面向提高專業(yè)素養(yǎng)的“物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計”課程實踐教學改革的研究

花季偉?姜麗芬?夏瑋?劉洋

摘要：由于物聯(lián)網專業(yè)具有多學科交叉融合，物聯(lián)網技術更新快，社會需求變化快的特點，以及目前高校在物聯(lián)網人才培養(yǎng)中普遍存在的專業(yè)課脫節(jié)、實踐環(huán)節(jié)不足等問題，通過“物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計”課程平臺，在教學內容、教學過程開展以及課程評價三個方面進行針對性的教學改革，使得學生具有更加完整的專業(yè)知識體系結構，明確了學習目標，全面提升了學生的專業(yè)素養(yǎng)，為不斷完善高校物聯(lián)網專業(yè)人才培養(yǎng)方案提供了有益的探索。

關鍵詞：物聯(lián)網; 實踐教學; 教學改革

一、前言

物聯(lián)網被譽為繼計算機和移動通信之后，第三種社會變革性技術，因此被國務院規(guī)劃為戰(zhàn)略性新興產業(yè)[1-2]。物聯(lián)網工程是一門綜合性交叉學科，涉及計算機、電子、自動化、信息安全等諸多學科，在工農業(yè)生產、交通物流、醫(yī)療健康、智慧城市等多個領域具有極為廣泛的應用前景[3]。

特別是近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網技術更是呈現(xiàn)出與這些新技術不斷融合的趨勢[4]。因此，社會對于物聯(lián)網工程技術人才的需求逐年增加，特別是對掌握全面技術知識，而且具有較高動手實踐能力的物聯(lián)網專業(yè)人才的需求極為迫切[5]。

但目前高校在專業(yè)人才培養(yǎng)方面，普遍存在重理論、輕實踐的問題，課程的設置中對于動手實踐環(huán)節(jié)投入不足，缺少將理論知識與動手實踐相結合的環(huán)節(jié)，而且專業(yè)課程內容難以應對社會快速變化的需求，各個專業(yè)課程獨立開設，這就極易造成課程之間缺少溝通、脫節(jié)，內容重復等現(xiàn)象的出現(xiàn)[6]。

同時，物聯(lián)網專業(yè)學生普遍存在對于專業(yè)知識的學習目標不明確，不知道自己該學什么、朝哪個方向學習，進而導致學習興趣不高；對于專業(yè)課程知識不能真正理解、靈活運用，融會貫通、形成知識體系，應用到系統(tǒng)實踐當中；缺乏系統(tǒng)設計思想、缺乏系統(tǒng)性、整體性、頂層設計思維；缺乏創(chuàng)新性思維；實踐動手能力不高，缺乏將專業(yè)理論知識運用到實際的能力。

因此，如何根據(jù)社會對于物聯(lián)網專業(yè)人才的需求變化，及時調整、更新專業(yè)知識教學內容，突出各個專業(yè)課程內容的融合，強化實踐教學環(huán)節(jié)，重點提升工程創(chuàng)新能力，培養(yǎng)掌握全面物聯(lián)網相關知識、高素質的物聯(lián)網工程技術人才，是當前高校物聯(lián)網專業(yè)人才培養(yǎng)中亟待解決的問題。

二、物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計課程改革方案

針對目前高校在物聯(lián)網專業(yè)人才培養(yǎng)中存在的上述問題，本次課程實踐教學改革的目的是將學生已經學習過的專業(yè)知識，能夠加深理解、融會貫通、靈活運用，相互串聯(lián)銜接起來；同時通過基于項目開發(fā)的課程設計與開發(fā)，一方面能夠綜合應用所學過的各類專業(yè)知識，培養(yǎng)實踐工作能力，另一方面能夠了解物聯(lián)網行業(yè)的最新發(fā)展，明確學習目標，激發(fā)學生自主創(chuàng)新的能力，鍛煉自主學習能力。

本次課程實踐教學改革從三個方面進行調整，具體內容如下：

（1）在教學內容中增加人工智能、云計算、物聯(lián)網系統(tǒng)設計等最新的信息技術，使得學生具備較為完整物聯(lián)網相關知識體系，同時增加動手實踐環(huán)節(jié)，包括軟件編程、硬件設計、焊接等內容。（2）增加企業(yè)實踐實訓環(huán)節(jié)，讓學生真正感受企業(yè)實際的工作流程，明確學習目標，提高學習的興趣。（3）基于項目驅動的課程設計考核方式，通過系統(tǒng)性、綜合性和創(chuàng)新性的項目設計與開發(fā)，全面提升學生專業(yè)素養(yǎng)。

（一）教學內容更新

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網也必將向智能物聯(lián)網（AIoT）方向發(fā)展。為了適應社會對于物聯(lián)網人才的需求變化，本次教改在物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計課程中增加了人工智能深度學習、云計算、智能物聯(lián)網硬件等內容。

增加人工智能、機器學習、深度學習基本概念，重點通過Python和Tensor Flow框架的編程實踐來加深上述知識與理論的理解應用，使學生掌握人工智能深度學習的基本概念、主要技術與方法，為后續(xù)能夠智能化分析和處理物聯(lián)網系統(tǒng)產生的海量數(shù)據(jù)做好準備。

增加并行計算、分布式計算、云計算，大數(shù)據(jù)處理平臺等知識內容，重點通過虛擬環(huán)境的搭建與實踐，使學生能夠掌握物聯(lián)網計算模式、物聯(lián)網計算平臺的技術與方法，為后續(xù)設計物聯(lián)網計算平臺，實現(xiàn)物聯(lián)網數(shù)據(jù)的處理做好準備。

增加智能物聯(lián)網開發(fā)板、傳感器、無線通信協(xié)議以及物聯(lián)網系統(tǒng)設計等知識，重點通過Arduino物聯(lián)網開發(fā)板以及各類傳感器搭建綜合性物聯(lián)網應用系統(tǒng)的實踐操作，使學生掌握物聯(lián)網工程設計的基本方法，能夠根據(jù)需求快速搭建涵蓋多種物聯(lián)網智能設備的應用系統(tǒng)，為后續(xù)畢業(yè)設計及就業(yè)工作打好基礎。

在物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計課程中實踐環(huán)節(jié)，我們設計了三類實驗內容，分別是認知實驗、驗證實驗和綜合實驗。其中認知實驗以掌握物聯(lián)網基本概念、基本理論為主，學生通過實驗課程能夠對理論講授內容加深理解，為后續(xù)理論與技術的進一步學習打好基礎。驗證實驗應通過實驗環(huán)節(jié)讓學生進一步掌握物聯(lián)網應用系統(tǒng)的設計、開發(fā)、調試以及維護等各個步驟，加深對于理論知識的理解與掌握，培養(yǎng)學生在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。綜合實驗培養(yǎng)學生綜合運用所學物聯(lián)網相關的理論與技術，解決實際問題的能力。

其中物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計課程中所涉及的實驗，應該從認知實驗、驗證實驗到綜合實驗的原則來進行設計開設，其相對應的實驗目的為：熟悉物聯(lián)網智能硬件、掌握物聯(lián)網應用系統(tǒng)結構及數(shù)據(jù)處理到能夠進行物聯(lián)網應用系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

（二）基于項目開發(fā)的課程設計

在正常開展課堂教學的同時，并行開展基于項目開發(fā)的課程設計工作。課程設計的總體要求在開學之初就布置給所有同學，然后依次進行項目組隊、項目選題、分工、研發(fā)、撰寫研究報告，最后是現(xiàn)場實物展示答辯。這樣可以充分調動大家參與課程設計開發(fā)的主動性、積極性，激發(fā)學生的創(chuàng)造性、創(chuàng)新性，同時又可以鍛煉大家的團隊協(xié)助能力，組長的領導能力、協(xié)調能力。項目開發(fā)的總體流程如圖1所示。

項目組隊：全班同學按每3—5人組成一個小隊，進行項目開發(fā)，這樣既可以進行課程設計的項目研發(fā)，又為后續(xù)參加各類競賽做好準備。每組選舉一人做為項目組長，負責項目整體管理、協(xié)調組員分工、監(jiān)督開發(fā)進度以及最終為組員打分等工作。

項目選題：每組隊員充分發(fā)揮各自創(chuàng)新、創(chuàng)造活力，以國家近期的發(fā)展戰(zhàn)略為導向，結合各自熟悉的領域，以及技術特長確定課程設計題目。

項目分工：確定好題目后，進行需求分析、確定系統(tǒng)具體功能、技術路線，然后組長進行具體研發(fā)工作劃分，包括完成的時間進度。

項目研發(fā)：全體項目成員要服從組長安排，嚴格根據(jù)項目進度，倒排工期，確定自己的工作內容、工作目標，制定自己的工作計劃，對于尚未掌握知識要自主進行學習。每周組長要進行老師匯報進度，及時溝通調整工作計劃。

研究報告：項目研發(fā)后期要撰寫研究報告，具體內容包括：摘要、需求分析、系統(tǒng)功能、創(chuàng)新點、開發(fā)環(huán)境要求、硬件設計、軟件設計、傳輸技術、總結、參考文獻。

現(xiàn)場展示答辯：項目組最后要調試好系統(tǒng)的軟硬件，制作PPT，現(xiàn)場實物展示，PPT講解，進行答辯。

將物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計的課程設計工作以項目研發(fā)的形式開展，首先不占用課堂時間，與課堂教學并行開展，因此可以充分利用學生的課余時間，調動學習的學習積極性；通過項目組成員之間的溝通，不僅可以激發(fā)學生的創(chuàng)造性、創(chuàng)新性，而且可以充分鍛煉學生的團隊協(xié)作能力，溝通能力。

其次，項目從構思、設計、研發(fā)一直到最終實現(xiàn)的過程緊密銜接，頂層設計沒有做好就會導致項目的反復，甚至最終失敗，因此要先做好系統(tǒng)的整體設計、頂層設計，所以這就可以很好的鍛煉學生的系統(tǒng)設計能力，自主學習能力以及綜合分析能力。

（三）企業(yè)實踐

企業(yè)實訓環(huán)節(jié)的目的是要學生真實來到企業(yè)現(xiàn)場，感受真實生產實踐環(huán)境，了解當前社會主流發(fā)展的物聯(lián)網平臺產品體系。

企業(yè)實訓環(huán)節(jié)也是要以項目組的形式，實際模擬研發(fā)公司工作組的管理、協(xié)作與協(xié)調的工作模式。在企業(yè)實踐生產過程中，進一步加深了解物聯(lián)網平臺的整體架構和各環(huán)節(jié)的技術要素。首先要建立“物聯(lián)網”思維；其次更要培養(yǎng)研發(fā)中的自我學習能力；最后以項目為目標，完成產品化平臺的整個從研發(fā)到生產全過程，以此來幫助學生快速了解、熟悉、適應企業(yè)生產研發(fā)需求。

企業(yè)實訓內容主要包括兩部分。一是以企業(yè)生產車間為基礎，實地開展標準焊接步驟及工藝、實驗室焊接設備使用、電路調試、故障分析調試、整機組裝等生產活動；學習物聯(lián)網開發(fā)板的主要功能、原理和編程技術。二是參觀企業(yè)智能樓宇實訓室，了解智能樓宇實訓室視頻監(jiān)控、消防聯(lián)動、入侵報警、可視對講系統(tǒng)基本原理與實際應用。

上述實踐活動，可以很好地將學生已經學習過電路原理、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)設計和單片機等專業(yè)課知識應用于實踐，能夠調試解決常見的硬件故障，提高了學生動手實踐的能力，同時通過理論指導實踐工作，又可以加深對于電路原理、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)以及物聯(lián)網系統(tǒng)等理論知識的理解與掌握，達到培養(yǎng)學生綜合運用所學理論知識，理論和實踐相結合的能力。

同時，在企業(yè)實踐過程中，要讓學生充分鍛煉以項目組為單位的協(xié)同模式，能夠讓學生在畢業(yè)工作后，快速而順利的融入企業(yè)的工作氛圍、掌握實際工作中，跨部門協(xié)同研發(fā)的技巧和意識。

（四）評價機制

物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計課程的最終成績根據(jù)各個項目組的物聯(lián)網應用系統(tǒng)完成情況給定，其中教師評價占80%，項目組長評價組員占20%。這樣既可以滿足最終評價的公平性，又可以鍛煉項目組長領導能力，充分調動每個組員完成日常的分工協(xié)助。項目完成情況具體包括，物聯(lián)網應用系統(tǒng)實物展示、現(xiàn)場講解以及項目研究報告三部分組成。

教師根據(jù)每個項目組在這三個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)給出評價，作為期末最終成績，具體依據(jù)為：需求分析（10%）、功能描述（5%）、應用價值（5%）、設計方案（10%）、創(chuàng)新點（10%）、創(chuàng)意獨創(chuàng)性（20%）、軟硬件設計（20%）、數(shù)據(jù)傳輸（10%）、其他物聯(lián)網技術（5%）、格式符合標準（5%）。教師在課程設計的評價過程中，要重點突出項目的創(chuàng)新性、原創(chuàng)性、獨立性；要根據(jù)系統(tǒng)最終的完成情況，以及與課程設計報告的匹配程度，同時還要考慮項目組長根據(jù)組員對于項目完成的貢獻，為每個組員按百分制來打分，最終做出客觀、公正的評價。

三、改革成效

天津師范大學計算機與信息工程學院物聯(lián)網工程專業(yè)自2017年在物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計課程教學過程中，實施了上述實踐教學改革，取得了較好的成效。

一是學生的學習目標明確了，學習熱情有了顯著提高，積極參加教師科研項目、各類競賽以及大創(chuàng)項目，并取得了較好成績，其中獲得全國“互聯(lián)網+”大賽總決賽金獎一項、銅獎三項，計算機設計競賽全國一等獎二項，物聯(lián)網設計競賽全國二等獎五項、各類省部級競賽一等二十余項，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目三十余項。

二是學生通過物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計課程的學習，能夠將以前學過的各類專業(yè)課程知識真正理解、融會貫通、形成了完整的物聯(lián)網專業(yè)知識體系，將這些知識應用到系統(tǒng)的研發(fā)實踐當中，進一步提高了實踐動手能力，全面提升了專業(yè)素養(yǎng)，突出反映在畢業(yè)設計質量有了顯著提高，畢業(yè)生就業(yè)與本專業(yè)的契合度逐年提升，碩士研究生升學率從2017年不足10%，至2021年已經達到了21%。

四、結語

物聯(lián)網應用系統(tǒng)設計是物聯(lián)網工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必須課程，針對目前高校在物聯(lián)網人才培養(yǎng)過程中存在的問題，以提升學生專業(yè)素養(yǎng)為目標，通過在課程中融合人工智能、云計算等最新信息技術，引入基于項目驅動的機制，從教學組織、過程開展、課程評價等多個方面，完善課程設置，系統(tǒng)地培養(yǎng)了學生綜合運用多領域知識解決實際問題的能力，激發(fā)了學生自主學習和獨立創(chuàng)新的熱情，后續(xù)將進一步進行深入研究，不斷探索更加符合新時代特色的物聯(lián)網專業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學改革方案。

參考文獻

[1]教育部高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會編制.高等學校物聯(lián)網工程專業(yè)規(guī)范[M].北京：機械工業(yè)出版社，2021.

[2]劉云浩.物聯(lián)網導論[M].北京：科學出版社，2017.

[3]吳功宜，吳英.物聯(lián)網技術與應用[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[4]余發(fā)軍，王雙紅，林漫漫.基于CDIO理念的物聯(lián)網課程教學改革與實踐[J]，實驗室研究與探索，2020，41（10）：172-178.

[5]郭曉然，張總，許燕.物聯(lián)網綜合性創(chuàng)新性項目驅動的實驗教學改革[J]，物聯(lián)網技術，2021，22（06）：16-18.

[6]史學梅，陳寶國.物聯(lián)網應用系統(tǒng)開發(fā)應用型人才培養(yǎng)教學改革探索[J]，北京印刷學院學報，2020，32（11）：56-58.

基金項目：天津師范大學教改項目（No.JGYB01217048）資助

作者單位：天津師范大學計算機與信息工程學院