以能力為導向構建物聯網工程專業實踐教學體系

逄德明 羅玉川 陳穎文 胡罡

［摘 要］ 以培養學員的創新意識與工程能力為導向，通過分析物聯網工程專業特點，探索物聯網工程專業人才實踐能力的培養方法，設計了涵蓋物聯網三層體系架構的五類實踐教學體系。以國防科技大學物聯網工程專業建設為例，在所構建的體系框架下面向畢業要求能力達成，有效組織與實施了實踐教學活動，基于專業能力與課程內容之間的對應關系，設計了五類實踐教學相關內容，形成了以核心課程實驗、綜合課程設計、專業實習、課外創新實踐和畢業設計為一體的循序漸進式實踐教學體系。

［關鍵詞］ 物聯網工程專業；實踐教學體系；能力導向

［基金項目］ 2018年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“物聯網工程專業應用性與創新性人才培養研究與實踐”；2019年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“大數據背景下物聯網工程專業改革實踐”；2020年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“‘科教融合、訓賽一體、平臺支撐的認知域安全人才創新實踐能力培養”（HNJG-2020-0008）

［作者簡介］ 逄德明（1984—），男，內蒙古興安盟人，博士，國防科技大學計算機學院副教授，主要從事智能物聯網與時序數據挖掘研究；羅玉川（1990—），男，四川廣安人，博士，國防科技大學計算機學院講師，主要從事云數據安全和隱私計算研究；陳穎文（1979—），男，湖南株洲人，博士，國防科技大學計算機學院教授，主要從事物聯網研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）16-0005-04［收稿日期］ 2021-09-27

一、物聯網工程專業概述

自2010年物聯網工程專業被批準開設以來，我國共計五百余所本科院校開設了物聯網工程專業，成為近十年院校新增數量最多的專業［1］。教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會已于2012年頒布了《高等學校物聯網工程專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）》和《高等學校物聯網工程專業實踐教學體系與規范（試行）》［2-3］，以指導高校物聯網工程專業的辦學定位和專業建設，在此基礎上國內高校物聯網工程專業建設逐步得到完善，但如何開展物聯網工程專業實踐教學設計與實施從而提高學員的物聯網實踐創新能力，仍是教育工作者面臨的較大挑戰。因此，加強物聯網工程專業建設、實踐教學改革、物聯網核心技術及其典型應用研發已成為相關高校和企業關注的新方向［4］。

物聯網工程專業具有跨學科、技術廣、綜合性強等特點，多學科知識交叉融合，涉及通信、計算機、網絡、嵌入式系統、自動控制等領域，致力于培養學員綜合實踐、應用創新等方面的能力，以滿足當前社會信息化及智能化環境下對人才的多樣化需求。其中，物聯網的體系架構分為感知層、網絡層及應用層。我校自開設物聯網工程專業以來，經過幾年的專業教學實踐探索，圍繞物聯網工程專業實踐能力指標點，針對教學過程中存在的問題，從培養學員創新意識、工程意識、工程能力出發，對物聯網工程專業實踐教學體系進行了設計和完善，構建了“三層五類”的物聯網工程專業實踐教學體系。

二、實踐教學體系設計

物聯網工程專業應以應用為驅動，明確人才培養目標，培養目標主要涉及兩個方面：一是要明確培養什么樣的人，即清楚企業需要什么樣的專業人才；二是要明確這類人才的質量標準，即學員畢業時需要達到怎樣的基本要求。以新時代人才需求的變化為依據，通過走訪用人單位、調研企業生產環境，研究物聯網工程專業畢業生工作崗位與專業實踐能力的對應關系，以及專業實踐能力與課程知識體系的對應關系等，最終按照工程教育認證通用標準，形成了包含專業實踐能力在內的33項能力指標點的畢業要求。

為支撐各個實踐能力指標點，需要合理設計物聯網工程專業課內實驗與課外實踐項目，實現物聯網工程專業方向實踐教學的三個轉換，即從單一結構型向復合結構型轉換，從以課堂教學為主向課堂教學與實踐教學并重轉換，從知識傳授型教學向能力培養型教學轉換。

在具體進行實踐環節的教學設計時，根據物聯網技術體系中的三層結構設計實踐教學，以配合加強學員對于感知層、傳輸層、數據處理與應用層理論和技術的認識、理解和應用。以物聯網實踐教學體系的設計原則為指導，圍繞專業能力培養和專業規范，建設五類實踐教學體系，包括核心課程實驗、綜合課程設計、專業實習、畢業設計和學科競賽及創新創業競賽。

在實踐教學的具體實施過程中，以工程化項目作為載體，采取項目驅動式及實施方案反推原則進行構建，即按照校外實踐基地建設—實踐教學師資建設—校內實踐環境建設—實踐教學模式建設四個階段實施物聯網工程專業實踐教學體系建設。

（一）核心課程實驗實踐教學建設

專業課程設置的課內實驗以驗證性實驗為主，側重于訓練學員的基本學科能力。通過整合計算機、電子信息和通信等專業課程，梳理出國防科技大學物聯網工程專業課程體系，其主要課程設置如表1所示。

針對專業核心課程的教學內容，循序漸進地按照基本認知、基本技術和綜合實踐三層開展實驗教學。以“物聯網技術基礎”課程為例，同步開展課程實驗與課程教學。針對物聯網基本系統組成相關知識，設計傳感器技術實驗、RFID技術實驗和二維碼技術實驗，使學員對課程面向的技術對象有實感上的認知，了解傳感器的工作原理、傳感器節點的功能及傳感器的組成和分類，并能夠通過編程實現傳感器信息采集功能。在此基礎上，結合物聯網典型應用案例，設計三點定位實驗、Hadoop實驗及MapReduce實驗，鞏固學員的課程學習成果，進一步鍛煉學員綜合運用理論和技術解決實際問題的能力。

實踐教學過程突出“三實”，即選取實際案例、使用實際設備、基于實際數據開展實踐教學。在實踐教學課程中，設計貼近實際應用的內容和項目，如在“物聯網綜合實踐”課程中，設計人員身體狀態檢測系統、無人車自動駕駛等在真實應用下可能出現的場景；在“工業控制網絡”課程實驗中，使用CAN總線嵌入式平臺開發CAN總線通信系統；在“物聯網安全課程設計”中，使用真實的車載控制數據集中完成入侵檢測的設計與實現。

（二）綜合課程設計實踐教學建設

以應用為牽引設計綜合性實驗，初步訓練學員解決問題的能力，并設置難度依次遞進的若干實驗。綜合課程設計應更強調綜合性和設計性，因此，在設計實踐項目時強調覆蓋物聯網體系結構的三層模型，并在此基礎上建立物聯網應用。物聯網工程專業開設的綜合課程設計包括“物聯網綜合實踐”“物聯網安全綜合實踐”和“物聯網應用開發與系統集成”。

以“物聯網綜合實踐”課程為例，該課程是團隊項目，主要面向物聯網工程專業大學四年級學員開設，涉及計算機網絡技術、傳感器技術、嵌入式系統開發等各方面內容。要求學員能夠運用“物聯網技術基礎”“物聯網應用開發與系統集成”等課程所學的知識，設計并實現具有一定功能的物聯網系統，并完成報告的撰寫，模擬真實物聯網應用系統各個關鍵部件的設計與實現過程。

“物聯網綜合實踐”課程設計的第一個項目是智能花盆，要求學員運用課堂所學知識，自己動手制作一個能夠自動降溫、灌溉、調節植物生長環境的花盆；第二個項目要求學員基于藍牙模塊，設計一個室內定位系統；第三個項目要求學員通過編寫程序，實現智能小車的自動駕駛，并在賽道上通過比賽結果評定成績；最后一個項目即要求學員設計心率分析系統，通過測量人的心率，利用可視化的方式展現人體健康狀況。

通過上述實踐項目的開展，有利于學員掌握多傳感器應用，能夠通過編程獲取傳感器數據；掌握傳感器對環境的感知，并根據感知信息進行系統反饋；掌握提升室內定位精度的經典方法；能夠設計軟硬件系統，實踐完整的開發流程，并且能夠覆蓋物聯網工程專業培養標準33項能力指標點中的12項實踐能力目標指標點。

（三）建設院校與用人單位協同育人體系，聚焦崗位與專業能力的緊耦合

通過建立實踐基地，能夠使院校更準確地了解用人單位需求，據此更新培養方案。在培養過程中實行單位與院校的雙導師制，充分利用社會資源為學校服務，充實和完善校內實踐教學的各個環節。通過基地實習環節，有利于形成實習案例和實習規范，有序銜接課程實驗、綜合課程設計與畢業設計等校內實踐課程學習，拓展學員的綜合能力和綜合素質。

校內實踐項目與校外基地建設聚焦學員的實踐動手能力與綜合應用能力的提升。院校要梳理實踐能力生成模型，以此為綱，打造高水平師資隊伍，優化實踐教學環境，加強實踐基地建設，最終落實于學員物聯網工程專業能力培養這一靶心，促使學員的專業能力在新的維度錨定，在實踐全過程中得到錘煉。

（四）畢業設計

畢業設計是體現本科生各方面能力的總結性獨立作業，具體形式是要求學員針對某一課題，綜合運用物聯網工程專業有關課程的理論和技術，做出能夠解決實際問題的或具有創新意義的設計。畢業設計是物聯網工程實踐教學體系的最后一個環節，既可以在學校完成，也可以在與用人單位共建的實踐基地完成。通過畢業設計的實施，學員可以對某一課題開展深入系統的研究，從而鞏固、擴大、加深已有知識，培養綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。

物聯網工程專業的畢業設計課題涵蓋了物聯網三層體系結構中的感知、傳輸與應用二十余項。其中一些有代表性的畢業設計課題，如“電梯疲勞度智能感知與分析系統”的主要內容是設計與實現電梯運行狀態數據采集模塊，通過電梯運行狀態參數的采集與智能分析，實現對電梯疲勞度的判定，輔助電梯系統的維護保養。通過參與課題研究，可以提高學員對物聯網系統中數據的采集與分析處理能力。另一項課題“云眾包系統的信譽建模技術研究”的主要任務是讓學員通過獨立調研，了解基于云平臺的眾包系統架構，構建眾包用戶的信譽評價模型，最后通過仿真實驗驗證信譽評價模型的合理性。通過該課題的研究，可以讓學員對云計算的概念及其優勢有更深入的理解，學會基于云平臺進行數據的收集與加工。“無線認知網絡接入技術設計與實現”課題的主要內容是在USRP開發平臺實現無線認知網絡的主要功能，包括頻譜的感知與接入。要求學員能夠具體完成物聯網系統中節點對無線信號的能量感知，獲取無線信道狀態信息后分析判斷信道狀態，最終能夠選擇合適的多個信道實現信息的傳輸，并測試分析動態頻譜接入模式下的網絡性能與服務質量。該項目主要訓練和考核學員對物聯網中信息傳輸層的設計與開發能力。

（五）以學科競賽為牽引，提高學員創新實踐能力的培養

課外創新實踐活動旨在訓練學員的高層次專業能力，因此，要將最新的科學研究成果及時地融入教學實踐中，有意識地培養學員的創新思維，激發學員獨立思考、勇于探索的精神，構建創新型教學平臺。

國防科技大學充分利用網絡安全重點實驗室積累的一系列國際先進科研成果，面向學員創新能力的培養，開發了豐富的教學資源，并探索了與之相配套的教學方法，取得了顯著成效。其中NetMagic是國防科技大學重點實驗室面向下一代互聯網絡創新體系結構而研究開發的網絡實驗平臺，該平臺具有硬件可重構性和軟件控制可編程性的特點，而且其內部具有計算存儲模塊以及豐富的功能擴展接口，有助于打破傳統商業網絡設備的封閉性束縛，顯著縮短網絡技術科研創新周期，有效減輕學員的系統設計和驗證工作，幫助學員擺脫單純的驗證式實驗方式，避免無法觸及和改變網絡內部工作機制的缺憾，為新型傳輸機制和網絡協議的研究提供有效的驗證手段。

基于NetMagic平臺設置物聯網綜合性實驗環節，以現實應用為驅動，助力學員設計開發學科競賽作品，以更有效地激發學員的創新能力，感受物聯網設計與改造的成就感。結合網絡體系結構領域最新研究熱點、最前沿研究課題和學員畢業課題內容，將最具有代表性的教學案例應用到課程實驗中。其中典型教學案例包括：路由器原型、基于規則的數據流鏡像和阻斷工具、網絡數據采集和Trace生成工具等。此外，為進一步增強學員參與課外創新的積極性，在物聯網工程專業培養方案中設置課外創新實踐活動的最低學分要求。創新實踐活動形式可以多種多樣，如參加創新實踐競賽、申報項目、發表學術論文、申請專利等，多舉措鼓勵學員參加科技創新活動，培養創新能力。

結語

本文以物聯網工程專業規范和知識要求、專業能力要求、專業素質要求為主要設計依據，構建了支撐畢業要求能力的“三層五類”物聯網工程專業實踐教學體系。同時以國防科技大學物聯網工程專業建設為例，堅持以能力為導向的人才培養模式，組織與實施了“三層五類”實踐教學體系，將不同能力要求貫穿教學的各個環節，形成了以核心課程實驗、綜合課程設計、專業實習、課外創新實踐和畢業設計為一體的循序漸進式實踐教學體系，以期為國內外同類高校物聯網相關專業的實驗實踐教學提供參考與借鑒。

參考文獻

［1］陳穎文，鐘萍，逄德明.以能力為導向淺談物聯網工程專業人才的培養［J］.計算機工程與科學，2018，40（S1）：124-127.

［2］教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會.高等學校物聯網工程專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）［M］.北京：機械工業出版社，2012：1-136.

［3］教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會.高等學校物聯網工程專業實踐教學體系與規范（試行）［M］.北京：機械工業出版社，2012：1-100.

［4］桂小林，王東，黃傳河，等.基于新工科理念的物聯網工程專業建設［J］.中國大學教學，2018（7）：25-30.

Abstract： By analyzing the characteristics of Internet of Things （IoT） engineering majors， the practical ability training mode for this major is developed to level up their spirit of innovation and engineering capability. The proposed teaching system includes five parts which covers three tier architecture. The IoT major construction of NUDT is taken as an example to illustrate the organization and implementation of practical teaching which is oriented to fulfill graduation requirements. Based on the relationship between the required capability and contents of each course， the main content for five kinds of practical teaching is proposed， including in-class experiment， course project， professional training course， out-class innovative activity and graduation project.

Key words： internet of things engineering; practical teaching system; capability oriented