依托產業學院的物聯網專業實驗室設計與建設

張銀巧

(上海震旦職業學院 智能工程學院，上海 201908)

0 引言

自《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》(國辦發〔2017〕95號)印發以來，產教融合是當前教育部力推的一種教學模式，特別是教育部辦公廳、工業和信息化部辦公廳發布的《現代產業學院建設指南(試行)》(教高廳函〔2020〕16號)中提出了產業學院建設目標。上海震旦職業學院物聯網應用技術專業作為國家級的骨干專業，在實訓基地建設方面具備一定的經驗，智能工程學院在以往辦學的基礎上與專業相關企業簽署了共建產業學院的協議，隨著新技術的不斷發展更新，關于物聯網應用技術實訓基地的建設也處于不斷探索和升級改造中。結合物聯網的前沿技術、專業課程開設情況、國內同類一流院校物聯網相關專業實訓基地的建設情況、上海震旦職業學院在實訓基地建設方面的寶貴經驗，文章對如何依托產業學院進行物聯網應用技術專業實驗室設計與建設進行了論述。

1 物聯網定義、高校研究史及技術

1.1 物聯網的定義

物聯網是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。[1]

1.2 我國物聯網高校研究史

自2009年8月溫家寶總理視察無錫時,提出要在無錫建立“感知中國”中心以來,物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一，寫入“政府工作報告”，物聯網在中國受到了全社會極大的關注。[2]

物聯網在中國高校的研究，起初的聚焦點在南京郵電大學。[2]江南大學為進一步整合相關學科資源，推動相關學科跨越式發展，提升戰略性新興產業的人才培養與科學研究水平，服務物聯網產業發展，江南大學信息工程學院和江南大學通信與控制工程學院合并組建成立“物聯網工程學院”，也是全國第一個物聯網工程學院。

1.3 物聯網技術

物聯網的技術主要涉及射頻識別技術(RFID)、傳感器技術、無線傳感網、無線通信、光通信、計算機控制、多媒體、計算機網絡、軟件開發、電子及自動化、嵌入式系統技術、納米技術、智能技術等。[3]

2 物聯網專業課程開設

實訓室的建設以開設課程、培養學生技術技能為目的，實訓室設計和建設需綜合考慮師資配備情況、生源量、人才培養方案、課程進度表等因素。建設過程還應綜合考慮工業化和信息化的深度融合，在國家“物聯網十二五規劃”中，提到了“企業信息化，信息條碼化”，文章重點論述物聯網實訓室的建設，課程開設只作為論述實訓室建設的基礎，文中提到的課程遠多于實際開設的課程，高校可視自身情況有選擇地參考。

2.1 公共基礎課

因高校公共基礎課課程多數由教務處統一指定，二級學院或院系微調其中的1～2門課，物聯網專業在公選課中通常會涉及到“信息技術基礎”“多媒體應用技術”“辦公自動化高級應用”“物聯網概論”“人工智能導論”等。

2.2 專業基礎課(必修)

結合調研的院校，必修的專業基礎課通常會包含1～2門的程序設計，如“C程序語言設計”(某些院校可能會開設C#)、“Java程序語言設計”“物聯網技術基礎”“物聯網硬件基礎”“計算機網絡”等。

2.3 專業基礎課(選修)

關于專業基礎課的選修部分，可多設置些和前沿科技相關的基礎課程，當前物聯網和人工智能、大數據、云計算、通信、計算機等息息相關，可開設“算法設計”“數據分析和挖掘”“計算機組裝與維護”“單片機技術”“Linux操作系統”“K8S和Docker”等。

2.4 專業課(必修)

專業必修課是一個專業的核心，專業課的設置需綜合考量學生自身接受能力、師資配備、實驗條件、課程標準等多方面因素，專業必修課的選擇更需結合專業特點選取核心課程。物聯網的核心技術一般包括“RFID應用技術”“嵌入式系統技術”“無線傳感網應用技術”“物聯網網絡安全”“數據庫應用技術”“Android移動開發”“Python人工智能開發”“物聯網綜合布線”“物聯網應用軟件開發”“物聯網行業應用設計”“物聯網項目規劃與實施”等。

2.5 專業課(選修)

專業選修課在必修課的基礎上進行補充和知識拓展，建議選取以下2～3門課程列入專業選修課的范圍。“智能家居應用”“微信小程序開發”“新基建(5G引領數字經濟)”“云原生”等。

2.6 專業實踐課

實踐課程和實驗室配備、產業學院、實習基地的關系密切，實踐課程的教學質量直接關系到工科學生技能應用能力的強弱。在校期間，統籌安排的專業實踐課通常包括192學時的“八周職業技能實訓”、552學時的“頂崗實習”、216學時的“畢業實踐總結/畢業設計”。

由于物聯網開啟了萬物互聯的新模式，將物聯網技術和高校已有的專業聯系起來，主要涉及到計算機科學類、人工智能類、大數據技術類、云計算類、電子信息類、工業控制類、遙感與遙測類、通信類、電子商務類等。與物聯網應用相關的專業也不勝枚舉，如建筑工程、土木工程、交通運輸與物流、農林農業、環境環保等。綜上所述，物聯網專業課程的設計很難千篇一律，文章重點關注了通用的核心技術課程，高校可視本校物聯網專業的側重點，有選擇地參考文中提及的課程。

說明：建議參照各高校人才培養方案的意見進行專業課程設計，進而指導實驗室設計和建設，參照內容主要涉及教學周數，在校的總學分，專業課程的學分總數、總學時及分配情況，實踐性課程的教學課時。以上海震旦職業學院為例，每學期20周，其中“教學周”17周。各專業三學年總學分約為140學分(第一學年47學分，第二學年47學分，第三學年46學分)，總學時數為2500～2800，周學時控制在24學時以內(第1、2學期可安排26學時)。實踐性教學課時原則上要占總課時數50%以上。公共課41學分，專業類課程99學分。

3 實驗室設計與建設

通過物聯網的定義、物聯網高校的研究發展史、物聯網的技術、物聯網課程開設情況，可以看出高校物聯網專業實驗室的設計與建設將直接關系到物聯網人才培養的質量。因物聯網技術廣而新，不管是從場地、資金、技術、師資配備，還是從實用性、市場化、技術創新、成果轉化，物聯網實驗室的設計和建設僅靠高校難以做到一流的水平，需探索出一套符合時代發展需求的產學研共建方案為我國物聯網人才培養戰略方案添磚加瓦。

2011年4月，長安大學為加快建設特色鮮明的大學，推動陜西省(國家物聯網中心)相關學科跨越式發展，推動地方經濟，服務物聯網產業發展，長安大學和西安浐灞生態區共建“長安大學科技園”，也是全國第一個擁有直接服務于物聯網板塊的國家級大學科技園。

本小節從依托產業學院角度，從3個層次來闡述物聯網專業實驗室設計與建設。實訓器材配備的套數以1個班40個學生測算。

3.1 教學型實驗環境

基本實驗環境是指能滿足日常教學需要，符合人才培養方案和課程標準的實驗室配置。也就是教學基礎性實驗環境，目的是訓練學生的基本專業操作技能，同時也為學生參加一系列技能型證書認證服務。

3.1.1 校內物聯網基礎實訓室1間

通用型硬件：40個機位，配置46臺品牌高配電腦，建議按學生數增配4臺留備用。電腦配置參數參考：i7處理器-12700F、主頻2.1G、內存32G、1TB固態+1TB機械、GTX1660 SUPER 6G獨顯。鼠標、鍵盤、話筒、攝像頭等輔材。

教學一體機、投影儀和幕布、白板或黑板。

教室機柜，路由器、交換機等保障上下行網絡不低于100Mbps。費用預算75萬元(含桌椅、布線等)。

通用型軟件：操作系統Windows 10、office辦公軟件(推薦版本office 2016)、教學管理軟件(如極域電子教室系統)、錄屏軟件、格式工廠、驅動精靈、話筒和攝像頭等驅動軟件。

專業基礎型硬件：萬用表45套、面包板60套、電子元器件(如不同規格的電阻、電容、led、三極管、繼電器、電位器等)套盒100套、電絡鐵(含焊錫、面罩)50套、不同規格的導線、杜邦線60套、不同功能的傳感器60套(約30種)、auduino uno開發板套件50套、示波器25臺、掃頻儀10臺。費用預算35萬。

專業型軟件：Multisim、arduino-windows、CH340、PhotoShop2018 CC、Animate CC、Dreamweaver CC。

可承擔“信息技術基礎”“多媒體應用技術”“辦公自動化高級應用”“物聯網概論”“人工智能導論”“物聯網技術基礎”“物聯網硬件基礎”等實訓。

3.1.2 校內物聯網關鍵技術實訓室1間

通用型硬件：40個機位，配置46臺品牌高配電腦，建議按生源數增配4臺留備用。電腦配置參數參考：i7處理器-12700F、主頻2.1G、內存32G、1TB固態+1TB機械、GTX1660 SUPER 6G獨顯。鼠標、鍵盤、話筒、攝像頭等輔材。

教學一體機、投影儀、幕布、白板或黑板、白板筆或粉筆、板擦。

教室機柜、路由器、交換機等保障上下行網絡不低于100Mbps。費用預算80萬元(含桌椅、硬件設備操作臺、布線等)。

通用型軟件：操作系統Windows 10、office辦公軟件(推薦版本office 2016)，VMware Workstation Pro、Unbuntu系統。

教學管理軟件(如極域電子教室系統)、錄屏軟件、格式工廠、驅動精靈、話筒和攝像頭等驅動軟件。

專業必備型硬件：STM32系列開發主板50套(含電源線、J-Link下載器)、主從Zigbee各50套、wifi模塊50套、Lora模塊50套、STM32的配置板50套、PM2.5等一系列傳感模塊50套、和STM32配套的按鈕助手50套、語音識別模塊50套、A9網關50套、繼電器模塊50套、直流電機模塊50套、步進電機模塊50套、風扇50個、燈泡50個。低頻/高頻/超高頻/微波模塊各50套、配套的射頻卡50套、ZigBee開發板50塊、SmartRF04EB仿真器50套。[4]費用預算200萬元。

專業必備型軟件：Python+Jupter Notebook(可以是pycharm)或者Anaconda、Cisco Packet Tracer模擬仿真軟件、華清遠見模擬仿真軟件、Visual Studio開發環境、JDK開發環境、Android Studio開發環境、MySQL開發環境、Keil uVision5、串口助手、USB轉232、J-Link下載器驅動、IAR集成開發環境、驅動精靈。

可承擔“C程序語言設計”(某些院校可能會開設C#)、“Java程序語言設計”“計算機網絡”“RFID應用技術”“嵌入式系統技術”“無線傳感網應用技術”“物聯網網絡安全”“數據庫應用技術”“Android移動開發”“Python人工智能”等實訓。

3.1.3 校內物聯網綜合實訓室1間

硬件：網絡機柜20套、二層交換機20臺、三層交換機10套、路由器20臺、網線若干、光纖若干、法蘭盤若干、電源線若干、能正常工作的二手電腦42套、搭建1～2臺服務器、走線架41套(含物聯網布線常用輔材，如五類/超五類線、水晶頭、插座(盒)、跳線、適配器、軋帶等)。費用預算20萬。

可承擔“物聯網綜合布線”“計算機組裝與維護”等實訓。

3.1.4 校內智能家居樣板間1間

通用硬件：20個機位：配置20臺品牌高配電腦，電腦配置參數參考：i7處理器-12700F、主頻2.1G、內存32G、1TB固態+1TB機械、GTX1660 SUPER 6G獨顯。費用預算20萬。

通用型軟件：操作系統Windows 10、office辦公軟件(推薦版本office 2016)。

樣板間軟硬件：樣板間臺面20套，配備總電源控制室、門禁系統、燈光系統、排風扇系統、報警系統、電動窗簾系統、環境監測系統、紅外遙控系統、網關。費用預算30萬。

可承擔“智能家居應用系統實訓”“物聯網行業應用設計”“物聯網項目規劃與實施”等實訓。

3.1.5 依托產業學院共建虛擬仿真實訓基地1個

依據《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設工作的通知》(教成司函〔2020〕26號)、教育部科技發展中心發布的《職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設指南》，職業院校的虛擬仿真基地可采用“校內—校外”“仿真—實操”“講授—訓練”等結合的方式，本著“車間—教室”“學生—學徒”“作品—產品”等合一的方式建設虛擬仿真實訓基地。

通用硬件要求：計算機硬件配置要求獨立顯卡、4G顯存、主頻4核、內存8GB、硬盤容量500GB。

實訓基地硬件設施建設：包括但不限于AR互動展示臺(1臺)、虛擬翻書體驗臺(1臺)、AR眼鏡輔助維修設備(2臺)、VR協同作業體驗設備(1臺)、虛實一體數字孿生體驗設備(1臺)、頭盔沉浸式虛擬仿真教學設備(30套)、桌面虛擬仿真實訓設備(30套)等(建議產業學院參與搭建)。

軟件方面：根據開設的課程，做好虛擬仿真實訓項目軟件的開發(建議產業學院共同參與開發)。可參照國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上的實驗，進行物聯網綜合設計型實驗、開發，如“智能溫室大棚物聯網系統虛擬仿真實驗”，仿真實驗可涉及物聯網基礎性實驗、關鍵技術、綜合實驗、物聯網垂直行業。

本項目以6門實踐課30個虛擬仿真實驗為參考基數，費用預算300萬元。

可承擔“智能家居應用”“新基建(5G引領數字經濟)”“云原生”“物聯網行業應用設計”“物聯網項目規劃與實施”等實訓。

3.1.6 實習實訓基地若干個

根據《職業學校學生實習管理規定》(教職成〔2021〕4號)，開展認識實習、崗位實習。院校選取實習實訓基地應當實地考察評估形成書面報告。考察內容應當包括：單位資質、誠信狀況、管理水平、實習崗位性質和內容、工作時間、工作環境、生活環境以及健康保障、安全防護等。實習單位名單須經校級黨組織會議研究確定后對外公開。[5]

年度可由產業學院和學校聯合舉辦“校企聯盟大會”，拓寬學生實習渠道和就業面。

上海震旦職業學院物聯網專業已建立的長期實習合作企業8個，其中教育科技有限公司2個，工作內容涉及到教學軟硬件開發、教學資源開發、師資培訓等項目內容；網絡科技公司3個，工作內容涉及到網絡設備的維護、網絡環境的測試等；汽車電子研發類1個，工作內容主要涉及到傳感網、嵌入式方面；大數據公司2個，工作內容涉及到數據標簽、數據挖掘、數據清洗、大數據維護平臺開發等。

在實習實訓基地，學生可親臨企業現場，真實地進行業務訓練。如教育科技公司，公司以研發教育教學類項目為主，方向包括傳感網開發、嵌入式開發、云計算等，工作方向會包含教學用的PPT制作、文檔的編寫、項目化代碼調試、硬件下載、視頻制作、售后支持；再如網絡科技公司，公司以網絡維護為主，平時將涉及到帶著路由器、交換機、光纖、法蘭盤等網絡設備或輔材去客戶現場安裝、調試，雖然看上去工作簡單，但需要在學校學習的知識基礎上進行靈活應用、現場實戰，除了一般性的維護外，還需要了解客戶的組網架構、設置可以為客戶出具組網解決方案。

可承擔“八周職業技能實訓”“參觀實習”“頂崗實習”“畢業實踐總結/畢業設計”等實訓。

3.2 建設技能提升型實驗室

基于教師科研項目及物聯網相關比賽活動而設立的綜合性實訓室，可為優秀師生提供技術技能提升訓練型實驗環境。

技能提升型實驗室需配備常規的電腦、訓練用的硬件，安裝對應的軟件，還需要具備一定量的輔材，包括物聯網學生常用的電子元器件、測試工具。除了常規的配置外，需統一配備打印機、掃描儀、投影儀等。

3.2.1 校內教科研實驗室1間

硬件配備：賽普拉斯PSoC1&3&5 10套，樹莓派全系列5套、ARM cortex-M4內核的主板5塊、通信協議模塊(如Zigbee、Wi-Fi、藍牙、LoRa)各5套、分行業在市面上流行的傳感器各5套，麒麟座開發板V3.2 5套，物聯網實訓套件5套、智能抄表系列(如智能電表、智能水表、智能燃氣表等)各5套、智慧停車地磁5套等。費用預算20萬。

軟件方面：IBM云平臺(可選擇其他云平臺，這里主要考慮到IBM云平臺是開源)、GNU Radio 是免費的軟件開發工具套件，釘釘宜搭低代碼開發模塊。

校內的教科研實驗室建設除了考慮教學拔高的功能外，還將結合主流的考證的需求，配置高水平證書考核所需的相關軟硬件，為提高考證通過率添磚加瓦。

3.2.2 產業學院共建科研基地1個

因物聯網關聯技術廣，為滿足教師更好地開展科研項目，可就教科研項目本身，在產業學院推動下，選擇關聯度高的龍頭企業搭建研究環境，主要涉及到網絡安全、5G通信、大數據、人工智能、微服務、云計算、DevOps敏捷化開發等。基地除了配置通用的軟硬件設施，更需要具備綜合項目化設備和具體的實踐操作基地。

根據基地承載的具體功能設計實踐或科研項目，項目出具了項目的總體介紹和方案、項目實施的實驗指導書、項目的關鍵技術說明。

下面以智慧路燈物聯網項目為例闡述產業學院共建科研基地的建設標準，供相關項目參考。

智慧路燈硬件方面配備：5～10個智慧路燈桿、智能LED燈、傳感器、攝像頭等；智慧路燈軟硬件協同方面配置：控制系統、傳輸系統、維護系統。

又如若基地承建的系科研項目，假設以當前智慧化平臺建設為主，科研項目系數字化教學評價。眾所周知，技術的發展革新，數字化教學已然成了一種潮流和趨勢，數字化打破了教學資源共享不暢、數據分析不客觀等問題。借助物聯網技術，可以實現對人員、數據、資源的互通和智慧管理，可以使教學評價更客觀。產業學院建設該平臺時則需滿足基本的平臺搭建，還需要設計教學評價量表、收集課堂教學信息、學生信息、反饋意見等綜合考量評價維度。直至平臺的研發、項目測試、項目結題等。這其中將涉及到軟件開發、軟件測試、軟件交付等全流程，學生如有幸參與類似平臺的開發，將能較好地提升項目開發能力。

除此之外，當前流行的云計算也可以作為共建基地推進。

基地可視承載的功能進行研發建設，可承擔“算法設計”“微信小程序開發”“數據分析和挖掘”“單片機技術”“Linux操作系統”“K8S和Docker技術”等課程。

3.3 創新型實驗環境

依托產業學院建設創新型實驗室，創新型實驗環境以可滿足物聯網專業師生自主設計的創新性實驗為目的，可以和國內外物聯網不同方向的龍頭企業一起，開發一套實驗平臺，例如：以電子商務平臺為主，分析主流電子商務平臺的開發模型，以5G通信、網絡互連、移動互聯專業知識為方向。實驗室以5G通信、網絡互連知識、業務運營、業務開發、業務維護為師生提供開發環境、開發案例庫，師生可在原有的實驗平臺設計基礎上進一步面向行業、有針對性地進行服務端或移動端開發。[6-9]

創新型實驗室可參照近五年國家或各省份組織的職業技能大賽物聯網應用技術賽項、網絡安全賽項、系統集成賽項等多個相似專業設計。

以上海地區的近幾年物聯網賽項為例，創新型實驗室需配置10臺高配置電腦；配備麒麟座V3.2開發板，開發板除了標準版、視頻版、4G版還有NB-IoT版，以比賽的配置標準進行配置；配置實驗開發箱套件5套；同時根據需求開通虛擬仿真軟件的使用權限。

可承擔“物聯網行業規劃和應用”“物聯網應用軟件開發”“畢業設計”等。

4 結語

依托產業學院建設的一流的物聯網專業實驗室不僅滿足基本的教育教學功能，還將為師生的技能拓展、創新能力培養服務。硬件設施的投入和使用將有利于提升工科學生的動手實踐能力，將基礎知識、理論知識靈活地運用到實踐當中。通過產業學院共建的方式，在實驗室設計與建設過程中充分考慮到師資、理實、產學等因素，將極大地提升教學質量，物聯網學生畢業即可就業，實現和市場的無縫銜接。[10-12]

同時，物聯網實驗室建設經驗可推廣到其他工科專業，為相似相近專業實驗室建設提供了參考。