王楊　殷曉斌　陳付龍　趙傳信　陳少軍

[摘 要]近年來，計算學科中的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設受到教育界的廣泛關(guān)注，但是師范院校的自身特點制約了高師院校在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方面的發(fā)展。針對這一現(xiàn)狀，借助CDIO的教育理念，以安徽師范大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)分層實驗策略與“安徽師范大學皖江學院——中軟國際物聯(lián)網(wǎng)CDIO實驗室建設”實習中心建設項目為案例，提出了如何在高等師范院校引入分層實驗教學與項目嵌入式教育環(huán)境構(gòu)建的實驗教學策略，以增強學生的系統(tǒng)開發(fā)能力。

[關(guān)鍵詞]高師院校 CDIO 中軟國際 物聯(lián)網(wǎng)工程

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）14-0132-03

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是教育部為服務國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)而開辦的新型專業(yè)，覆蓋計算機、控制、通信技術(shù)、信息安全、系統(tǒng)工程等領(lǐng)域，是計算學科發(fā)展的必然。[1]由于其強勁的社會需求與學科發(fā)展的需要受到了高等院校和企業(yè)界的共同關(guān)注。近年來，部分高校、高職、高專院校以及獨立學院紛紛設立了“物聯(lián)網(wǎng)工程”、“傳感網(wǎng)技術(shù)”等相關(guān)專業(yè)。從產(chǎn)業(yè)的未來需求來看，由于物聯(lián)網(wǎng)在交通、物流、水電等領(lǐng)域的廣泛應用前景，相關(guān)企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)方面的人才需求十分迫切。從物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的培養(yǎng)目標來看，本科生人才的培養(yǎng)類型可以分為理論創(chuàng)新型、工程應用型和綜合技術(shù)型。其中工程應用型是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的主流。[2]從國內(nèi)當前的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀來看，面向高師院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的長效機制尚未形成。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有很強的工程應用背景，因此面向高師院校的計算學科的物聯(lián)網(wǎng)工程化教育面臨三大挑戰(zhàn)：（1）如何把計算機科學作為工具學科的教育潛在觀點轉(zhuǎn)化為計算類的系統(tǒng)學科教育觀點；（2）如何在保持計算學科核心課程的前提下，擴展計算學科的外延課程，增強計算學科的社會服務能力；（3）如何在增強計算專業(yè)優(yōu)勢的基礎上，開展計算學科與其他學科之間的交叉性研究工作。上述三大挑戰(zhàn)在高等師范院校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設方面表現(xiàn)得尤為明顯。因此如何在高等師范院校構(gòu)建有效的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)機制是一個迫切需要解決的計算學科教育重大問題之一。[3] [4]本文主要探討在面向高師院校如何實施物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實驗教學策略問題。

一、高師院校物聯(lián)網(wǎng)工程實驗教學現(xiàn)狀及分析

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)工程實驗課的內(nèi)容主要涉及控制科學與工程、計算機科學與技術(shù)、信息與通信工程。相比于工科院校，高等師范院校培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才在實踐方面有很大的不足。[4]具體表現(xiàn)在畢業(yè)生的工程實踐能力偏弱、行業(yè)應用背景知識匱乏、項目經(jīng)驗不足等問題。這些問題的存在嚴重地影響了高師院校計算學科快速發(fā)展。根據(jù)我們的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的高師院校的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學環(huán)節(jié)存在以下三個方面的問題：（1）實驗教材強調(diào)課程的完整性，忽視了相關(guān)課程之間的融通性。先前的實驗教材通常是一個獨立的知識體，強調(diào)知識的全面性，忽略課程之間的相關(guān)性。學生難以系統(tǒng)地實現(xiàn)課程知識體系。（2）強調(diào)計算機原理性知識的學習，缺乏工程性方法的系統(tǒng)訓練。傳統(tǒng)的實驗課程教學往往突出原理性知識的實驗呈現(xiàn)，往往沒有融入一套有效的工程性構(gòu)建方法。學生雖然知道了基本概念，卻難于實現(xiàn)具有一定規(guī)模的實驗。（3）強調(diào)分析式教學，忽視了系統(tǒng)綜合式實驗教學。教學內(nèi)容主要采用分析性教學方法，往往缺乏工程性的方法。進一步結(jié)合相關(guān)畢業(yè)生的訴求和ACM/IEEE-CSJointTaskForce的觀點[2]，我們認為產(chǎn)生這些問題的原因是多方面的，具體的原因主要包括：（1）高師院校長期辦學的傳統(tǒng)理念的制約；（2）高師院校的非師范計算機專業(yè)學生的行業(yè)視野受限；（3）課程設置與教學方法缺乏針對性；（4）工程應用背景知識匱乏；（5）教學實踐環(huán)節(jié)相對較弱。[3]工程技術(shù)人才的培養(yǎng)除了必要的基礎理論知識之外，更重要的是通過實踐教學培養(yǎng)學生動手操作能力。而計算學科的實踐教學需要具備二個條件：一是熟悉實踐操作的教師；二是實驗實訓的設備、基地。目前真正具備這兩個條件的師范院校較少，這導致高質(zhì)量的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設難以開展，以致教學質(zhì)量偏低。上述5點主要原因?qū)е赂邘熢盒Ｔ谖锫?lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量與工科院校相比，在人才規(guī)格上具有一定的差距，并進一步導致發(fā)展空間受到一定的限制。根據(jù)著名軟件TheodoreY的觀點，“科學家發(fā)現(xiàn)世界上已經(jīng)存在的事物，而工程師創(chuàng)造世界上從未存在的事物”，這一觀點與當前國際上最新的工程項目成果CDIO工程教育理念是一致的。[7]我們認為，面向高師院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設尤為需要引入CDIO的工程教育理念。CDIO包含構(gòu)思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）幾個方面的內(nèi)容，它以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程的理論、技術(shù)與經(jīng)驗。其教學大綱滿足美國、加拿大和其他華盛頓協(xié)議國家職業(yè)工程師組織對工科教育的要求，其教學框架體現(xiàn)了創(chuàng)新的教育思想。面向高師院校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設的CDIO能力培養(yǎng)內(nèi)容如圖1。

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圖1 物聯(lián)網(wǎng)工程實踐中的CDIO能力培養(yǎng)內(nèi)容

二、高師院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗的分層策略

物聯(lián)網(wǎng)實驗的目標是基于當前通用的軟件硬件技術(shù)平臺，通過實驗全面地展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。由于傳統(tǒng)的計算機實驗室環(huán)境受限，以及時間、成本、復雜度等方面的限制，物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)實驗內(nèi)容只能在物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層和應用層相關(guān)技術(shù)中進行篩選。我們將物聯(lián)網(wǎng)的實驗歸入三類實驗平臺之上，具體內(nèi)容如表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)三類實驗平臺及內(nèi)容

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在實驗教學中，為保證每個學生都能更好地理解物聯(lián)網(wǎng)課程知識，兼顧不同層次學生的求知需求，提高實踐教學質(zhì)量，我們采用了層次化的實踐教學策略，分別為基礎實驗、設計性實驗、課程延伸實驗。下面以物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)的教學為案例進行介紹。

（一）基礎實驗

基礎實驗使用EL-JY-II型計算機組成原理實驗箱，以“基板+開放式CPU板”的形式構(gòu)成實驗平臺。在實驗教學過程中，要求學生根據(jù)功能結(jié)構(gòu)圖和實驗目標，分析概括實驗步驟，完成實驗內(nèi)容，寫實驗小結(jié)。在實驗箱上完成的主要是原理驗證性實驗，設計性實驗在實驗箱上是難以進行的。

（二）設計實驗

為降低設計實驗難度，可使用FPGA進行嵌入式的設計實驗，要求學生利用硬件描述語言進行邏輯設計。首先在PC機上利用EDA工具進行功能仿真，最后下載到芯片中進行功能測試。整個設計實現(xiàn)過程，不僅使同學們初步了解硬件芯片的設計、制造、調(diào)試和運行維護的過程及相關(guān)技巧，更增強了學生理論聯(lián)系實際的能力。對于這類實驗，學生的興趣較大，不僅完成既定設計目標，有的學生還提出了獨特的設計方案，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為后續(xù)課程的學習和科研工作奠定基礎。

（三）拓展實驗

在嵌入式系統(tǒng)實驗中，微程序控制是課程設計中的一個難點，由于微程序控制單元看不見、摸不著，學生對涉及的許多概念如：微程序入口地址、微指令格式、下址等概念難以理解，通過設計、調(diào)試、下載和驗證過程，可以深刻理解微程序控制嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)，了解軟硬件協(xié)同工作的原理，建立整機的概念，可以培養(yǎng)學生完成工程項目的能力。我們的做法是將此內(nèi)容與畢業(yè)設計有機結(jié)合在一起。

在上述的分層實驗策略中，我們一方面將課程的基礎知識借助實驗箱進行鞏固，另一方面將CDIO實驗理念分別融入設計實驗與拓展實驗中。由于物聯(lián)網(wǎng)課程內(nèi)容的系統(tǒng)化與復雜性，因此后兩類實驗更具實效性。

三、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程教育環(huán)境構(gòu)建策略

根據(jù)全國高等師范學校計算機教育研究會提出的教育創(chuàng)新的需求[6]，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程教育環(huán)境需要采用新的視角加以構(gòu)建。下面以安徽師范大學皖江學院與中軟國際公司的合作項目為案例，介紹高師院校如何依托企業(yè)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教育環(huán)境。中軟國際是中國大型綜合性軟件與信息服務企業(yè)，提供從IT咨詢服務、IT技術(shù)服務、IT外包服務到IT培訓的“端到端”軟件及信息服務。

因此，為了有效實施物聯(lián)網(wǎng)工程實驗環(huán)境的建設，我們與中軟國際合作，共同構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)CDIO實驗培訓基地，雙方以項目的形式加以實施。這種合作方式有效解決了高等師范院校的工程教育環(huán)境的建設問題。將CDIO的教學理念既融入學科課程體系安排和整體教學實施上，還滲透在具體專業(yè)課程的教學實踐中。

在構(gòu)建了基本的物聯(lián)網(wǎng)工程實驗環(huán)境的基礎上，我們還引入了基于物聯(lián)網(wǎng)工程應用背景的項目教學法。指導學生主持創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)類實踐課題，進行“實戰(zhàn)性的項目開發(fā)，帶領(lǐng)學生參加各項設計類競賽”，以賽促學，學以致用，對學生進行科學思維的訓練，養(yǎng)成良好的工作習慣和工作作風；充分利用各種平臺，開展學科前沿交流，拓展學生視野，鼓勵學生探索學科前沿領(lǐng)域，激發(fā)學生的探索意識和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生的主體意識，提高學生獨立解決現(xiàn)實問題的能力，使之成為適應社會發(fā)展需要的實用型人才。這些具體舉措使得CDIO的內(nèi)容全方位地融入物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)中來。從已有實際效果來看，本文提出的教學策略具有較好的成效。

四、結(jié)語

如何構(gòu)建面向高師院校的計算機工程技術(shù)人才培養(yǎng)體系是目前高等師范院校學科建設與專業(yè)發(fā)展過程中所面臨的重大課題之一。這需要改變師范院校以往理論強、實踐弱的局面，充分發(fā)揮團隊協(xié)作優(yōu)勢，增強學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。我們針對高等師范院校在工程技術(shù)人才培養(yǎng)方面的不足，結(jié)合安徽師范大學物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設的具體實際，借鑒CDIO教育理念進行了面向高師院校的工程教育改革的有益嘗試，并進行了具體實踐，取得了一定的效果。今后我們將進一步深化加強物聯(lián)網(wǎng)工程教育環(huán)境的建設，吸收新的工程教育理念，培養(yǎng)社會需求的，與國際接軌的現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)綜合性工程技術(shù)人才。

[ 注 釋 ]

[1] 周曉聰，衣楊，賴劍煌.計算機科學與技術(shù)專業(yè)綜合實踐課程教學模式探索[J].計算機教育，2014（1）：60-63.

[2] 王楊，許勇.高師院校非師范計算機專業(yè)人才培養(yǎng)新途徑[J].計算機教育，2010（8）：4-10.

[3] ComputerScienceCurricula2013FinalReporthttp：//robotics.st？鄄anford.edu/users/sahami/CS2013/.

[4] 陳付龍，齊學梅，羅永龍等.創(chuàng)新能力驅(qū)動的層次化計算機硬件課程群構(gòu)建與實施[J].大學教育，2014（2）：39-42.

[5] 吳恭興，劉文白，張寶吉等.基于CDIO模式的卓越工程師培養(yǎng)方案的探索與實踐研究[J].大學教育，2013（9）：7-10.

[6] 教育部，高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)教學指導委員會.忠于使命積極努力承上啟下改革創(chuàng)新[J].計算機教育，2011（21）：1-9.

[7] EdwardF.Crawley，查建中，JohanMalmqvist，DorisR.Brod？鄄

eur.工程教育的環(huán)境[J].高等工程教育研究，2008（4）：13-21.

[責任編輯：鐘 嵐]