面向新工科的物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用教學(xué)與實(shí)踐

夏定純，秦肖臻，鄧在輝

（1.武漢紡織大學(xué) 計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學(xué) 人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著國家科技振興戰(zhàn)略布局和傳統(tǒng)工科專業(yè)改革升級(jí)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展不斷向前推進(jìn)。為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，加快工程教育改革與創(chuàng)新，2017年教育部大力推進(jìn)新工科建設(shè)，形成“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》。2018年首批612項(xiàng)“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目發(fā)布，意味著高校新工科建設(shè)浪潮的到來。經(jīng)過三年多的努力，圍繞新工科專業(yè)的建設(shè)取得了令人矚目的成績，教育部批準(zhǔn)了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新工科專業(yè)。通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人計(jì)劃項(xiàng)目，推動(dòng)了高校人才培養(yǎng)、評(píng)價(jià)體系與資源配置等多方面的改革。作為國家倡導(dǎo)的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)備受各界關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域急需相關(guān)的專業(yè)人才。在此背景之下，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。如何定位物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、完善課程體系、深化教學(xué)實(shí)踐和提升綜合能力，成為研究和探討的重要內(nèi)容。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個(gè)多學(xué)科交叉融合專業(yè)，涉及網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電子技術(shù)、通信工程等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識(shí)覆蓋廣、技術(shù)跨度大、產(chǎn)業(yè)涵蓋寬、從業(yè)人員要求高、工程應(yīng)用能力要求強(qiáng)。2018年，教育部頒發(fā)了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的知識(shí)體系和核心課程提出了建議，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生具有“將基本原理與技術(shù)運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開發(fā)、部署、運(yùn)行、維護(hù)等工作能力”。因此，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特點(diǎn)，定位我校“應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)”目標(biāo)，圍繞物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)平臺(tái)建設(shè)和人才培養(yǎng)進(jìn)行了一點(diǎn)改革和探索。通過構(gòu)建多層次、多單元的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)與實(shí)踐，將基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技能緊密融合；運(yùn)用以成果為導(dǎo)向的OBE教育理念，對(duì)課程體系、培養(yǎng)計(jì)劃、教學(xué)模式及專業(yè)綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)等方面進(jìn)行改革和實(shí)踐；研究和探索TREA教學(xué)模式，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和工程創(chuàng)新能力。

1 培養(yǎng)體系的優(yōu)化

物聯(lián)網(wǎng)從功能邏輯上可分為三個(gè)層次，分別是感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層完成前端數(shù)據(jù)的采集、處理和識(shí)別；傳輸層負(fù)責(zé)感知層和應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)；應(yīng)用層對(duì)接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的感知、識(shí)別和管理。由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識(shí)涵蓋廣、內(nèi)容跨度大、技術(shù)方法多，在教學(xué)過程中存在著實(shí)踐環(huán)節(jié)不足、重基礎(chǔ)輕應(yīng)用、教學(xué)形式單一、缺乏創(chuàng)新引導(dǎo)、落后于行業(yè)發(fā)展等問題。因此，優(yōu)化培養(yǎng)體系、合理組織教學(xué)、有效規(guī)劃實(shí)踐顯得十分重要。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用范圍廣、發(fā)展速度快、工程特征強(qiáng)，培養(yǎng)合格的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才，需要與時(shí)俱進(jìn)地更新培養(yǎng)體系、探索新教學(xué)模式、加強(qiáng)工程實(shí)踐、提高教學(xué)質(zhì)量。在課程體系方面，加強(qiáng)課程內(nèi)容整合和課程之間的銜接，保持專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)性和連續(xù)性，突出專業(yè)特點(diǎn)，規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)踐教學(xué)方面，開展多層次的專業(yè)課程實(shí)踐，避免教學(xué)過程的單一化和形式化。以新工科教育思想，強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用能力，力求做到“課程精，實(shí)驗(yàn)強(qiáng)”。

結(jié)合我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)定位和學(xué)生情況，對(duì)培養(yǎng)計(jì)劃、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐和綜合應(yīng)用等方面進(jìn)行改革，主要體現(xiàn)在專業(yè)課程優(yōu)化和工程實(shí)踐加強(qiáng)兩個(gè)方面。圖1為課程類學(xué)分安排，在總學(xué)分有所增加的基礎(chǔ)上，將實(shí)踐課程由原來的19學(xué)分（11.9%）增大到45學(xué)分（25%）。圖2為實(shí)踐類學(xué)分安排，包括通識(shí)實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐及企業(yè)實(shí)踐。在2020年培養(yǎng)計(jì)劃中，加大實(shí)踐類教學(xué)的比重，實(shí)踐學(xué)分由原來的2學(xué)分增到16學(xué)分。

圖1 課程類學(xué)分安排

圖2 實(shí)踐類學(xué)分安排

在專業(yè)綜合能力培養(yǎng)過程中，采用逐級(jí)遞進(jìn)的“3+2”培養(yǎng)方案。

（1）專業(yè)訓(xùn)練一：算法設(shè)計(jì)與編程能力培養(yǎng)。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，強(qiáng)化C/C++編程的基礎(chǔ)訓(xùn)練，鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，面向工程、應(yīng)用，提高算法設(shè)計(jì)與應(yīng)用編程能力。

（2）專業(yè)訓(xùn)練二：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用能力培養(yǎng)。理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯層次，正確認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線和外部總線，掌握傳感器基本原理，以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)平臺(tái)，完成最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（3）專業(yè)訓(xùn)練三：嵌入式應(yīng)用與組網(wǎng)能力培養(yǎng)。理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟/硬件相互關(guān)系，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外部特征及人機(jī)交互模式，掌握組網(wǎng)通信技術(shù)（RFID、WiFi、BLE、ZigBee等），以Cortex-A系列為技術(shù)核心，以無線網(wǎng)絡(luò)模塊為支撐，面向行業(yè)特點(diǎn)，完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

（4）綜合應(yīng)用訓(xùn)練：綜合能力與專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專項(xiàng)與綜合應(yīng)用為主要內(nèi)容，針對(duì)行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，完成需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和作品展示。以3～5人為小組單位，強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)意識(shí)，樹立攻關(guān)精神，分工協(xié)作，面向工程，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

（5）創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練：專業(yè)創(chuàng)新與專業(yè)能力的培養(yǎng)。通過科技創(chuàng)新、學(xué)科競賽、社會(huì)服務(wù)等，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、勇于創(chuàng)新的專業(yè)素質(zhì)。參照2020年《教育部認(rèn)可的44項(xiàng)全國大學(xué)生學(xué)科競賽》以及次年新增的13項(xiàng)，鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競賽，如《全國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽》《中國機(jī)器人大賽》《中國機(jī)器人及人工智能大賽》《中國高校智能機(jī)器人創(chuàng)意賽》等，通過學(xué)科競賽，加強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)能力，提高綜合素質(zhì)。

2 教學(xué)模式的探索

專業(yè)綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)也是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。結(jié)合我校教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室狀況，主要從專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和教學(xué)模式改革兩個(gè)方面入手，開展了改革探索和教學(xué)實(shí)踐。在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)綜合應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)，建立了智能交通系統(tǒng)實(shí)景沙盤、智能家居虛擬系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)專業(yè)平臺(tái)。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)為指導(dǎo)，更新和升級(jí)專業(yè)設(shè)備和儀器工具。

在教學(xué)模式改革方面，探索新方法、新思路，不斷提高教學(xué)質(zhì)量和水平。針對(duì)專業(yè)應(yīng)用性強(qiáng)、工程能力要求高的特點(diǎn)，提出一種TREA教學(xué)模式，主要包含四個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）目標(biāo)（Target）：首先要明確培養(yǎng)目標(biāo)、做好專業(yè)定位。在專業(yè)訓(xùn)練一至三階段，注重專業(yè)基本知識(shí)與基本技能，強(qiáng)化基本編程能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組網(wǎng)能力；在專業(yè)訓(xùn)練四至五階段，注重專業(yè)綜合能力和專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)和提高。

（2）實(shí)施（Realization）：制訂切實(shí)可行的培養(yǎng)計(jì)劃和具體實(shí)施方案，面向工程應(yīng)用，規(guī)劃設(shè)計(jì)、分工協(xié)作、漸次推進(jìn)，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、撰寫技術(shù)報(bào)告、提交專業(yè)作品。

（3）評(píng)價(jià)（Evaluation）：以小組為單位，通過課程答辯形式進(jìn)行課程考核，由相關(guān)教學(xué)團(tuán)隊(duì)和專業(yè)教師對(duì)小組設(shè)計(jì)的思路、技術(shù)、性能和創(chuàng)新等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，給出專業(yè)指導(dǎo)意見。

（4）達(dá)成（Achievement）：任課教師整理分析教學(xué)資料和作品案例，優(yōu)化教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，形成課程的教學(xué)成果。

TREA教學(xué)模式的四個(gè)部分相輔相成，形成一種目標(biāo)定位、逐級(jí)遞進(jìn)、反饋優(yōu)化的閉環(huán)機(jī)制，有較強(qiáng)的可操作性，在實(shí)際教學(xué)過程中取得了良好效果。

3 綜合能力的提高

以TREA教學(xué)模式為基礎(chǔ)，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)和技術(shù)范疇，通過合理組織教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目案例，加強(qiáng)和提升學(xué)生專業(yè)綜合應(yīng)用能力。按照專業(yè)課程教學(xué)目標(biāo)和工程認(rèn)證要求，將專業(yè)綜合應(yīng)用課程分兩個(gè)單元展開，見表1所列。單元一為技術(shù)專項(xiàng)應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)典型技術(shù)，強(qiáng)化技術(shù)專項(xiàng)的基本應(yīng)用能力；單元二為技術(shù)綜合應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域和行業(yè)特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)化的觀點(diǎn)進(jìn)行工程化應(yīng)用設(shè)計(jì)的綜合能力。

表1 專業(yè)綜合應(yīng)用課程設(shè)計(jì)

在專業(yè)綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)的過程中，借鑒企業(yè)的激勵(lì)機(jī)制，打破傳統(tǒng)的固定模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和創(chuàng)造性，形成主動(dòng)參與、積極思考、團(tuán)結(jié)協(xié)作的良好氛圍。與此同時(shí)，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展與“新工科”要求，及時(shí)跟上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展步伐，搭建“端、管、云”一體化的技術(shù)架構(gòu)。

在實(shí)際教學(xué)過程中，采用了華為云IoT和小熊派BearPi的技術(shù)組合結(jié)構(gòu)。小熊派BearPi是一款為華為打造的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，功耗低、覆蓋廣、成本低、架構(gòu)優(yōu)，采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）通信模組，通過NB-IoT+MCU運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)前端采集和云端交互。華為云IoT是強(qiáng)大的云平臺(tái)，具有海量設(shè)備接入、設(shè)備與云端雙向通信等技術(shù)特點(diǎn)，支持圖形化配置與端側(cè)開發(fā)等，將物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸與處理緊密融合，為學(xué)生提供了一個(gè)良好的專業(yè)技術(shù)平臺(tái)。

自2014年我校新建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以來，通過優(yōu)化培養(yǎng)計(jì)劃、調(diào)整專業(yè)課程、建立專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、構(gòu)建專業(yè)實(shí)訓(xùn)綜合平臺(tái)，使學(xué)生在綜合應(yīng)用能力和專業(yè)素質(zhì)等方面得到了明顯的提高，在全國多個(gè)學(xué)科大賽中獲得了獎(jiǎng)項(xiàng)，取得了一定成績。

4 結(jié) 語

為提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和專業(yè)素養(yǎng)，在課程體系、教學(xué)模式和綜合應(yīng)用等方面進(jìn)行了改革和探索。通過構(gòu)建不同層次的技術(shù)平臺(tái)，運(yùn)用TREA教學(xué)模式，開展技術(shù)專項(xiàng)應(yīng)用和技術(shù)綜合應(yīng)用的教學(xué)與實(shí)踐。專業(yè)課程教學(xué)評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：①組織課程公開答辯，采取開放式形式，由專業(yè)教師和團(tuán)隊(duì)骨干對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)打分；②開展科技創(chuàng)新活動(dòng)，通過課程設(shè)計(jì)，以申請(qǐng)校基金、大型創(chuàng)新項(xiàng)目等為依托，完成科技創(chuàng)新的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練；③參加全國學(xué)科競賽，以教育部57項(xiàng)學(xué)科競賽排行榜為參照，通過參與學(xué)科競賽提高專業(yè)競爭和綜合應(yīng)用能力。通過以上不同手段，考查學(xué)生是否真正掌握了專業(yè)知識(shí)、是否具備了專業(yè)綜合應(yīng)用能力，使學(xué)生普遍感受到壓力和挑戰(zhàn)，激發(fā)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極探索的熱情，鼓勵(lì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、積極創(chuàng)新，順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，達(dá)到預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)。