面向項目需求的物聯網工程人才培養模式研究

侯躍恩，鄧嘉明，羅志堅，陳廣明，鄭奕迅

（嘉應學院 1.廣東省山區特色農業資源保護與精準利用重點實驗室；2.計算機學院； 3.信息網絡中心，廣東 梅州 514015）

物聯網工程是一門新興的、綜合性較強的交叉學科，涵蓋了計算機科學與技術、電子工程技術、自動化技術、大數據、人工智能等學科方向的內容［1］.

隨著科技的發展，我國物聯網產業規模不斷壯大.在2018年中央經濟工作會議上，首次提出“新基建”的概念，物聯網基礎設施建設是其中的重要內容之一［2］. 2018、2019和2020年我國物聯網總產值分別為14 300億元、17 732億元和22 165億元［3］.可見，物聯網產值是保持穩步上升趨勢的.人力資源和社會保障部2020年4月發布的《新職業——物聯網工程技術員就業景氣現狀分析報告》指出，物聯網已在智慧醫療、智能家居、智能制造、智能交通、智能農業等領域得到較好應用，目前我國物聯網行業從業人口約為200萬人，預計未來10年復合年均增速將保持在20%左右［4］.

與巨大的產業規模形成鮮明對比的是，全國高校每年培養物聯網專業畢業生約10萬人，需求和供給嚴重不符，特別是應用型物聯網人才供給不足給我國的物聯網產業發展帶來了很大地制約.作為一個新專業，2010年7月，北京理工大學、哈爾濱工業大學等30所高校成為我國首批獲準開設物聯網工程專業的高校.不同高校對物聯網工程專業人才培養目標有不同的理解，如北京理工大學和哈爾濱工業大學等高校在計算機學院開設該專業，廣東工業大學和重慶郵電大學等高校在自動化學院開設該專業，鄭州科技學院和龍巖學院等高校在信息工程學院開設該專業.目前，我國高校的物聯網專業建設在師資、教材、實踐基地等方面的建設還有許多的不足.用人單位多反映物聯網專業學生較缺乏物聯網思維、理論知識與實際項目需求脫節、應用能力較弱.

面對物聯網行業對畢業生的需求，研究人員對物聯網工程專業的人才培養模式進行了一系列的探討.蘇曉光等在新工科背景下對物聯網專業的教學觀念、課程體系和教師隊伍建設等方面進行研究［5］.田新志等從“無線傳感器網絡與實踐”課程案例為出發點，提出了一種基于CDIO框架的項目化、啟發式的教學方法［6］.余發軍等探索了一種的物聯網自適應實踐教學模式，設計多學科交叉融合的課程體系，制定培養創新能力的教學方案［7］.樊俊青等對以培養目標、課程設置、實踐安排為主線進行調查，在對存在問題進行深入分析的基礎上，提出以創新和實踐能力為培養目標的實踐能力培養平臺的建設思路［8］.桂瓊等從教育理念、課程體系、深度學習及產學研合作4個維度對物聯網工程人才培養模式進行研究［9］.Wang等以實驗課程為案例，針對實驗課程存在的問題，提出介紹、示范、研究以及評估為主線的教學方法，以及以主題、工作成果、書面報告為主體的評價標準［10］.吳賢文等針對人才培養創新能力較低等問題，通過建立教改實驗班、創新教學組織形式、理順協同培養機制等措施，豐富創新人才協同培養理論，取得較好的改革成效［11］.仝月榮等以上海交通大學學生創新中心為例，介紹創新中心與產業界開展具有廣度和深度的合作，引進產業資源完善各教學環節，有效地提高了學生的創新能力，形成了面向新工科的良性互動的創新人才培養模式［12］.

1 存在問題

1.1 教師專業背景復雜

作為一個新興專業，大部分高校在組建物聯網工程專業時，由于缺少物聯網專業方面的教師，只能將研究背景相近的教師“拼湊”在一起，形成物聯網工程專業教學團隊.專業教師背景的復雜性會帶來一些問題：首先，不同背景教師對物聯網專業的理解不同，會造成培養目標不明確、不統一的現象；其次，不同背景教師在教學側重點不一樣，如軟件方向的教師會將教學重點集中在軟件開發上，對學生硬件開發能力的要求較低；再次，不同背景教師在課程之間銜接會出現偏差，如軟件方向的教師不能深入理解硬件方向教師的需求.總之，結合物聯網項目需求，在教師專業背景復雜的客觀條件下，是物聯網工程人才培養模式改革需要重點探討的問題.

1.2 課程沒有主線

物聯網工程是一門新興的綜合性較強的交叉學科，涵蓋的范圍較廣.部分物聯網工程專業教師由于沒有深入企業開展物聯網類項目研究，對物聯網工程的教學和科研工作理解不夠充分，培養目標不夠明確，制定人才培養計劃時沒有根據人才培養核心能力理清各門課程的邏輯關系. 課程主線不明顯，會使學生在學習過程中無所適從，不知道如何規劃大學4年的學習方向，缺乏針對性.按物聯網項目需求提升教師對物聯網專業的認識，梳理課程主線，使學生明確學習目標，提升學生的核心能力和就業競爭力是物聯網工程人才培養模式改革急需解決的問題.

1.3 理論知識多而雜

理論教學是物聯網工程專業必不可少的環節，扎實的理論基礎是學生向更高層次發展的必要條件.隨著計算機、自動化、電子信息等方面日趨發展，物聯網工程的理論廣度和深度也在不斷增加［13］.物聯網工程專業的學生要學習的理論知識也越來越多.在教學過程中，教師都較注重理論知識概念方面的傳授，忽視理論的應用方面.學生在學習過程中會發現學了很多理論知識，但對理論知識的遺忘率較高，不知道使用什么理論和怎么使用理論解決問題.此外，教師在教學的過程中太過強調理論概念的重要性，沒有認真梳理理論在物聯網工程專業人才培養核心能力培養上起到的作用，學生學習起來感覺重點不突出、主線不明確.如何根據物聯網項目的需求組織理論教學，理清理論知識的重點和難點，讓學生在掌握理論的基礎上提高理論應用能力，是物聯網人才培養模式改革需要解決的問題.

1.4 學生工程實踐能力弱

工程實踐能力是用人單位對學生核心能力著重要求的一項重要指標，也是學校教學成果的綜合體現［14-15］.物聯網專業畢業生存在工程實踐能力較弱的問題，以某高校為例，主要由以下原因導致：首先，實驗教學環節設置較為分散，每門課程設置獨立的實驗課，較少從項目的角度出發考慮課程與課程之間的聯系；其次，實驗課程大多采用傳統的方法進行教學，即讓學生“聽口令，做動作”，學生只是機械地重復教師的動作，并沒有深入思考“為什么要這樣做，這樣做有什么用”等問題；再次，由于學生缺乏系統的專業訓練，在實踐實訓課程中難以綜合所學知識進行實驗，導致實踐實訓效果不理想；最后，在畢業設計環節時，部分學生會“七拼八湊”地完成畢業設計，反映出學術素養不高、動手能力差等問題.如何根據物聯網項目的需求改進實驗實踐環節，提高學生的工程實踐能力，是物聯網人才培養模式改革需要解決的問題.

2 對策與方法

筆者針對物聯網工程人才培養模式存在的問題，結合“新工科”和“應用型本科”的要求，以“工程教育認證”要求的學生核心能力為準繩，進行了一系列人才培養模式的改革嘗試.通過與物聯網相關企業展開深入的合作交流，掌握物聯網人才需求的動態，根據需求制定人才培養計劃和開展教學活動，提出了一種“靶向目標人才培養法”的物聯網人才培養模式（見圖1）.

圖1 靶向目標人才培養法

物聯網工程專業課程可分為理論教學環節、實驗教學環節、綜合實踐實訓教學環節和畢業設計環節，每個環節的培養的核心能力培養的側重點不同.在理論教學環節，在學生掌握基本理論的基礎上，側重于培養學生的理論應用能力；在實驗教學環節，在使實驗課程統一到一條主線的基礎上，側重于培養學生的發現問題、分析問題和解決問題能力；在綜合實踐實訓環節，側重于培養學生的項目組織能力、項目推進能力和團隊協作能力；在實習與畢業設計環節，側重于提高學生的學術素養、綜合能力、創新能力和自我發展能力.從圖1可以看出，外環是對內環的支撐，理論教學環節支撐實驗教學，實驗教學支撐綜合實踐實訓教學，綜合實踐實訓教學支撐畢業設計，靶心是人才培養的總目標——培養綜合能力強，具備創新與自我發展能力的物聯網工程專門人才.經過開展研究和實踐，主要措施有幾個方面.

2.1 組織教師培訓

實地走訪調研了多家物聯網相關企業，并與其中7家規模較大企業開展實際項目合作.從業務角度上來看，這些企業可分為3種類型，分別是物聯網技術培訓企業、物聯網設備制造企業及物聯網產品集成和應用企業.對于物聯網技術培訓企業，定期派遣教師到企業參加培訓，了解物聯網技術的最新動態，學習最新的物聯網技術作為知識儲備.對于物聯網設備制造企業，與這些企業開展項目合作，使教師在研發過程中深入研究物聯網的相關技術，積累研發經驗，將企業研究項目帶入教學過程中，形成教學材料.對于物聯網產品集成和應用企業，教師帶領學生參與企業應用類項目，拓廣教師對物聯網行業的理解，并收集教學材料，完善人才培養方案.通過與企業的交流，使不同專業背景教師對物聯網專業的內涵有更深入的見解，使教師深入了解物聯網行業關注什么問題，需要解決什么問題和如何解決問題.

2.2 梳理課程主線

對收集的項目案例進行研究，將這些案例所涉及的相關技術進行了歸納和總結，理清這些技術對應的課程情況，進而根據研究結果進行課程設置.

以智能農業系統項目為例，系統涵蓋了感知層、網絡層、應用層、智能決策層等（見圖2）.感知層負責傳感器信號的獲取和處理，主干課程為“傳感器原理與應用”“嵌入式系統開發”“單片機原理”“接口技術”與“Zigbee與RFID技術應用”等.網絡層負責數據的網絡傳輸與數據存儲，主干課程為“計算機網絡原理”“數據結構”“數據庫開發”與“JAVA語言程序開發”等.應用層負責用戶交互，主干課程為“QT程序設計”“Web前端應用開發”與“移動應用開發”等.智能決策層的作用是對收集的數據進行智能分析，形成智能決策，主干課程有“Python語言程序設計”“人工智能基礎”與“大數據基礎”等.從項目需求出發進行課程設計，可以使物聯網教學有一條清晰的思路，使教師明確該教什么，學生明確該學什么.

圖2 智能農業系統

2.3 調整教學和實踐課程結構

理論教學是物聯網專業教學的基礎，面對日趨發展的物聯網技術，從收集的項目案例出發，凝練各門課程的重點理論，調整理論深度和廣度，增加理論應用部分的內容.若學生僅在書本上學過某理論而沒有在實際應用中使用過該理論，學生對該理論的理解是相當膚淺的，遺忘率較高；反之，如果學生在學習某理論前，教師在課堂上先給學生展示該理論在工程應用中的應用，再引導學生進行學習，在實踐項目中使用該理論，學生才能真正掌握該理論，使理論成為解決問題的工具.

以“Zigbee與RFID技術應用”課程為例，傳統的教學計劃是將Zigbee和RFID分別開課，且大部分在講解較底層原理，如信息編碼、調制解調、通信校驗和通信的物理學原理等.作為電子信息專業學生，學這些內容無可厚非，但作為物聯網專業學生，這些內容在實際項目中作用不大.筆者對該課程進行了改革，刪減部分底層理論教學，增加應用部分教學，使學生知道這些技術該如何運用，如何實現信號的獲取、處理與傳輸，明確了學生的學習目的，并取得了較好的改革效果.

2.4 注重教學的實驗針對性，強調開放性和實用性

在實驗教學環節，緊扣項目需求和理論基礎設計實驗內容.對課程實驗的設置，充分考慮項目需求，盡量做到每個課程實驗都是項目中的子問題，在實驗過程中培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力.對于綜合實踐實訓環節，采用PBL（Project-Based Learning）教學法，要求學生4~5人為一組，合作完成綜合性的項目內容［16］. PBL將教學過程分為4個階段，分別是啟動階段、計劃階段、執行控制階段和收尾階段，教師在實踐環節扮演類似產品經理的角色.在啟動階段，學生自擬候選項目選題，教師組織“頭腦風暴”討論，確定選題.在計劃階段，在教師的指導下由學生自主確定人員分工和項目計劃.在執行控制階段，由學生自主完成項目作品，全程教師參與討論.在收尾階段，學生進行成果展示和現場答辯，教師對作品進行評價.在經過綜合實踐實訓后，學生的動手能力、項目管理能力和團隊協作能力均能得到提高.

2.5 畢業設計環節，以產品級作品為目標

在畢業設計環節，主要有開題設計、中期檢查、畢業設計撰寫和答辯等階段.開題階段，主要工作有選題、開題報告答辯等內容.選題大多來自企業項目，項目組對選題有幾個要求：（1）選題必須能綜合反映4年所學內容；（2）選題必須達到一定的工作量；（3）選題必須根據客觀情況難易適中；（4）選題要鼓勵創新；（5）以產品級作品為目標.開題報告答辯由校內教師與企業工程師共同參加，從學生選題的科學性、前期工作情況、項目規劃的合理性給出建議.中期檢查由教師和企業工程師對畢業設計的進度進行檢查，幫助學生分析問題和難點，引導學生掌握解決問題的方法.畢業設計撰寫階段，教師對設計的規范性、結構、邏輯、技術細節表述等方面進行嚴格把關，重點培養學生的科學素養和文檔能力.在答辯階段，由教師和企業工程師進行考核，一方面從產品的角度考查系統的完整性和系統功能，另一方面考核畢業設計撰寫的規范性、科學性和嚴謹性.

從企業項目需求出發，對物聯網專業的課程主線進行了梳理，并在理論教學、實驗教學、綜合實踐實訓教學、畢業設計等環節進行改革，取得了一定的成果.此外，上述環節的教學效果輸出也對教學改革產生反饋.所以整個教學改革是個不斷優化和迭代的過程.

在改革成效方面，筆者挑選了某高校物聯網工程專業2017級A班作為人才培養模式改革試點班，以項目需求為出發點開展教學.教學期間，學生參與并完成了包括智能農業、智能家居、智能門鎖等企業項目6項，在科技作品、創新創業類比賽中獲得省級以上獎項5項，與教師合作發表論文4篇、申請發明專利5項.截至2020年6月，該班就業率達96.66%，其中包括騰訊、百度、盛大網絡、普渡機器人等知名企業.

3 結語

針對物聯網工程專業人才培養存在的問題，提出了一種面向企業需求的物聯網工程人才培養模式.在“靶向目標人才培養法”的框架下，對理論教學環節、實驗教學環節、綜合實踐實訓教學環節和畢業設計環節進行了一系列的改革.改革成果表明，提出的方法符合社會對應用型物聯網人才提出的要求，有效提高了學生的就業競爭力.

在今后的研究中，將繼續完善人才培養模式，比如將課堂思政、實驗室建設納入研究體系中，進一步提高人才培養質量.此外，將致力于研究成果推廣，以期使研究成果對其他專業起到輻射作用.