“101計劃”物聯網工程專業全棧式人才培養新探

摘 要：針對“101計劃”實施以來物聯網工程專業人才培養現狀與不足，提出對本專業人才進行“全棧式”培養探索，即在人才培養方案的指導下，聚焦核心課程，并精心打造多門課程知識迭代、多種開發板訓練迭代，逐步提升學生的實踐能力，并以實驗仿真、案例實踐和項目綜合應用為核心，與合作企業持續探索新的教學內容和項目，以增強學生運用已有知識解決實際問題的思維模式和創新能力；主要策略是以人才培養方案為指導，形成多核心課程聯動，配合課程實訓，與合作企業一起多角度、多層次、多系列地培養物聯網人才。為驗證該培養方案的有效性，對2020—2023年間3門專業課程的平時成績與綜合成績等數據進行了單因素、雙因素方差分析及神經網絡LM算法比較分析，結果顯示，這種培養方案有利于學生鞏固基礎知識，提升學生的創新能力。

關鍵詞：“101計劃”；教學改革；對比教學法；迭代教學法；LM算法；創新能力

中圖分類號：TP39；G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.034

0 引 言

2021年以來，隨著國家教育部啟動的“101計劃”不斷推進，大學新一輪教學改革也逐漸走入人們的視野[1]，計算機類專業人才培養從過去強調“程序性開發”能力轉向更重要的“系統性思維”與“系統性設計”能力[2]，通過建設一流核心課程、核心教材、核心師資和核心實踐項目等，用課程改革的小風口帶動人才培養模式的大變革[3]。然而現實中，大多專業課程的授課存在以下問題[4-5]：

（1）存在教學與科研時間分配不均的問題，表現為重科研、輕教學，導致授課任務化、形式化；

（2）專業課程教學內容更新快，陳述抽象，缺少專業教師指導，學生難以深入理解；

（3）課程實踐難度較大，導致學生預習、復習缺乏動力；

（4）由于課時限制，實驗環節嚴重不足，導致實踐環節嚴重缺失。

針對物聯網工程專業教學存在的問題，本團隊在原“雙輪閉環”教學體系[6]下，提出“全棧式”人才培養方案，即：以重新修訂的本專業人才培養方案為指導，以專業基礎課程為輔助，專注專業核心課程的引導，以精心打造的與專業相關聯的多課程知識迭代、多開發板訓練迭代為特色，逐步提升學生實踐能力，與合作企業不斷探索新穎的教學方案與實踐項目，多系列培養學生靈活運用知識解決實際問題的思維模式。

這種方式與當前中小企業開展“專精特新”[7-8]研究相似，通過借鑒這一新的理念[9]，進一步激發計算機類課程的建設活力和發展動力，推動高校計算機類專業的教學改革計劃—“101計劃”，探索物聯網工程專業教學改革的實踐路徑，著力推動本專業高質量發展。

“101計劃”旨在通過教材、教案和課堂三方面的工作，解決“教什么”和“怎么教”這兩個問題，促進教學的改進與創新，這方面國內教育工作者針對計算機類課程教學問題也在不斷探索，最早從綜合設計實驗入手[10]，著重學科的課堂觀察[11]與課程仿真實驗[12]，特別是“101計劃”實施以來，更注重對課堂觀察、提升課堂質量[13]與混合式教學模式的探索[14-15]。

1 “全棧式”培養設計理念及實施

何為“全棧式”人才，對物聯網工程專業人才而言，不僅要求其掌握各種開發板EDA設計，而且要掌握傳感器集成系統開發技能，即要勝任上位機與下位機的開發，也要利用多種技能獨立開發功能完善的處理系統。

1.1 修訂專業人才培養方案，優化物聯網專業“雙輪閉環”教學體系

為了打通與計算機科學技術與電子信息工程專業的壁壘，特將相同或相近專業課程采用相同課程編號，便于學生選課與專業混合教學。同時針對社會需求變化，在原有人才培養方案的基礎上，新增了EDA電路設計、FPGA技術、物聯網控制技術、嵌入式系統與人工智能等課程的協同訓練，突出物聯網工程專業特色課程與“雙輪閉環”教學體系，如圖1所示。以EDA技術、電路分析、模擬電路、數字電路為基礎，硬件方面首先從Gduino開發板開始學習傳感器，再由單片機C51→STM32→S5P6818→FPGA→小熊派Hi3861逐次學習各類傳感器驅動編程，形成硬件學習系列閉環；軟件方面，首先從KRobot軟件編程開始，再按照Linux→Keil→STM32cubemx→Qt→Quartus→VSCode+DevEco"Studio的順序，掌握配套的軟件開發環境。在實施過程中，不斷迭代相應課件與實驗代碼，完善“全棧式”教學體系模式。

1.2 引入對比教學法與迭代教學法，不斷迭代教學課件，豐富實驗系列

為了更好地實現“雙輪閉環”教學體系，在教學過程中，將講授的各課程串聯起來，如Linux系統管理-信息論基礎-信號與系統-通信原理-傳感器原理-無線傳感網絡-嵌入式系統，制訂授課模塊與實驗案例，隨著教學內容的深入，相應實驗內容不斷加深，而且會在講授基礎上不斷對實驗進行迭代優化，如圖2所示。

在實驗教學分析過程中，利用KK錄像機進行全過程錄相，方便學生課后對不理解的知識點重新學習，現錄制的視頻不少于200個。

1.3 校企多維度合作，與創新團隊共同成長

“全棧式”人才的培養，離不開企業的一系列支持與創新團隊的培養。

創新團隊建設。大一新生根據自己的興趣，選擇加入對應的創新團隊，一般組織高年級同學作為組長，專門負責基礎知識培訓，現在這類團隊有6個，最高峰時超10個。另外，在培養方案中新增創新創業實踐學分1分，要求取得學院規定的成果才能畢業，進一步督促學生積極融入創新團隊，通過自己的努力取得相應成果。

與知名企業合作。在人才培養方面取長補短，企業結合自身專長負責對應課程的規劃，完成對應課程的設計內容，豐富學生實踐經驗，當前主要合作企業有3家。

除進行校企合作外，安排相應教師參加企業組織的師資培訓也很重要，能讓授課教師了解企業項目的開發流程、提升項目開發經驗，豐富課堂內容、拓展教學層次，配合企業開展課程設計，與學生共同成長。

2 主要導向策略

2.1 教學改革思維

為了培養物聯網工程專業人才的大工程觀思維，首先需要解決各課程內容與實驗內容的協同問題。在人才培養方案中，列出其相應協同關系，如圖3所示。

在教學過程中，根據難易程度對課程與實踐內容進行劃分，并注重對學生的引導，首先介紹簡單的Linux指令，如何使用簡單的C語言完成Linux環境下的編程、交叉編譯與運行；之后介紹Gduino開發板，利用圖形方式編程，將執行程序下載到開發板中驗證，讓學生初步認識傳感器，了解傳感器驅動代碼的編寫；然后在后期課程中逐步加深實驗難度，最終編寫一個相對完整的系統，實現對物聯網知識的靈活應用。

教師之間的交流很重要，教師可利用每兩周一次的系會進行學術交流，探討課程方案、教學心得、科研成果及與企業信息交流等。

2.2 創新團隊與教學團隊

教學團隊一般相對穩定，主要以系為單位，兼有部分其他系成員，而且成員教學課程相對穩定，教學時間相應固定，但創新團隊，特別是學生創新團隊受畢業影響流動較大，一般一年級學生只能簡單參與，二年級學生能簡單動手，三年級學生剛能較好地完成項目，但就業與考研壓力大，對項目失去興趣，四年級學生忙于就業實習與畢業論文，無心參與。因此當前環境下，學生團隊穩定性較差，感興趣的項目難持久，一般通過成果獎勵穩定學生團隊。

主要措施如下：

（1）設立創新創業學分，讓學生了解獲得該學分的途徑與方法，督促學生參與創新創業活動；

（2）提前講解知識，盡力讓學生在二年級與三年級時出成果；

（3）激勵優秀成員參與保研，及時督促參賽等，引導成員將成果及時轉化為發明專利和論文，獲得保研加分項；

（4）將創新團隊劃歸相應教師名下，由相應教師指導學生進行培訓、訓練與參賽等。

當前學生團隊有飛控團隊、智能小車團隊、生豬智慧養殖數字孿生團隊、物聯網比賽技能賽團隊、視頻深度學習團隊、電子設計大賽等，通過“老帶新”等方法，提升學生參與創新的興趣。

3 人才培養效果分析

經過近兩年的持續教學探索，積累了部分心得體會，特選擇“信號與系統”“通信原理”“嵌入式系統”三門課程，對2020—2023年的平時成績與綜合成績，利用MATLAB 2021b中的方差分析法與神經網絡法進行分析，其中平時成績包括點名、提問、實驗與作業，綜合成績按平時成績30%、機試成績35%、筆試成績35%進行計算，其參與人數與統計量比較見表1、表2。

表2中，H=0表示有顯著性差異，H=1表示無顯著性差異，對應各年份數據箱線圖如圖4所示，說明2022—2023年無顯著性差異，其他年份均有變化，證明在“信號與系統”課程教學中有較好的效果。

實驗1：“信號與系統”課程成績均方差成績分析

假設H0：μ1=μ2，即兩組學生成績改變沒有顯著性差異，依照假設檢驗步驟，評斷兩組樣本平均數之間的差異程度，其統計量計算公式為：

實驗2：“通信原理”課程成績雙因素方差分析

對“通信原理”課程平時成績與期末綜合成績進行比較，成績比較規則及統計假設與實驗1相同，由于2023年“通信系統”課程安排在下半年，故只有3組考試數據，其參與人數與統計量比較見表3、表4。

采用雙因素方差分析函數anova2（）對不同年級、不同成績進行分析，先進行平時分數方差分析，再進行綜合成績比較，發現檢驗統計量F值gt;顯著性差異P值，進一步印證了教學改革的效果，其對應箱線圖如圖5所示。“通信原理”課程平時成績與綜合成績二因素方差分析圖如圖6所示。

實驗3：“嵌入式系統”課程成績神經網絡分析

最后一門重要課程—“嵌入式系統”的參與人數與統計量比較見表5、表6，為進一步直觀展示改革效果，采用雙因素方差分析函數anova2（）對不同年級的平時成績與綜合成績進行分析，檢驗統計量F值gt;顯著性差異P值，說明教學改革前、后學生成績有顯著性差異；為了進一步印證這種情況，特引入神經網絡LM算法進行三維圖形展示，平時成績歸一化分布為橫軸、綜合成績歸一化分布為縱軸。通過圖7可知，平時成績優秀的學生，其綜合成績也優秀，而且三個年級優秀生的分布較均勻，但成績較差學生分布較亂、較孤立。

其中，H=0表示有顯示性差異，H=1表示無顯示性差異。“嵌入式系統”平時成績與綜合成績二因素方差分析圖如圖8所示。

除課件、視頻外，2022年學生發表SCI論文1篇、獲得發明專利1個、軟件著作權1個、參賽獲獎3項，2023年學生投稿EI會議論文1篇，獲得發明專利1個、軟件著作權

1個，截至目前，參賽獲獎11項，且在全國大學生電子設計大賽中首次斬獲國家二等獎。

4 結 語

自“101計劃”實施以來，計算機類的大學教育開啟了改革時代，本文以物聯網工程專業為研究對象，在“雙輪閉環”教學模式指導下，與相應合作企業開展了本專業“全棧式”人才培養，并以3門主干課程的教學數據進行單因素、雙因素方差分析及神經網絡LM算法三維圖形比較，檢驗統計量F值大于顯著性差異P值，證明本次提出的教學改革方案對人才培養具有較顯著的效果。

參考文獻

[1]李曉明.我對“101計劃”的認識與期待[J].中國大學教育，2022（8）：4-6.

[2]陳娟，趙歡，吳蓉暉，等.大學計算機基礎課程的教學改革實踐探究[J].大學教育，2017（2）：43-44.

[3]戴開宇.從教學現場出發構建高校教師間的“學習共同體”[J].計算機教育，2022（9）：22-23.

[4]劉明君，邵貴成，史慧敏，等.基于項目驅動的信號與系統課程立體式教學[J].高師理科學刊，2023，43（1）：79-82.

[5]黃曉晴.分層次多技術促進“信號與系統”實驗改革[J].電氣電子教學學報，2019，41（5）：150-153.

[6]李志厚，單妍.論“雙循環三邏輯”通達化成教學[J].黑龍江高教研究，2023（1）：1-6.

[7]朱小艷.“專精特新”企業數字化轉型：現實意義，制約因素與推進策略[J].企業經濟，2023，42（1）：53-59.

[8]楊艷軍，王詩婧.“專精特新”賦能民營企業高質量發展研究[J].遼寧省社會主義學院學報，2022（1）：104-109.

[9]邢丁涵.民營企業的技術創新能力研究—以華為集團為例[J].中國集體經濟，2021（11）：165-166.

[10]王玲，許可，萬建偉.“信號與系統綜合設計實驗”教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2017，39（6）：130-132.

[11]劉奇志.基于學科的課堂觀察維度探索[J].計算機教育，2022（9）：12-13.

[12]宋玲玲，劉立群，司財勇，等.基于MATLAB GUI的《信號與系統》課程仿真實驗平臺設計[J].物聯網技術，2022，12（9）：135-137.

[13]張孝.開展有組織的課堂觀察，提升課堂質量—人大實施“101 計劃”課堂提升的工作實踐[J].計算機教育，2022（9）：24-26.

[14]朱福珍，巫紅，汪國強.“信號與系統實驗”課程混合式教學模式探索與實踐[J].黑龍江教育，2022（11）：60-62.

[15]劉波，周浩宇，張歷卓.一種基于嵌入式系統的多維協同與對比教學模式探討[J].物聯網技術，2022，12（10）：133-136.

作者簡介：劉 波（1969—），男，湖南常德人，博士，副教授，碩士生導師，中國計算機學會高級會員（46750S），

研究方向為高等教育、數據庫技術、物聯網技術。

張歷卓（1974—），男，湖南長沙人，博士，講師，研究方向為人工智能處理、高等教育。

朱幸輝（1971—），男，湖南婁底人，博士，教授，研究方向為高等教育、物聯網技術。

沈 岳（1965—），男，湖南長沙人，教授，研究方向為高等教育、農業信息化。

收稿日期：2024-04-24 修回日期：2024-05-28

基金項目：教育部高等教育司產學合作協同育人項目（2200605211290303）；2023年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目（HNJG-20230419）；湖南省大學生創新訓練計劃項目（s202310537004）；湖南省大學生創新訓練計劃項目（s202310537090）