面向智慧交通的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)探索

王亞平， 余貺琭， 滕永平

（北京交通大學(xué)a.物理科學(xué)與工程學(xué)院；b.計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044）

0 引 言

隨著工業(yè)4.0 時代的到來［1］，物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感、光纖通信、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等理論技術(shù)得到了廣泛而迅猛的發(fā)展。基于新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式特征的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，提前進(jìn)行人才布局，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、數(shù)字化思維、跨界整合能力的新工科人才［2-4］，成為高校教育改革創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向。教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，2017 年以來高校相繼推出“復(fù)旦共識”［5］“天大行動”［6］“北京指南”［7］，逐步推進(jìn)新工科人才培養(yǎng)教育改革。

面向新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略需求和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景，依托學(xué)校“雙一流”智慧交通學(xué)科領(lǐng)域建設(shè)的優(yōu)勢基礎(chǔ)，發(fā)揮實驗課程建設(shè)團(tuán)隊和實驗室管理團(tuán)隊改革動力，將物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)與智能交通應(yīng)用相結(jié)合，設(shè)計新工科背景下面向智慧交通行業(yè)需求的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實驗實踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)教學(xué)模式，研究探索以交通行業(yè)特色為牽引、產(chǎn)學(xué)研融合和高校特色為支撐的新工科工程實踐創(chuàng)新平臺內(nèi)涵建設(shè)方案，對專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)和實驗教學(xué)方案進(jìn)行動態(tài)調(diào)整優(yōu)化，提升專業(yè)實驗教學(xué)隊伍水平，建設(shè)與交通行業(yè)背景深度交叉滲透融合的先進(jìn)傳感技術(shù)實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)實驗平臺，為交通強(qiáng)國戰(zhàn)略需要培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和實踐能力的復(fù)合型人才。

1 “一中心二融合三依托四環(huán)節(jié)”實踐教學(xué)模式

針對高校人才培養(yǎng)實驗教學(xué)平臺建設(shè)目前存在的與產(chǎn)業(yè)銜接不緊密、校際院際合作建設(shè)動力不足、機(jī)制不順等新工科實踐創(chuàng)新平臺建設(shè)問題［8］，以及“科教融合”“產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”在新工科實驗教學(xué)平臺建設(shè)需進(jìn)一步強(qiáng)化問題，積極探索新型實踐教學(xué)模式，提出“一中心二融合三依托四環(huán)節(jié)”的教學(xué)改革思路，如圖1所示。該教學(xué)模式遵循成果導(dǎo)向教育（OBE）理念［9］，以學(xué)生工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為中心，通過科教、產(chǎn)教融合的方式，依托實驗課程團(tuán)隊、實驗室管理團(tuán)隊和企業(yè)技術(shù)團(tuán)隊，完成基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、行業(yè)特色綜合實驗、科研創(chuàng)新實踐，實現(xiàn)工程人才培養(yǎng)的“產(chǎn)學(xué)研”對接。

圖1 “一中心二融合三依托四環(huán)節(jié)”的新型實踐教學(xué)模式

一中心 聚焦學(xué)生工程實踐創(chuàng)新能力養(yǎng)成為中心，面向智慧交通行業(yè)需求的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗課程體系、實驗平臺、實驗內(nèi)容和教學(xué)實施方法，培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、方案設(shè)計、系統(tǒng)實施、團(tuán)隊協(xié)作等綜合能力。

二融合 通過“科教融合”和“產(chǎn)學(xué)研融合”推動實驗教學(xué)創(chuàng)新。發(fā)揮本校交通行業(yè)的特色和優(yōu)勢，促進(jìn)各校、學(xué)院之間技術(shù)交流，鼓勵支持教師將最新的科研成果和技術(shù)服務(wù)方案轉(zhuǎn)化為實驗課程教學(xué)內(nèi)容或?qū)嶒烅椖浚话l(fā)揮北京區(qū)位優(yōu)勢，強(qiáng)化校企合作，產(chǎn)教融合協(xié)同育人，通過將部分實驗教學(xué)內(nèi)容安排在學(xué)生企業(yè)實習(xí)階段，同時建設(shè)企業(yè)實驗教學(xué)指導(dǎo)教師隊伍，并指導(dǎo)學(xué)生參與各類物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)競賽及指導(dǎo)畢設(shè)論文等。

三依托 依托實驗課程建設(shè)團(tuán)隊、實驗室管理團(tuán)隊和企業(yè)技術(shù)團(tuán)隊。一是依托實驗課程建設(shè)團(tuán)隊，升級改造面向新工科改革的專業(yè)實驗課程，針對行業(yè)需求，結(jié)合學(xué)校特色和優(yōu)勢學(xué)科，開發(fā)新的實驗項目，例如：針對智慧交通場景下的先進(jìn)傳感技術(shù)實驗平臺；二是依托實驗室管理團(tuán)隊，按照實驗課程體系升級改造要求，升級實驗教學(xué)設(shè)備儀器改造實驗平臺，積極參與實踐教學(xué)指導(dǎo)；三是依托區(qū)域企業(yè)技術(shù)團(tuán)隊，發(fā)揮課程產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新優(yōu)勢，參與實驗課程教學(xué)與實驗項目建設(shè)，并參與指導(dǎo)學(xué)生在企業(yè)學(xué)習(xí)階段的工程實踐、相關(guān)競賽和畢設(shè)論文等。

四環(huán)節(jié) 設(shè)立完善面向智慧交通行業(yè)需求的新工科下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗設(shè)置，包括：基礎(chǔ)實驗、專業(yè)實驗、行業(yè)特色綜合實驗和科研創(chuàng)新實踐四大環(huán)節(jié)。構(gòu)建融合各校資源，多學(xué)科交叉，逐步打造升級物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)平臺，并與交通行業(yè)企業(yè)共同探索物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)發(fā)展趨勢以及人才培養(yǎng)的要求，教師團(tuán)隊將從原理闡述、設(shè)備使用、操作要點、安全事項、結(jié)果觀測、故障排查等方面完善實驗指導(dǎo)書，并進(jìn)行相關(guān)的實驗競賽指導(dǎo)，夯實學(xué)生的實驗實踐能力，將培養(yǎng)目標(biāo)細(xì)化分解到整個教學(xué)環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)跨專業(yè)、跨學(xué)科的復(fù)合型人才，實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)與企業(yè)應(yīng)用的無縫銜接。

2 實踐培養(yǎng)體系內(nèi)涵構(gòu)架

發(fā)揮行業(yè)背景優(yōu)勢和學(xué)科交叉優(yōu)勢，以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為核心，結(jié)合通信、智慧交通領(lǐng)域交叉復(fù)合需要，探索“智慧交通”緊缺人才培養(yǎng)的規(guī)律和內(nèi)涵構(gòu)架，建立面向“智慧交通”領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。瞄準(zhǔn)國家在物聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、人工智能、大數(shù)據(jù)、傳感技術(shù)等學(xué)科的戰(zhàn)略布局，加快培育與之相適應(yīng)的交叉學(xué)科專業(yè)方向，建設(shè)與之相適應(yīng)的學(xué)科平臺，依托學(xué)校交通信息工程控制、通信與電子信息、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、交通運輸工程等多個優(yōu)勢特色學(xué)科，探索適用智慧交通的行業(yè)特色物聯(lián)網(wǎng)實踐創(chuàng)新人才體系組成，按照產(chǎn)出導(dǎo)向原理，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)新工科專業(yè)知識內(nèi)涵模塊、專業(yè)技術(shù)能力模塊、現(xiàn)代工具能力模塊、新工科跨專業(yè)交叉能力模塊、非技術(shù)能力素養(yǎng)模塊等多模塊組合，充分利用專業(yè)科研及隊伍優(yōu)勢，打造一流的新工科實踐教學(xué)融合平臺，為培養(yǎng)智慧交通新型裝備人才發(fā)揮積極的示范與輻射作用，如圖2 所示。

圖2 智慧交通需求的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐培養(yǎng)體系內(nèi)涵架構(gòu)

3 教學(xué)與智慧交通行業(yè)深度融合

新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革引領(lǐng)下，學(xué)科交叉已成為創(chuàng)新發(fā)展趨勢，專業(yè)與產(chǎn)業(yè)融合愈加緊密［10-11］，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)如何實施跨學(xué)科跨專業(yè)交叉融合的人才培養(yǎng)模式改革，建立工－工、理－工交叉滲透的新興專業(yè)人才培養(yǎng)機(jī)制，使得交通類高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)新工科人才培養(yǎng)與交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)深度融合，是目前亟待探索的一個深度問題。

大多數(shù)高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程實踐訓(xùn)練集中于系統(tǒng)的軟件設(shè)計實現(xiàn)能力培養(yǎng)，與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高端智能化技術(shù)結(jié)合不十分緊密，與應(yīng)用對象的實際需求和行業(yè)背景需求深入結(jié)合不夠，使學(xué)生動手能力和實戰(zhàn)能力虛化［12］。急需利用高校高水平科研團(tuán)隊在學(xué)科研究方面的優(yōu)勢，把握學(xué)科領(lǐng)域前沿，構(gòu)建科教協(xié)同育人平臺，為學(xué)生提供更廣闊的實戰(zhàn)訓(xùn)練科研平臺［13-14］，促使我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)運用前沿的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，推動智慧交通、智能交通數(shù)字化與集成化革命，深化交通網(wǎng)、傳感網(wǎng)、通信網(wǎng)、信息處理平臺的深度融合，把科研成果轉(zhuǎn)化為教育教學(xué)資源，使物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)從全面感知層、到可靠傳輸層、最后到終端應(yīng)用處理層，接受全面系統(tǒng)的實踐創(chuàng)新能力訓(xùn)練，如圖3 所示。

圖3 科教協(xié)同下智慧交通與物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)體系深度融合示意圖

以城際高速鐵路、城市軌道交通的建設(shè)、運營、管理、維護(hù)和服務(wù)等綜合系統(tǒng)為應(yīng)用對象，與高水平科研院所和企業(yè)合作，深入實施科教協(xié)同育人計劃，搭建學(xué)校與科研院所深度合作的戰(zhàn)略平臺，將企業(yè)的科學(xué)問題與技術(shù)創(chuàng)新引入人才培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與科技創(chuàng)新實踐，使學(xué)生早進(jìn)課題、早進(jìn)實驗室、早接觸基礎(chǔ)學(xué)科前沿，在研究過程中不斷激發(fā)學(xué)術(shù)興趣和研究潛能。設(shè)立跨學(xué)科課程體系、組建跨學(xué)科教學(xué)團(tuán)隊、設(shè)立交叉學(xué)科研究課題，為拔尖學(xué)生參與跨學(xué)科學(xué)習(xí)和研究創(chuàng)造條件，為學(xué)生攀登學(xué)術(shù)高峰搭建跨學(xué)科平臺。

4 產(chǎn)學(xué)研多維創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)

以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力為目標(biāo)［15-16］，貫徹科教融合、引育結(jié)合的教學(xué)理念，結(jié)合智慧交通的北京交通大學(xué)優(yōu)勢，探討物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)先進(jìn)傳感技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)構(gòu)成的智能傳感網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺建設(shè)，打通感知層數(shù)據(jù)與應(yīng)用層需求聯(lián)系，完善面向智慧交通行業(yè)背景的先進(jìn)傳感實驗教學(xué)平臺，如圖4 所示。具體舉措包括：①加大科教投入，在現(xiàn)有平臺上進(jìn)一步完善先進(jìn)傳感技術(shù)實驗教學(xué)創(chuàng)新平臺；②院際人員交流，培育校內(nèi)適應(yīng)新工科的師資隊伍；③立足行業(yè)需求，進(jìn)行跨校交流，成立校際巡回教學(xué)研討交流團(tuán)隊；④了解國際發(fā)展動態(tài)，聘請相關(guān)領(lǐng)域權(quán)威學(xué)者講座講學(xué)。

圖4 智慧交通中物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)傳感技術(shù)及新工科人才培養(yǎng)

5 反饋修復(fù)的可持續(xù)改進(jìn)運行機(jī)制

基于OBE的理念，研究畢業(yè)生跟蹤反饋機(jī)制［17］，設(shè)立新工科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)庫，構(gòu)建包含知識、能力、素質(zhì)三方面的畢業(yè)生多維度評價體系，通過線上評價、電話回訪、問卷調(diào)查等多種信息反饋渠道，對用人單位和畢業(yè)生進(jìn)行定期信息采集，如圖5 所示。所得反饋信息反向助推項目研究實施改進(jìn)，為人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)及模式的優(yōu)化提供強(qiáng)有力的決策依據(jù)和效度佐證，形成新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量評價跨階段、多維度評價體系。

圖5 建立新工科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)持續(xù)改進(jìn)反饋評價運行機(jī)制

6 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個偏重綜合型、實踐性的專業(yè)，在人才培養(yǎng)的過程中，對工程實踐的要求非常強(qiáng)，這一特點在其他工科專業(yè)也有不同程度的反映。同時，對于行業(yè)特征明顯的高校，如何在專業(yè)培養(yǎng)中體現(xiàn)出高校特征，也是人才培養(yǎng)中的重點和探索方向。為此，本研究針對行業(yè)高校開辦特色專業(yè)的共性問題，探索了具有高校行業(yè)特征的新工科人才培養(yǎng)實踐創(chuàng)新平臺機(jī)制，并以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為基礎(chǔ)，加入我校軌道交通行業(yè)特色的新工科工程人才培養(yǎng)模式，以先進(jìn)傳感技術(shù)為抓手，探索實踐創(chuàng)新平臺內(nèi)涵和建設(shè)模式，構(gòu)建了適應(yīng)智慧交通需求的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)實驗教學(xué)體系。