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽將實(shí)踐應(yīng)用型人才培養(yǎng)落到實(shí)處,以學(xué)科競(jìng)賽促進(jìn)新工科建設(shè)。

大一到大四,在上述常規(guī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上,將不同層級(jí)的學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)按學(xué)年循序漸進(jìn)貫穿全過(guò)程,形成四階段競(jìng)賽機(jī)制,包括競(jìng)賽認(rèn)知階段、競(jìng)賽準(zhǔn)備階段、競(jìng)賽參與階段、競(jìng)賽提升階段。以校級(jí)比賽起步,省級(jí)比賽進(jìn)階,沖擊國(guó)家級(jí)競(jìng)賽,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽逐級(jí)遞進(jìn),學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)逐年提高。

大一階段,是行業(yè)認(rèn)知階段。該階段的學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)了解較少,通過(guò)開設(shè)“物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論”課程和“程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言C/C++”課程、組織校內(nèi)外專家與學(xué)生座談,展示各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)案例、舉辦校內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽及程序設(shè)計(jì)比賽等多種方式,促進(jìn)學(xué)生探索和發(fā)現(xiàn)生活中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和專業(yè)認(rèn)同感。

大二階段,是專業(yè)認(rèn)知階段。隨著單片機(jī)、嵌入式開發(fā)等課程的開課,學(xué)生已經(jīng)具備一定的專業(yè)基礎(chǔ),與此同時(shí)部分學(xué)生通過(guò)參加各類興趣小組和校內(nèi)科技競(jìng)賽具備了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。此時(shí),引導(dǎo)學(xué)生參加省級(jí)以上各類科技競(jìng)賽,如,大學(xué)生機(jī)器人大賽、嵌入式開發(fā)比賽和智能車比賽,以此拓展專業(yè)視野,提高專業(yè)水平。這個(gè)階段,通過(guò)對(duì)參賽項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)和分解,逐步幫助學(xué)生建立并完善物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)體系框架、探索物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)科領(lǐng)域,同時(shí)激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)課建立學(xué)習(xí)興趣,促使自主性、探究性學(xué)習(xí)的開展。

大三、大四階段,是專業(yè)能力深化訓(xùn)練階段和綜合能力訓(xùn)練階段。這兩個(gè)階段主要是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課的學(xué)習(xí)階段,更是學(xué)生依托各種實(shí)踐項(xiàng)目自由品性發(fā)揮的階段。通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參加各種國(guó)家級(jí)的專業(yè)類競(jìng)賽,使其在高水平競(jìng)賽實(shí)戰(zhàn)的驅(qū)使下,增強(qiáng)綜合實(shí)訓(xùn)能力、解決問(wèn)題的能力和理論聯(lián)系實(shí)踐能力,建立更加完善和系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)體系,為有效實(shí)現(xiàn)校企接軌,走向工作崗位奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

(三)以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、教師科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)知識(shí)學(xué)習(xí)

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)高校特別重視項(xiàng)目實(shí)施在工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用[5]。積極建設(shè)智慧油田、智慧校園、智慧家居實(shí)驗(yàn)室,鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的興趣、愛好,依據(jù)課程之間有機(jī)聯(lián)系主動(dòng)學(xué)習(xí)和積極參與。以圖2的智慧油田項(xiàng)目為例,涉及到傳感器技術(shù)(感知層),通信技術(shù)(網(wǎng)絡(luò)層),數(shù)據(jù)處理技術(shù)及平臺(tái)搭建(應(yīng)用層)等,通過(guò)項(xiàng)目的參與讓學(xué)生完成三層實(shí)踐任務(wù),在實(shí)踐中充分理解和掌握課程之間的內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí),結(jié)合教師科研課題、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目和產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目,在分解、梳理、提煉的基礎(chǔ)上進(jìn)行整合,轉(zhuǎn)化為符合實(shí)踐教學(xué)大綱的實(shí)踐教學(xué)題目,在專家審核通過(guò)后,允許學(xué)生在老師的指導(dǎo)下根據(jù)自己的興趣和愛好進(jìn)行選擇和參與,不僅在很大程度上保證了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合,同時(shí)“以學(xué)生為中心”的設(shè)計(jì)理念也會(huì)增強(qiáng)學(xué)生主人翁意識(shí),提高學(xué)生參與的主動(dòng)性,實(shí)踐教學(xué)的效果也會(huì)得到極大提升。

圖2 智慧油田項(xiàng)目課程模塊分解

(四)強(qiáng)化導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)下的實(shí)踐活動(dòng)

科技團(tuán)隊(duì)在老師的指導(dǎo)下參加科技競(jìng)賽、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及科研項(xiàng)目,但在實(shí)際過(guò)程中,為每一個(gè)科技團(tuán)隊(duì)配備一名指導(dǎo)教師,在時(shí)間和精力上是難以保障的,而且每個(gè)指導(dǎo)教師掌握的知識(shí)也存在局限性[6]。因此,采用多名指導(dǎo)老師和大三、大四學(xué)生組建導(dǎo)師團(tuán)隊(duì),學(xué)生在自愿的前提下,結(jié)合興趣點(diǎn)加入相應(yīng)的導(dǎo)師團(tuán)隊(duì),并按項(xiàng)目組建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),把分散的項(xiàng)目及隊(duì)員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化連接,構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬班集體。

(五)校企聯(lián)合建立實(shí)踐教學(xué)基地

加強(qiáng)與企業(yè)之間的合作,建立校企聯(lián)合實(shí)訓(xùn)基地,聯(lián)合培訓(xùn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才,企業(yè)導(dǎo)師的設(shè)立有效改善了校內(nèi)師資不足、實(shí)踐能力弱等問(wèn)題。企業(yè)導(dǎo)師從一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品研發(fā)或工程項(xiàng)目入手,負(fù)責(zé)制定學(xué)生的實(shí)習(xí)計(jì)劃、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)習(xí)并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),部分課題還可以作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題持續(xù)研究,使學(xué)生切身體驗(yàn)實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)環(huán)境,從而提升工程實(shí)踐能力,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

(六)保障與激勵(lì)

1.調(diào)整專業(yè)課程

為配合學(xué)生參加各種學(xué)科競(jìng)賽,將《程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言C/C++》課程提前到第1學(xué)期,讓學(xué)生入學(xué)后掌握基本的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)技能;將《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課程提前到第2學(xué)期,為后續(xù)《接口技術(shù)》《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》等課程打下良好的專業(yè)基礎(chǔ);將《模擬電子與數(shù)字電子技術(shù)》提前到第3學(xué)期,為學(xué)生參加智能車競(jìng)賽、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)器人大賽提供技術(shù)支持。

2.競(jìng)賽激勵(lì)舉措

多措并舉,激勵(lì)學(xué)生積極參與各類競(jìng)賽。一方面,在培養(yǎng)方案中設(shè)立科技創(chuàng)新學(xué)分,學(xué)生參與不同級(jí)別的競(jìng)賽根據(jù)獲獎(jiǎng)等級(jí)獲得相應(yīng)科技創(chuàng)新學(xué)分,對(duì)學(xué)生參與競(jìng)賽的廣度具有一定的促進(jìn)作用。另一方面,制定學(xué)分置換方案,根據(jù)學(xué)生參與學(xué)科競(jìng)賽的成績(jī),可以實(shí)現(xiàn)相同類別的課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等環(huán)節(jié)的學(xué)分置換,在一定程度上緩解學(xué)生的學(xué)業(yè)壓力。再者,給予學(xué)生物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì),比如,學(xué)生參加校內(nèi)組織的程序設(shè)計(jì)大賽獲一等獎(jiǎng)的獎(jiǎng)金可達(dá)500元,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性。通過(guò)上述舉措,使學(xué)生參與競(jìng)賽的意愿和主動(dòng)性進(jìn)一步提高。

3.開放性實(shí)驗(yàn)室

將兩間物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生科技團(tuán)隊(duì)全天候開放,實(shí)驗(yàn)室設(shè)立機(jī)器人、智能家居、智能車、智慧油田四個(gè)專業(yè)化區(qū)域,配備常用實(shí)驗(yàn)器材和競(jìng)賽專用開發(fā)箱。在導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下,學(xué)生規(guī)范使用上述設(shè)備和器材,開展各類競(jìng)賽的準(zhǔn)備與研究工作。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)定期開展技術(shù)交流和研討,為學(xué)生參與科技競(jìng)賽提供有力的支撐。

4.師資隊(duì)伍

在創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)過(guò)程中,教師的作用是尤為重要的。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)比較新,需要在教學(xué)和實(shí)踐過(guò)程中不斷建設(shè)一支有豐富理論知識(shí)和綜合實(shí)踐能力的師資隊(duì)伍。本著“走出去、請(qǐng)進(jìn)來(lái)”的用人機(jī)制,一方面從企業(yè)中將具有豐富項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)型人才引入學(xué)校為學(xué)生指導(dǎo)教學(xué)和比賽,結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目培訓(xùn)教師。另一方面,選派學(xué)校教師到企業(yè)掛職鍛煉、從事橫向課題研究、參加校企合作交流,通過(guò)工程實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練,提高教師綜合實(shí)踐能力。

三、實(shí)踐效果

在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與探索。一方面,使實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)更加明確,實(shí)踐教學(xué)體系趨于合理,專業(yè)建設(shè)水平不斷提高。另一方面,通過(guò)不斷研究與探索,實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容更加完善,教學(xué)策略更加合理。

通過(guò)實(shí)踐教學(xué)體系的系統(tǒng)改革,物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生參加各種學(xué)科競(jìng)賽和科研項(xiàng)目的積極性逐年高漲,專業(yè)興趣濃厚,專業(yè)認(rèn)同度高,具備了較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力,獲獎(jiǎng)面和等級(jí)逐年提高。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述,基于新工科要求構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)體系是可行和有效的。隨著國(guó)家戰(zhàn)略布局調(diào)整和市場(chǎng)對(duì)專業(yè)需求的不斷變化,物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系也將不斷調(diào)整和完善,為國(guó)家培養(yǎng)適應(yīng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用型物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)人才。