新工科背景下物聯網工程課程建設探索與實踐
——以“物聯網工程規劃與設計”課程為例

王 甜，李 霄，李曉芳，喻振杰，謝光前，李曙英

（1.常州工學院 計算機信息工程學院 常州市軟件技術研究與應用重點實驗室，江蘇 常州 213032；2.三明學院 經濟與管理學院，福建 三明 365004）

0 引 言

為了改造升級傳統工科專業，進一步適應人工智能、智能制造等新領域的科技革命與產業變化，加快培養新興領域工程科技人才以響應國家戰略需求，工程教育改革已成為高校提質增效培養人才的新浪潮。自2017 年2 月起，“新工科”建設受到教育部的大力推進，通過提高學生創新應用、工程實踐與團隊協作能力，塑造創新型與多元化的卓越工科人才[1]。通過五年的建設，一批“新工科”專業如物聯網、人工智能、大數據、云計算等陸續由教育部批準設立，以產學合作、協同育人計劃項目的方式推進高校人才培養模式的變革，滿足產業和技術發展的最新需求，進一步促進了學校資源配置方式與評價體系的改革[2]。

教育部在2010 年根據國家新興戰略性產業發展需要新設立的相關本科專業中，物聯網工程是一個嶄新的專業，而“物聯網工程規劃與設計”是物聯網工程專業的核心課程之一，在人才培養方案中處于重要地位。本科教育在整個高等教育體系中占有舉足輕重的作用，因此強化本科教學是高等教育質量提升的核心和關鍵。物聯網工程作為“新工科”建設的重點專業，其課程體系改革應遵循新工科理念，輔以多元化、創新性的教學方法，培養出具有較強實踐能力和創新思維的人才，以適應新時代、新環境與新業態的發展需求。

1 課程建設背景與必要性

隨著我國經濟發展進入新常態以及科技和產業革命的迅猛發展，工科類高校必須更加關注學科專業建設與社會需求的耦合關系。物聯網領域在感知、通信組網、信息處理和應用服務等方面衍生出了大量新技術和新方案[3]。從物聯網的架構體系來看，感知層方面，由原來通過各類傳感器感知、采集數據發展到以射頻識別RFID 和無線網絡WiFi 為標志的無源感知方式，到近期智能多模態感知方式逐漸興起；通信傳輸層方面，從傳統的藍牙、ZigBee 等為代表的短距離組網技術逐步發展為以低功耗、廣域網為特征的NB-IoT 與LoRa通信技術；平臺管理方面，人工智能、數據挖掘技術發展迅速，云平臺的深入應用與普及為數據的處理與存儲提供了新途徑；在實際應用層次，物聯網應用領域日益廣闊，從智慧工業、智慧物流、智慧家居、車聯網、智能農業到智能醫療設施、無人駕駛等，體現了物聯網技術已經滲透到生活的方方面面。因此，培養優秀的物聯網工程專業技術人才是高校本科專業建設的關鍵任務[4]。

“新工科”強調工程實踐與應用創新能力的培養，為高校物聯網工程專業人才培養指明了方向，物聯網工程規劃與設計作為實踐應用類與專業核心、特色課程的典型代表，對其課程建設與教學模式進行改革與實踐，對于提升物聯網及其相關專業師生的專業技術水平、教學實踐能力、創新業務水平，推動高等院校物聯網專業課程建設，促進物聯網人才的培養，夯實物聯網專業應用型人才的儲備等都具有非常重要的價值與意義，也是當前的熱門課題。

2 課程教學情況與面臨的問題

目前我國很多高校圍繞人才培養目標和模式，提出了“強化基礎，注重實踐，著眼能力，設計創新”的思想。但在實際的理論與實踐教學環節中仍然存在一些限制與不足，教學模式、教學資源和實踐教學平臺以及師資隊伍結構與質量等仍須進一步改革與完善，學生的實踐能力和創新思維亟待加強。下面對物聯網工程專業“物聯網工程規劃與設計”課程的教學實際情況與問題展開分析與探究。

2.1 教學模式缺乏多元化創新

面對“新工科”與省級一流專業建設中培養工程實踐應用型和創新型新工科人才的目標與要求，傳統的單一教學模式已經不能滿足人才培養的需求。在數字化時代下，如何借助于網絡平臺集成豐富、前沿的教學資源與先進的信息技術手段，構建活潑有趣的課堂環境，設計探究型的學習情境和多元化的評價模式，激發學生的學習興趣和提升工程認證的達成度，實現人才培養目標等問題，向教學設計人員提出了新的課程建設與改革的要求。

2.2 教學資源偏理論化和碎片化

教學資源的建設包括教材建設和網絡教學資源建設[5]。由于物聯網專業是新興專業，相關的教材比較匱乏，特別是關于“物聯網工程規劃與設計”課程方面的書籍與教學資料較少。市面上與該課程相關的可選教材多數將物聯網工程設計中網絡設計、數據中心設計、安全設計、軟件工程基礎等知識分開介紹，且偏理論化，學生接受的知識偏碎片化，對物聯網工程設計的流程以及各模塊的實現方式理解不深刻。因此，優秀的教材建設勢在必行，同時課程教學視頻、電子版教學課件和網絡教學資源建設等配套資料也亟待建設完善。

2.3 實踐教學平臺不能滿足課程建設要求

“物聯網工程規劃與設計”課程一般設置為32 或48 學時，其中24 或40 學時為理論課程，8 個學時為設計型或驗證型實驗，本校實驗課程集中于智能家居與安防應用下的基于MATLAB 模式的人臉識別與步態識別實驗，受限于課時與實驗工具箱的可擴展性不足，導致學生的實踐能力鍛煉不夠。通過課程學習，學生基本只能掌握本學科的基礎理論知識和專業技能，缺乏專業的實踐經驗。因為實踐時間短、設備落后，并且選取的實踐項目較簡單，與企業實際的項目相比存在著很大的差異，無法適應多元化物聯網技術進步與產業發展的需求。另外，由于實驗室建設經費等原因，缺乏綜合性的實訓室和具有豐富工程實踐經驗的實踐指導老師等。

(三)征召王羲之的詔書所到地名。當年皇帝征召王羲之的詔書到達地都含有“詔”字的地名，上述傳說的六詔村在王罕嶺東北山下；真詔村則在王罕嶺東南山下；長詔村又在王罕嶺南的沃洲山下。這些與王右軍當年活動地域有一定關系。

2.4 教師隊伍知識結構有待完善

師資隊伍來源渠道單一，年輕教師雖具備一定學歷，但缺乏相當比例的雙師型人才。教師和實驗技術人員缺乏物聯網行業的工程實踐經驗與企業頂崗實習經歷。另外，“物聯網工程規劃與設計”是一門綜合性較高的課程，一般在本科大四學年開設，其所涵蓋的學科知識具有交叉性和復雜性，在計算機類的專業課程基礎上，還包含嵌入式開發技術、射頻識別技術RFID、物聯網操作系統與信息融合、數據庫原理、無線傳感網絡、面向對象程序設計、自動控制技術、視頻語音智能處理技術以及信息系統集成等學科內容，其教學內容繁雜的特點，對教師的知識儲備提出了更高的要求。優質高效地完成教學任務需要教師具備專業的綜合實踐與創新能力；而當前高校師資隊伍中具有工科背景的教師緊缺，專任教師的工程背景偏弱、工程實踐能力不強，授課內容和形式與行業實際存在脫節現象，導致一流人才培養受限。

3 課程教學改革策略

3.1 教學內容與教學方法設計的優化

3.1.1 教學內容設計方面

物聯網工程規劃、設計、實施是一項復雜的系統工程，了解其主要過程、方法與要素是完成一項物聯網工程項目的前提和基礎[6]。按照“新工科”建設要求，很多高校按照工程專業認證要求和德育目標修訂課程大綱，設計符合課程專業培養目標和德育相結合的大綱內容。該課程的主要特色是著重培養學生關于物聯網工程項目設計與開發的實踐能力和項目管理能力，結合物聯網工程全生命周期的知識體系架構組織教學要素，由淺入深地設置章節內容，精準表述章節關系。以工程認證“培養能力”的課程目標為導向，改革傳統的教育教學方法。針對技術革新周期短、產業環境前沿等市場形勢，課程引入智慧小屋和智能安防等創新課題作為案例，基于物聯網由底向上的分層架構，結合RFID、各類傳感器與控制器、無線傳感網、大數據與云計算等關鍵技術以拓展教學內容，提升教學質量。

具體課程目標主要包括：（1）掌握物聯網工程規劃與設計的基礎知識，能夠將所學設計技術與方法綜合運用于具體的物聯網工程案例中，具備從需求分析、網絡設計、數據中心與網絡安全設計、工程項目勘查與測試、工程實施與維護等步驟規劃與設計典型物聯網工程系統的基本能力；（2）熟悉物聯網組網的一般架構與系統集成方法，能夠按照物聯網工程生命周期的思維撰寫階段性文檔，具有一定的工程管理與決策能力。以物聯網行業發展和企業需求為指引，課時有限須避免貪多求全，根據人才培養目標和技術支撐構建出科學合理的知識架構與課程體系[7]，如圖1 所示。突出物聯網工程規劃與設計的思路與方法，以項目化教學方式將枯燥的理論蘊涵于生動的實例中，引導學生由淺入深，結合理論與實踐領悟課程內容。

圖1 教材知識體系思維結構導圖[8]

3.1.2 “課程思政”元素融入教學設計

在2020 年修訂的大綱中，“物聯網工程規劃與設計”課程進一步融入了國家總體安全觀、“四個自信”、社會主義核心價值觀等思政元素，將思政教育與專業知識傳授相融合，建立知識點與思政元素和德育功能之間的相互映射關系。以國家教育部設立該專業的目的為初衷，通過學習物聯網復雜工程系統設計與實施的過程，探究科學問題的思維、方法及科學精神，貫徹落實習近平主席提出的科技強國、網絡安全的戰略，以潛移默化、潤物細無聲的方式傳遞給學生。課程章節設計要點及融合思政內容見表1 所列。

表1 “物聯網工程規劃與設計”課程主要章節與思政元素的映射關系

3.1.3 教學方法設計方面

基于疫情形勢的常態化，結合課程的性質，“線上+線下”的混合式教學模式受到越來越多的重視，該模式將互聯網先進的信息技術和海量教學資源更好地與線下的課堂教學相結合，從上課前的教學資源與教學環節設計、課堂教學、課堂后的復習鞏固與效果檢驗四個環節進行創新與改革，如圖2所示，形成“4+3+4”的教學模式，即課前預習、課堂教學、課后鞏固和考評反饋四個環節，具體化為每個環節下的三項任務，結合不同環節的四項線上教學資源庫與平臺展開教學，提升學生學習的主動性與參與度。采用項目化與探究式的教學方式，以物聯網工程規劃、設計、實施的系統工程的一般過程及其關鍵技術為重點，結合翻轉課堂的混合式教學模式，既充分利用線上多元化資源豐富教學內容，又充分發揮線下教學的監管反饋作用，切實提高教學質量。

圖2 “4+3+4”教學模式

以物聯網工程全生命周期案例—智能建筑控制系統為例，對教學過程作如下介紹：

（1）課前準備。教師將本章的知識點轉化成具體的教學任務，如本課題主要涉及傳感器技術、嵌入式系統開發、機電一體化控制、WiFi 通信技術、云服務器數據實時傳輸、手機APP 遠程控制開發等知識點。課前將中國大學MOOC 上河海大學開設的“物聯網工程專業綜合實踐”的在線資源推送給學生，并將學生隨機分組。通過線上教學平臺，教師可實時掌握學生的預習情況并且實施有針對性的監督和指導，引發學生學習課堂知識的熱情和解決問題的興趣。

（2）課堂教學。該環節是學生掌握知識點與實踐技能的關鍵步驟，結合目前疫情的常態化趨勢，線上與線下相結合的混合教學模式已成為較為高效與靈活的教學形式[9]。在課前預習的基礎上，任課教師參考教案首先從物聯網工程架構的角度對工程項目進行分解和剖析，使學生深入了解設計與規劃的目標。例如，一個完整的智慧建筑系統方案設計按照物聯網層次架構分析，包括感知層、網絡層、數據層和應用層。因此，典型智慧建筑系統架構可擴展為辦公樓建筑生態環境感知系統、辦公樓建筑基礎設施智能監控系統、管理與服務系統、電子服務平臺和運行服務平臺等。其中，辦公樓基礎設施智能監控子系統又可以分解為大樓各項基礎設施控制，如燈光控制、空調控制、窗簾控制、電器控制和多媒體智慧終端等嵌入式感知和通信能力，具備可監控可管理的功能，從而實施智能化的控制模式。辦公樓管理與服務子系統可分解為門禁管理系統、考勤管理系統、收費管理系統、會議報到系統等[6]。其次，以“項目驅動教學，任務引領學習”的方式展開課堂教學，以某個典型的智能建筑園區規劃與設計項目為應用場景，圍繞其設計若干子項目，包括物聯網系統需求分析、邏輯網絡設計、物理網絡設計、數據中心與物聯網安全設計、物聯網應用軟件設計和工程實施與管理維護，從工程實施方法論的角度，按照工程邏輯開展課堂教學，將學生需要掌握的理論知識融合在項目的分析和實施過程中，通過不同階段子項目的方案設計引導學生以工程思維來了解物聯網工程規劃與設計的任務和方法，并應用到今后具體的工程建設中，逐步具備規劃與設計物聯網工程的能力。

（3）鞏固復習。課后教師可以使用頭歌或畢博平臺將課堂上的重難點推送給學生，并督促學生完成學習平臺上的章節知識測試。教師線下對學生存在疑惑的問題作進一步解答，使學生進一步消化課堂知識并得到提升。例如，教師在講解辦公樓管理與服務子系統即門禁管理系統時，課后將本設計延伸到異常情況下的門禁報警數據是否可以上傳到云端，對異常圖像數據進行存儲和分析，進一步減少安全事故的發生。另外，DAS 門禁管理系統相比其他門禁應用系統的優勢在于采用的數據庫便于與第三方數據庫進行對接和集成。通過對比設計，體現了工程教育專業認證以學生為中心、成果導向與持續改進的理念，培養了學生的實踐精神和創新能力。

（4）考評反饋?？己酥饕ㄆ綍r作業練習、單元測驗、項目實踐和期末考試四部分內容。平時作業練習一般是教師針對本章的學習內容結合相應實際應用案例布置的練習題，比如在課程第三章的網絡設計學習結束后，布置相應的如“針對智能家居設計一個物聯網傳感系統，完成全方位監控管理”，在第四章的數據中心與物聯網安全設計學習結束后，可基于物聯網行業實訓仿真平臺布置相應的如“任選一個應用場景，結合物聯網行業實訓仿真平臺與新大陸物聯網云平臺（NLECloud），嘗試根據云平臺上的策略工具實現具體的功能，完成某個場景下的云端智能控制”。

OBE 能力導向教育對課程考評體系提出了新要求，提出多樣化、多階段的過程性考核對于學生能力的評價更為合理。因此，除了常規的平時作業以外，單元測驗可設置為1 ～2 周一次，主要考核學生對于本周內學習的基本理論知識和項目開發設計的知識點的掌握情況；教師可以通過慕課堂后臺實時看到學生的學習與答題情況，分析成績分布規律，在教學中實時掌握學生的學習結果與反饋，從而及時動態地調整教學方法，學生通過查看作業的評價與反饋，更加清楚學習過程中的薄弱環節并及時強化學習效果[10]。

另外，實驗環節可將智能建筑園區控制系統中劃分出的若干個子系統的規劃與設計任務分配給項目小組，每個小組的學生分別對應需求、網絡設計、數據中心設計、施工、監理等角色，按角色完成一個物聯網項目的規劃、設計與實施的全過程，教師在學生分組設計過程中提供針對性指導。通過各小組學生介紹合作規劃與設計的總體方案、實驗演示及回答問題、撰寫實驗報告等階段完成考核與評分，從而獲得一定的實踐環節分數。

相比于傳統的教學模式，基于綜合能力考查的多元化考核方式能夠形成正反饋的全過程，將過程中的階段測試與結果考核進行有機結合，便于構建科學有效的課程考核與評價體系與機制[7]；師生的互動環節也有效地促進了教與學，有力支撐了OBE 理論強調的“通過傳授知識，培養某種能力”的課程目標。

3.2 實驗內容設計的優化

3.2.1 創新創業競賽和項目驅動的實驗內容設計

以專業教師所承擔的物聯網相關科研項目與物聯網學科競賽課題作為驅動力，推動創新型開發與實踐項目的建設，與區域智能制造等優勢產業緊密銜接，目的在于培養學生的工程實踐能力與創新應用能力，樹立團隊協作意識。一方面，鼓勵學生積極準備并參加高校物聯網應用創新大賽、全國大學生物聯網設計大賽、程序設計大賽、數學建模大賽、RoboCup 機器人世界杯中國賽與“藍橋杯”全國軟件和信息技術專業人才大賽等權威性賽事，強化學生的工程實踐能力。其中許多比賽項目已經具有豐富的辦賽基礎，歷年積累的典型案例和競賽題目能夠反映技術前沿，對課堂內外形成有益補充。在此基礎上，教學組老師依據因材施教的教育理念，設計難易程度不同的實驗內容。另一方面，依托物聯網工程系教師所研究的前沿創新領域縱橫向科研項目，涉及到區塊鏈、LoRa 與NB-IoT 傳輸技術、無線傳感網絡、衛星定位、Android 移動應用開發、嵌入式智能識別技術等，從中凝練出難度不等的創新科研實踐課題，經過專家審核組建學生實驗課堂試題訓練庫。

3.2.2 可擴展實驗模塊和平臺研發

近年來，為了使人才培養與產業發展需求合軌，物聯網實驗室陸續購置RFID 物流應用、智能家居和智慧農業等實訓集成設備、工具箱等，集成了多個開發板和傳感節點，但設備數量偏少且核心組件跟不上物聯網技術日新月異的發展，通用性與可擴展性不足，使用方式靈活性欠缺。目前物聯網新興技術發展迅速，NB-IoT 模組、LoRa 模塊、智能網關控制系統、云平臺與云存儲等，對創新型實驗環境提出了新要求。以Arduino 系列開發板、樹莓派等新技術為代表的易擴展型開發板近年來受到越來越多的關注和應用，技術日益成熟且使用便捷，各種云平臺資源，例如中移物聯OneNET、華為云、阿里云、騰訊云等為用戶提供了方便、高效的服務，在課程建設過程中教學組通過自主設計開發、購置擴展模塊與組件等途徑構建了用于教學的實驗平臺，例如“物聯網工程智能創新實驗室”研發的智能家居組件，在這些平臺上學生可以進行二次開發，后續還可以繼續擴展其他創新型實驗，以滿足“新工科”背景下對于創新型人才的培養要求。

3.2.3 虛擬仿真平臺的開發和應用

物聯網的教學對硬件的要求較高，但高校的硬件設施很多不能完全滿足學生實踐的需求，虛擬仿真平臺可以有效地解決在物聯網技術教學設備方面投入不足導致的實驗器材設備落后，實驗局限于嵌入式方向對于簡單理論的驗證，以及對于物聯網中的智能模塊實驗支撐較弱的問題。虛擬仿真技術是通過計算機軟硬件技術、傳感技術和人工智能技術等虛擬化現實生活環境的一種仿真系統，形成了一種高端化的人機交互界面與接口。例如，在物聯網項目化開發過程中結合所涉及到的各種通信傳輸模塊和傳感器模塊等，將涉及的各種開發板做成模型為學生提供選型。另外，將每一款開發板的芯片手冊、硬件原理圖等學習資料導入仿真平臺，學生可以通過查閱資料在教師的指導下學習模塊的開發，在此基礎上可以根據具體需求結合仿真軟件如MATLAB、LabView、OMNet++等開展仿真實驗。在物聯網工程教學過程中，教師可將物聯網工程實訓環節嵌入到虛擬仿真平臺上，使得學生學習方式更加靈活、多樣，能夠自主地設計和構建復雜的物聯網工程系統，逐步構建起一套多層次、多元化和模塊化的實驗教學體系，有利于培養學生的實踐應用和創新能力。例如，在疫情防控背景下物聯網工程系搭建“基于RFID 的防疫物資城市調配”虛擬仿真實驗平臺，使得本專業課程被評為江蘇省首批虛擬仿真實驗類的一流本科課程。

3.3 師資體系結構的優化

近年來，國務院陸續頒布了《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》和《關于深化產教融合的若干意見》等文件，明確說明要強化校企合作與協同育人策略的實施，探究校企之間合作的創新機制，激勵高校教育融入企業需求與前沿技術，構建產教融合的新型育人體系。很多高校積極探索校企課程共建，邀請企業工程師、學校任課教師與系部主任多角度商定人才培養模式與教學大綱。按照市場對人才的實際需求和應用技能等綜合素質，確定課程體系，選擇課程內容。校企協同開展課堂教學、課程設計與畢業設計等實踐性環節的指導，由產業教授、行業專家對現有師資進行培訓。考慮到物聯網工程技術發展較快的特點，這樣的發展思路對于本門課程的改革具有啟發性的作用。

現有高校的“物聯網工程規劃與設計課程”人才的培養目標難以適應物聯網產業的發展要求，作為教學活動的引導者，教師要有更扎實的理論知識和更高的行業眼界。在理論學習方面，利用中國大學MOOC 網、愛課程等國家精品和省級一流在線開放課程的學習資源緊密關注前沿教學內容，鼓勵任課教師在慕課上建設獨立/同步SPOC，在超星、爾雅等電子資源平臺上建設線上課堂，線下組織精品課程的學習與聽課，進一步提升教師的理論水平。高校應該注重培養“雙師型”教師，聘請企業工程師對物聯網專業教師進行專業師資培訓，使得教師有更多機會參與到企業實際生產生活中去，掌握企業應用的先進技術，從而提高教師對于該門課程教學的質量與水平。

為此，開設本課程的物聯網工程系與企業合作，逐漸建立多個校企合作基地，申報立項教育部產學合作協同育人項目“物聯網工程規劃與設計”教學改革實踐等，依托項目的實施，學生有機會接觸市場的實際需求與行業的前沿技術領域，通過參與實際物聯網工程項目，幫助學生構建起工程能力體系，鍛煉學生的工程實踐動手能力與應用創新能力，為今后深入學習專業知識和走向工作崗位打下堅實的基礎。

4 結 語

“互聯網+”與傳統行業加速融合，以“新工科”建設與省級一流專業建設要求為導向，結合“物聯網工程規劃與設計”課程的特點與目標，從教學情況及面臨的問題出發，對于教學模式缺乏多元化創新、現有教學資源偏理論化和碎片化、實踐教學平臺不能滿足課程建設要求和教師隊伍知識結構有待完善等問題，借鑒CDIO 教育模式，以綜合能力培養為目標，從改革優化教學內容、教學方法、實踐教學環節和師資體系結構出發，將思政教育貫穿全教學環節，結合線上線下混合式的“4+3+4”教學模式，激發學生的愛國熱情和學習興趣。通過校企合作、協同育人，將人才培養目標與企業需求接軌，進一步結合虛擬仿真平臺、創新創業競賽和科研項目驅動實踐育人環節，優化師資體系結構，最終達到培養學生工程實踐能力和解決復雜工程問題能力的目的。