新工科背景下物聯網工程專業實踐教學體系探索

摘? 要：隨著我國產業結構的轉型升級，教育部提出新工科的建設，并動員全國高校積極推進高等教育的改革。新工科更加強調學科的實用性、交叉性與綜合性。文章探索新工科背景下物聯網工程專業的實踐教學模式，該模式不但注重學生專業基礎知識的夯實，而且還注重對學生工程實踐能力和創新意識的培養。此外，還提出了交叉學科的融合實踐課程體系，制定出符合物聯網專業特點的實踐教學方案，在整合優化多學科實踐資源的基礎上，建立了校企合作物聯網實訓平臺，此舉既提升了教學質量，又推動了行業發展。

關鍵詞：新工科；物聯網工程；實踐教學；交叉學科；校企合作

中圖分類號：TP393；G434? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0171-04

Exploration of Practical Teaching System of Internet of Things Engineering Specialty under the Background of New Engineering

CAO Yuanqing

（School of Mathematics and Computer Science， Hetao College， Bayan Nur? 015000， China）

Abstract： With the transformation and upgrading of China's industrial structure， the Ministry of Education has proposed the construction of new engineering and mobilized colleges and universities across the country to actively promote the reform of higher education. The new engineering emphasizes more on the practicality， intersection and comprehensiveness of the discipline. This paper explores the practical teaching mode of the Internet of Things engineering specialty under the background of new engineering. This mode not only focuses on the consolidation of students' professional basic knowledge， but also focuses on the cultivation of students' engineering practical ability and innovation consciousness. In addition， it has also proposed a cross-disciplinary integrated practice curriculum system， developed a practical teaching program that conforms to the characteristics of the Internet of Things specialty， and established a school-enterprise cooperation Internet of Things training platform on the basis of integrating and optimizing multidisciplinary practical resources， which not only improves the teaching quality， but also promotes the development of the industry.

Keywords： new engineering; Internet of Things engineering; practical teaching; interdisciplinary; school-enterprise cooperation

0? 引? 言

2016年，教育部首次提出“新工科”的概念[1]，隨后反復數次深入高校進行計議、調研和考證，從而在2017年最終確定“新工科”計劃，而后又規劃并制定了三個指導性文件：“北京指南”“天大行動”和“復旦共識”。“新工科”建立在傳統工科的基礎之上，為了推動行業的發展，不僅要敦促傳統工科的改革，還要探索出滿足工程育人模式的嶄新人才培養架構，建立一批新生工科專業，并在此基礎上強化學科建設，提高人才質量[2]。

物聯網起源于傳媒領域，是信息科技產業中繼計算機和互聯網之后的第三次革命。我國于2009年8月首次提出大力發展物聯網，2010年3月，教育部頒發的相關文件中明確指出，要將物聯網技術歸為國家戰略新興產業，而后全國諸多高校陸續申請并開設物聯網工程專業。2018年，教育部頒發的相關文件中確定了將物聯網工程專業納入國家首批“新工科”科學研究與工程實踐項目[3]。為滿足“新工科”的需求，物聯網工程專業需要革故鼎新才能緊隨信息化時代的腳步，從而推動國家產業的變革和經濟的進步。國內的眾多學者紛紛開始研究“新工科”背景下物聯網工程專業的教學體系改革和實踐教學方案。如深入研究“物聯網通信技術”的課程特色、知識結構、理論體系、實踐背景、教學資源、授課過程，以及專業教師和實驗資源配備，從培養工程應用型人才的角度出發，提出了基于CDIO（構想—規劃—實踐—運行）的主動實踐式學習，課題化和探究式有機結合的實踐教學模式。以工程實踐能力資質認證為導向，通過校企融合、多語授課、CDIO等方式探究了“傳感器技術與基本原理”專業課的教學改革。

一些研究人員在“新工科”的時代背景下提出了改進的物聯網工程專業人才培養方案[4]，在制定和實施人才培養方案這兩個環節上進行深入的研究后，將人才培養方案中的實踐部分分解為五個主要方面：課程建設、能力要求、培養規劃、實驗結構、學分配比，并全面解析了物聯網工程專業的實踐教學內容。還有一些學者指出在建設物聯網工程專業這門學科過程中存在的一些問題（如課程結構與培養目標脫節、重視理論知識掌握能力輕視實踐技能培養、就業崗位類型與物聯網專業不對口、畢業生綜合專業素養參差不齊等問題），深入探討了實踐教學過程中各種課程模式的不同特性，提出物聯網工程專業對學生實踐能力培養的新方向[5，6]。

因為“新工科”的核心思想是知識的實踐性、學科的交叉性與能力的多元性，尤為注重互聯網編程、系統設計、應用軟件開發和數據挖掘等新興技術的綜合，此外，“新工科”還倡導培養具有創新能力的實踐型人才，主張產學合作聯合育人。

為此，本文以提升學生的實踐能力為核心，設計了“新工科”背景下多元協同實踐教學體系，啟發學生循序漸進地學習物聯網工程專業的相關知識，強化學生的實驗動手能力，著力提高學生的創新創業水平，開展多樣化的實踐教學模式探究，以期為物聯網工程專業應用型人才實踐能力培養提供新思路。

1? 物聯網工程知識體系架構

物聯網工程是一個交叉學科，所涉及的學科有云計算、大數據、通信原理、模擬電路技術、數字電路技術、電子技術和匯編語言等[7]。在物聯網專業的教學過程中，教師不僅要講授基本的物聯網理論知識，還要教會學生如何結合理論知識解決物聯網工程實踐問題，提高學生的實驗實踐能力和創新水平。如圖1所示為物聯網工程知識體系架構，從層次流向不難看出，物聯網工程的知識體系結構由下至上依次為公共基礎模塊、專業基礎模塊、專業核心模塊和應用領域模塊四層。

由圖1可知，公共基礎模塊為物聯網工程專業學生在第一學年學習的公共基礎知識課程，也是整個物聯網知識體系的基礎支撐。專業基礎模塊主要是為大二學生初步接觸物聯網專業知識做理論鋪墊，如數據結構與算法、電路與電子技術、單片機原理與數據庫系統等。專業核心模塊按照理論與實驗相結合的方式將物聯網的關鍵技術課程安排到第三學年，目的是使學生在已有公共基礎和專業基礎知識的基礎上，逐步掌握物聯網核心技術，初步建立物聯網知識體系，并開始接觸相關的實驗內容，從中獲得一定的實踐技能。專業核心模塊主要包含三個部分，分別是感知技術、傳輸技術和處理技術。從數據流向的角度來看可以將三種技術的工作機制概況如下：

（1）利用傳感器節點感知層技術和物聯網控制技術對數據進行采集。

（2）利用短、中、長距離物聯網通信技術將傳感器節點采集到的數據匯聚到物聯網網關。

（3）物聯網網關通過Internet層將數據發送給上位機或客戶端計算機進行數據處理和分析，進而對底層節點發送控制信令，完成交互。應用領域層是指以校企合作為主要形式的實訓實習，分布時間段為第四學年，將學生在校期間學習到的物聯網知識通過實訓項目的方式運用到實踐中，如指引學生將物聯網知識應用到智能交通、物流監控和醫療檢測等領域。

2? 物聯網工程遞進式實踐教學體系

物聯網工程遞進式實踐教學模式是一種面向校企合作并以工程實踐能力為導向的教學模式，該實踐教學模式的架構如圖2所示。從圖2中可以看出，該體系分為設計交叉學科校企融合實踐教學體、以制定項目應用能力為導向的實踐教學方案和探索多元協同的人才培養方案3個方面，并且是逐級遞進的，而建立實踐能力檔案作為遞進式教學的數據歸口貫穿整個教學體系。通過設計交叉學科校企融合實踐教學體系來夯實學生專業實踐技能，在此基礎上，通過制定以項目應用能力為導向的實踐教學方案使學生在實訓項目的整個周期中不斷強化項目運作能力，并在此過程中激發學生的創新意識，為其后續工作崗位的專業技能需求做好充足準備。而后通過探索多元協同的人才培養方案來整合多元化交叉學科的實驗實訓軟硬件資源，以及提升物聯網實踐教學氛圍。建立實踐能力檔案與遞進式的三個方面皆有關系，這三個方面的成果最終會體現在實踐能力檔案中，而實踐能力檔案的持續更新又會反過來動態調整和優化實踐教學體系架構，形成遞進式教學的促進與反饋。

2.1? 設計交叉學科校企融合實踐教學體系

為了引導并強化學生的物聯網工程技術實踐能力，首先需要設計科學合理的實踐教學課程體系。圖3是在圖1的基礎之上設計的物聯網實踐課程體系，該體系囊括了圖1中涉及的所有核心知識，并且是循序漸進，前后銜接。

從橫向來看，該體系的時間跨度為四個學年，第一學年到第四學年的課程難度逐級遞增，涵蓋了主要的學科知識，便于學生循序漸進地進行專業知識的系統性學習。物聯網感知層知識課程安排在大二，數據庫知識、信息技術和通信原理知識課程安排在大三，企業實訓實習安排在大四。從縱向來看，該實踐課程體系分為理論鋪墊、實驗操作、課程設計和項目實踐四個過程，由淺入深，培養學生運用物聯網理論知識解決工程實際問題的能力，同時培養學生的創新意識。

在第一學年，首先通過物聯網導論讓學生初步了解和學習物聯網相關的基礎知識，為學生后續專業課程的學習做好理論方面的準備。其次通過引企入校和現場觀摩物聯網項目的方式激發學生的學習興趣，輔以大學物理、數字電路基礎、模擬電路基礎和電路原理等課程知識鍛煉學生的實驗能力。最后通過對高等代數和概率論與數理統計的學習，使學生能夠在后續的專業學習中具備一定的邏輯推理能力和數據分析能力。

在第二學年，課程任務增多，知識難度增大，學科類目增加，需要學生針對模擬和數字電路技術及傳感器技術動手實驗，培養學生中級動手能力，并使學生掌握硬件相關知識。此外，在硬件知識的基礎上，學生學習單片機原理、嵌入式開發與應用和匯編語言，增強學生軟件知識儲備，以更好地迎接第三學年難度更大綜合性更強的感知層技術課程，也為大學生創新創業大賽做好準備。

在第三學年，專業課程無論從數量上還是難度上都有所增加，主要分為兩個課程分支，分別是信號處理和通信技術。其中，信號處理技術主要涉及自動處理和AI算法等，總體偏向于軟件，而通信技術主要涉及電路原理和計算機硬件結構，總體偏向于硬件。

在第四學年，學生對基礎課程與專業課程的學習基本完成，主要是通過畢業設計將所學知識加以綜合運用，而畢業設計中所涉及的項目經驗、創新方法和思維靈感，需要從企業實訓和頂崗實習中獲取。

2.2? 制定以項目應用能力為導向的實踐教學方案

衡量一個物聯網專業學生實踐能力的標準就是其是否具備工程實踐的項目應用能力，如圖4所示為培養學生項目應用能力的實踐教學方案，此方案主要是針對基礎實驗和課程設計而制定，具體過程可分為兩步：第一步是通過基礎實驗使學生逐漸形成初步的動手能力，從而形成學生的實踐能力檔案。這一步主要分布在大一和大二學年，在這一階段，學生通過對物聯網基礎課程的學習，初步構建物聯網知識體系。在實際的教學過程中，教師設計多組難度不等的基礎實驗供學生選做，而后依據學生的實驗興趣表現形成個性化的實踐能力檔案。第二步就是通過課程設計環節訓練學生的創新意識，涉及時間段為大三和大四學年，通過兩個學年的學習，學生已具備基本的物聯網專業技術知識，并具有一定的創新能力，形成了相對固定的學生實踐教學檔案。在這一步中，實踐教學的主體已由教師轉移到學生。

2.3? 探索多元協同的人才培養方案

為了能夠充分利用學校已有的教學資源，對多個實驗實訓中心的軟硬件資源進行優化整合，發揮物聯網工程多學科交叉的專業優勢，提出了多元協同的物聯網人才培養方案。該機制主要包含以下三個方面：

（1）構建綜合實驗實訓平臺與學生之間的紐帶，并依據學生的實踐能力檔案定向給學生推送定制化的信息，其中，所推送的信息包括課程教案實驗設計、科研進展、專業前沿、公司招聘等。

（2）建立創新創業大賽培訓隊伍，通過遴選專業教師資源，建立一支專業性強、創新輔導經驗豐富的培訓隊伍，為每屆國家級大學生創新創業大賽輸送綜合素質和實踐能力較高的物聯網學生。

（3）充分利用學校及社會資源，學校與企業合作共同建立校企合作實習基地，給大四學生提供專業講座、學術交流和就業推薦等資源。

2.4? 搭建物聯網綜合實訓平臺

在物聯網工程專業的人才培養方案中，傳統的做法是將物聯網綜合實訓安排在第四學年第二學期，這是一門綜合了所有物聯網專業課程的實踐性課程，主要考察學生物聯網技術的實際應用能力，使學生達到物聯網行業各工作崗位的能力要求。

然而，現有的實踐教學平臺仍存在很多的不足之處，例如，設備軟硬件資源有限，學生實驗分組的合理性與龐大教學體系的復雜性之間存在矛盾，雖然通過團隊合作可以完成一些簡單的實驗任務，但對于一些難度較大的綜合性實踐項目，由于學生理論知識的新鮮性和動手操作的不熟練性，往往會在實驗環節出現連線錯誤、設備燒損、代碼報錯等問題，從而影響了實踐教學的效率。

綜上，在實踐教學體系的整體框架下，設計了基于校企合作的物聯網綜合實訓平臺，平臺結構如圖5所示。該平臺包含三個模塊：數據采集模塊、數據處理模塊、智能控制模塊。其中，數據采集模塊利用各類傳感器（聲、光、電、溫度、濕度、壓力、煙霧等）對外接輸入節點的信號進行采集，外接節點的輸入量可以是數字量，也可以是模擬量。在數據處理模塊中，由客戶端上位機控制的協調器通過位于網絡層的網關節點對所有采集到的信號進行收集和匯聚，再將數據傳輸給數據庫服務器進行分析處理（通信過程中所用到的物聯網通信技術為ZigBee技術）。智能控制層對經過采集、處理、分析的信號進行輸出，再針對輸出的數字量或模擬量大小對協調器進行反饋，從而控制整個物聯網實訓平臺的工作。

該實驗平臺以物聯網通信技術為核心，利用模擬和物理兩種傳感設備，通過無中心、自組織的方式進行拓撲組網。實驗平臺由具有不同功能的嵌入式開發板、擴展板、傳感器、通信模塊組成。操作者可以依據實驗內容和要求的不同自由搭配組合不同的實驗模塊，甚至是在同一個實驗中，也可以更換通信模塊進行對比驗證。功能面板具有不同的功能區，如設備類型選擇區、供電區等，這些功能區可以提高操作者的實驗效率（連線、跳線、驅動等），方便操作者觀察實驗數據的走勢。物聯網綜合實訓平臺示意圖如圖6所示。

3? 實踐教學質量評價

驗證新工科背景下物聯網工程專業實踐教學體系的方式有很多，除了將學生的實驗報告、實踐測評、項目參與度和比賽獲獎等作為測評標準之外，還要在每一學年的不同學期對學生進行線上問卷，問卷的幾個主要問題如“你的職業發展目標是什么？”“你的專業技術實踐能力如何？”“你最感興趣的學科課程有哪些？”等。不同年級以及同一年級不同班級學生的問卷結果差異都會側面映射出實踐教學體系的成效。因為只有學生能夠做到明確自己的目標，知道實現目標的基本途徑，以及評估自己實現目標的可能性，才會使其大學生活變得意義非凡。

4? 結? 論

物聯網是新工科專業課程體系中的重要一員，其發展模式也應該遵循新工科倡導的基本思想（即“創新”“融合”“共享”）。為響應國家新工科建設及創新型人才培養的號召，提出了面向物聯網工程專業的實踐教學體系。該體系不僅涵蓋物聯網領域的多學科技術，體現出交叉融合與聯動應用的特點，還注重對學生自主意識、實踐技能和創新思維的培養，并以新型實踐能力檔案進行表征。通過校企合作綜合實訓平臺對多元化的實驗資源進行優化整合，通過項目實踐實現了學生的個性化發展，同時還提高了物聯網專業的實踐教學質量，推動了實踐教學的發展。

參考文獻：

[1] 周梅，張登銀，李養群，等.新工科人才創新創業能力培養實踐與研究——以物聯網工程專業為例 [J].軟件導刊，2020，19（11）：262-267.

[2] 王秀娟，鄭康鋒，張佳玥，等.面向新工科建設的物聯網工程實踐課設改革思路 [J].教育教學論壇，2020（43）：186-188.

[3] 方娟，張佳玥，王秀娟，等.新工科背景下物聯網工程專業產教融合與多元協同育人模式研究 [J].計算機教育，2021（3）：153-156.

[4] 朱金秀，段蓉，劉艷，等.新工科背景下物聯網工程專業協同育人機制的探究 [J].計算機教育，2021（3）：157-160.

[5] 楊聰，林楠，曹仰杰，等.新工科背景下物聯網工程專業產學研協同創新機制的研究與實踐 [J].信息與電腦：理論版，2021，33（16）：219-221.

[6] 張琰.基于物聯網工程的新工科實踐平臺分析 [J].電子技術，2021，50（10）：116-117.

[7] 丁昊，石鴻凌，孫美靜.基于國際合作項目的民族高校物聯網實驗課程之實踐探索 [J].科教導刊，2021（35）：117-119.

作者簡介：曹園青（1985—），男，漢族，內蒙古巴彥淖爾人，講師，碩士研究生，研究方向：計算機網絡、信息安全、云計算。

收稿日期：2022-12-01

基金項目：內蒙古自治區高等學院科學技術研究項目（NJZY22247）；內蒙古自治區哲學社會科學專項項目（ZSZX21090）；河套學院教學研究與改革項目（HTXYJY2102）；河套學院新冠肺炎重點研發項目（HYZX202089）