安　健, 桂小林, 楊麥順

(西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 陜西 西安　710049)

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工程實踐與科技創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室建設(shè)

安健, 桂小林, 楊麥順

(西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 陜西 西安710049)

針對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)在學(xué)生思維自主能力的培養(yǎng)、課程體系銜接、設(shè)備實用性等方面的不足,以學(xué)生工程實踐和科技創(chuàng)新為立足點,介紹了物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室的建設(shè)情況,通過構(gòu)建軟硬件一體化的實踐創(chuàng)新平臺、開設(shè)基于專業(yè)融合和系統(tǒng)能力培養(yǎng)的開放課題、建立大學(xué)生科技創(chuàng)新培養(yǎng)基金、探討多元化的人才培養(yǎng)模式和科學(xué)有效的管理機(jī)制等措施,實現(xiàn)以專業(yè)融合為特征、工程實踐和科技創(chuàng)新為目標(biāo)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的新型實踐教學(xué)模式。

物聯(lián)網(wǎng)； 開放實驗室； 工程實踐； 科技創(chuàng)新

工程實踐與科技創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才應(yīng)具備的基本能力。面向物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生開展的系統(tǒng)能力訓(xùn)練與工程實踐活動將成為該專業(yè)人才培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè)中的一項重要內(nèi)容,也是踐行“雙實雙創(chuàng)”,推動人才應(yīng)用能力提升與就業(yè)保障的重要手段。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是近幾年為響應(yīng)國家號召,實現(xiàn)復(fù)合型人才培養(yǎng)理念,在國內(nèi)多所高校設(shè)立的一個新興專業(yè)。無論從專業(yè)教師、課程體系、知識架構(gòu)等方面還處于起步階段,而如何提高專業(yè)學(xué)生的實踐和動手能力等更是處于探索階段[1-2]。當(dāng)前,專題實驗課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生實現(xiàn)工程實踐和科技創(chuàng)新的主要方法之一,而常規(guī)的實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置都是基于特定的知識單元和專業(yè)領(lǐng)域,具有一定的封閉性和獨立性,往往不能充分提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的系統(tǒng)思維能力[3]。物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室的建設(shè)有助于培養(yǎng)學(xué)生工程意識、創(chuàng)新精神。通過開設(shè)以專業(yè)知識融合為特征、綜合系統(tǒng)設(shè)計為任務(wù)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的系列開放實驗課題,達(dá)到激發(fā)學(xué)生實踐創(chuàng)新興趣、提高工程實踐能力、增加工程實踐經(jīng)驗的目標(biāo)。在實驗中,讓學(xué)生理解工程問題、解決實際問題、體驗成功樂趣,培養(yǎng)學(xué)生查閱資料能力、綜合設(shè)計能力、科技論文寫作能力,培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和創(chuàng)新意識,并為拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)打好堅實的基礎(chǔ)。因此,培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才、充分利用實驗室資源、建立除傳統(tǒng)實驗教學(xué)以外的第二實踐平臺、積極發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，是開放實驗室建設(shè)的核心目標(biāo)。

1　目前存在的主要問題

1.1缺乏學(xué)生自主思維能力的鍛煉

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐訓(xùn)練目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題能力。雖然傳統(tǒng)實驗教學(xué)能夠鍛煉學(xué)生的實驗技能,但是學(xué)生只是被動地操作,往往缺少`自己的思考,無法充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性、積極參與性,不利于對學(xué)生科研好奇心的引導(dǎo)和科研靈感的激發(fā)。而常規(guī)死板地按照書本知識的實驗教學(xué)體系,容易割裂實驗的整體性、系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性,無法滿足學(xué)生對于先進(jìn)知識的渴求和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求,極大地限制了學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[4]。因此在著力提高設(shè)計性、綜合性物聯(lián)網(wǎng)實驗比重的同時,允許學(xué)生根據(jù)個人興趣、愛好和特長自主設(shè)計,增加個性化內(nèi)容,建設(shè)開放式、創(chuàng)新性的實驗教學(xué)模式,給學(xué)生提供獨立實驗、實踐的機(jī)會。

1.2不同課程之間的關(guān)聯(lián)性問題

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一門涉及知識面較廣的學(xué)科,包含了計算機(jī)、自動化、通信等方向。一個方向都有許多各自獨立的課程體系。傳統(tǒng)專題實驗采取的是一課一實驗制度,學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識在固定時間內(nèi)進(jìn)行實踐訓(xùn)練。這種單一的教學(xué)模式必然使得課程之間失去相應(yīng)的關(guān)聯(lián)性,使學(xué)生無法系統(tǒng)地、整體地去提升自己的動手創(chuàng)新能力[4]。例如,嵌入式接口技術(shù)和自動檢測技術(shù)是掌握物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的核心課程,兩者相輔相成、聯(lián)系緊密,但是在具體的實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)中又將其分為不同部分,這將導(dǎo)致學(xué)生在使用傳感器過程中無法徹底了解其技術(shù)原理和使用方法,無法系統(tǒng)地提升自己的水平。因此,突破傳統(tǒng)實驗課程之間的隔閡、建立一種加強(qiáng)課程間關(guān)聯(lián)度的開放實驗室則顯得至關(guān)重要[5-6]。

1.3實驗設(shè)備與實際應(yīng)用脫節(jié)問題

現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備都是采用集成度較高的一體化實訓(xùn)裝置,學(xué)生在工程實踐過程中更多的是按步驟完成一些基礎(chǔ)性和驗證性實驗,對其實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果的產(chǎn)生原理往往是一知半解[7]。此外,物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備通常都是面向特定的知識單元設(shè)計,很難真正體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)所具有的系統(tǒng)性、工程性、先進(jìn)性和實用性等需求。例如,在物體感知與標(biāo)志實驗課程中,絕大部分高校都是采用封裝度較高的實驗箱,通過不同傳感模塊和通信協(xié)議的組合來達(dá)到工程訓(xùn)練的目的。這種固有和特定的實驗裝置不僅會限制學(xué)生的思維創(chuàng)新,同時也與實際接觸的真正設(shè)備有較大差異性,會產(chǎn)生教學(xué)與實際脫節(jié)的現(xiàn)象。當(dāng)學(xué)生在有思維靈感時卻無法及時使用有效的實驗設(shè)備進(jìn)行操作,阻礙了學(xué)生科研創(chuàng)新的積極性,這不僅給學(xué)生造成了不必要的損失,而且造成了教育資源的浪費,從而影響了高校整體的教學(xué)、科研進(jìn)展[8]。

2　物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室的建設(shè)

西安交通大學(xué)是國內(nèi)最早開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的“985工程”高校之一,在物聯(lián)網(wǎng)課程體系設(shè)置、人才培養(yǎng)理念和工程實踐訓(xùn)練方面都進(jìn)行了大量的探索和研究。如圖1所示,以物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)為背景,以實踐教學(xué)和科技創(chuàng)新為立足點,通過介紹學(xué)校在物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室建設(shè)方面的一些想法和措施,希望能達(dá)到拋磚引玉和舉一反三的效果。

圖1　多元化培養(yǎng)模式的物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室

2.1構(gòu)建軟硬件一體化的實踐創(chuàng)新平臺

實踐平臺是學(xué)生從事工程實踐與科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)條件,基于物聯(lián)網(wǎng)具有知識與應(yīng)用涉及面廣泛、技術(shù)發(fā)展與更新速度快的特點,因此所培養(yǎng)的畢業(yè)生應(yīng)具備工程、技術(shù)、研發(fā)等多種能力。這種能力的培養(yǎng)需要在計劃教學(xué)基礎(chǔ)上的多方位、多層次的平臺上實現(xiàn)。因此,物聯(lián)網(wǎng)實踐創(chuàng)新平臺的建設(shè)應(yīng)與學(xué)科實驗室建設(shè)有所區(qū)別,在實驗設(shè)備的配置上應(yīng)避免采用集成式、一體化的封閉的實驗設(shè)備,而是遵循開放性、模塊化、實用性等原則。為此，依托不同學(xué)科的教學(xué)資源及學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的需要,構(gòu)建了集硬件設(shè)備和軟件資源于一體的綜合實踐創(chuàng)新平臺。首先,配置了邏輯分析儀、信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表、直流電源、數(shù)字頻率計、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字示波器等基本硬件測試設(shè)備,滿足了硬件設(shè)計、調(diào)試、制作等對常規(guī)工具需求。其次,配置了CC2530、RFID、Crossbow等多元化的物聯(lián)網(wǎng)感控模塊,并以西安交通大學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺為載體,實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的綜合分析和決策。最后,與Ti、Intel等國際知名芯片企業(yè)建立了聯(lián)合實驗室,獲捐MSP430、Galileo等最新物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板500余套,為教師及學(xué)生提供了一個開放式創(chuàng)作、創(chuàng)新的實驗公共平臺。

軟硬件一體化的實踐創(chuàng)新平臺主要以計算機(jī)、電子通信、物聯(lián)網(wǎng)、自動化等多學(xué)科的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用為方向,作為本科生課內(nèi)和課外創(chuàng)新實踐活動的平臺?；谒ㄔO(shè)的平臺,學(xué)生可完成多種技術(shù)、多行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)、項目規(guī)劃、項目設(shè)計、項目實施等多方位的綜合性訓(xùn)練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),為課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持,為相關(guān)競賽提供技術(shù)保障。

2.2基于專業(yè)融合與系統(tǒng)能力培養(yǎng)的開放課題

開放實驗課題設(shè)置應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)特點,在提高實驗內(nèi)容質(zhì)量和激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性上找到平衡點[9]。實驗室將著重強(qiáng)化學(xué)生的基本技能和動手能力,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識、合作精神和科研能力的協(xié)調(diào)發(fā)展,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神。

在實驗內(nèi)容設(shè)置上,將著重體現(xiàn)學(xué)科交叉性、工作系統(tǒng)性和內(nèi)容針對性等，側(cè)重物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)全面感知、可靠傳輸、有效分析、綜合應(yīng)用等核心知識點,拓寬計算機(jī)、信通、自動化等專業(yè)的知識面。具體實驗內(nèi)容可歸為“3階段4模塊”,即基礎(chǔ)性、綜合性、工程性3個階段和科技活動類、自選實驗類、定向培訓(xùn)類和科學(xué)研究類4個模塊。其中,基礎(chǔ)性實驗主要解決儀器使用、編程設(shè)計、電路設(shè)計的能力培養(yǎng)。綜合性應(yīng)用通過圍繞“系統(tǒng)能力培養(yǎng)”這個基本點,設(shè)計一些集成性和系統(tǒng)性的開放實驗,對專業(yè)需要解決的問題和能夠解決什么問題更加清楚,增強(qiáng)專業(yè)認(rèn)同感。工程實踐階段則讓學(xué)生理解工程問題,將知識用于實際工程問題,提高學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和實踐創(chuàng)新能力。同時,通過設(shè)立科技活動類、自選實驗類和科學(xué)研究類等模塊,對不同模塊的實驗任務(wù)、完成要素、結(jié)構(gòu)、功能等進(jìn)行規(guī)范,其目的是使學(xué)生可以根據(jù)自身特點、條件和能力,做到合理分類、循序漸進(jìn)、科學(xué)發(fā)展。

實驗室針對不同學(xué)生群體的能力素質(zhì)和實驗需求,根據(jù)其特點和背景設(shè)立多層次、遞階式的課程體系[10]。在實驗過程中,學(xué)生通過不同類型和模塊的開放課題逐層掌握工程實踐能力,由簡單到復(fù)雜、由易到難,力求學(xué)生在學(xué)、研、創(chuàng)等不同環(huán)節(jié)有所收獲,體會成功的喜悅,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力,從而更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)和實驗。

2.3設(shè)立大學(xué)生培養(yǎng)基金和多元化的培養(yǎng)模式

必要的資金投入是保障學(xué)生從事工程實踐和科技創(chuàng)新活動的重要前提。通過學(xué)校資助、校企合作、校友捐贈等渠道成立了大學(xué)生開放創(chuàng)新平臺培育基金。基于這些培育基金,可以進(jìn)一步鼓勵學(xué)生積極申報在國際、國內(nèi)具有較高影響力的各類學(xué)科競賽和各級創(chuàng)新課題。通過“以競促學(xué)、以賽驗果”的教學(xué)方式,建立多元化的社會實踐活動,逐步從單純的學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)向解決生產(chǎn)、生活中的具體問題和關(guān)注經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的現(xiàn)實需要,使學(xué)生在更大的平臺上得到鍛煉。

為了實現(xiàn)多元化的人才培養(yǎng)理念,以開放實驗室為切入點,以大學(xué)生培養(yǎng)基金為資金保障,積極探索以學(xué)生為主體、個性化、多元化的實踐教學(xué)模式。在培養(yǎng)模式方面,采取請進(jìn)來走出去的人才培養(yǎng)方式,聘請企業(yè)優(yōu)秀導(dǎo)師為學(xué)生做專題講座,開展暑期定制班,針對當(dāng)下社會熱點問題開展學(xué)術(shù)講座和技能培訓(xùn),進(jìn)一步提高學(xué)生的實踐動手能力。同時,基于卓越工程師計劃、項目設(shè)計、校企聯(lián)合培訓(xùn)、生產(chǎn)實習(xí)等多種社會實踐活動,讓學(xué)生充分了解企業(yè)對人才的需求,更好地保證學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的針對性和有效性。通過與Ti、360、華為、百度、西安軟件園、易培德等企業(yè)建立良好的校企合作平臺,使學(xué)生在工程實踐和科技創(chuàng)新方面有更大的發(fā)揮,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。此外,在人才培養(yǎng)方法上,避免傳統(tǒng)實驗課題上的灌輸式、驗證式的教學(xué)方法,而是充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和團(tuán)隊協(xié)作能力,通過國家級、省級、校級創(chuàng)新訓(xùn)練項目,開展持續(xù)性的開放實驗、創(chuàng)新課題等。同時,積極鼓勵學(xué)生參加ACM程序設(shè)計大賽、電子設(shè)計競賽、物聯(lián)網(wǎng)大賽、高校計算機(jī)大賽等國內(nèi)外具有較高影響力的科技競賽,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力、創(chuàng)新能力和動手能力。

近3年來,通過大學(xué)生培養(yǎng)基金的投入,物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室在學(xué)生社會實踐、科技競賽、校企合作等方面都取得了較好的成果,多次在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽、挑戰(zhàn)杯等全國大賽上獲得獎勵,相關(guān)專業(yè)學(xué)生的就業(yè)率達(dá)到100%,得到企業(yè)的廣泛認(rèn)可。這些階段性成果都說明了該人才培養(yǎng)機(jī)制和人才培養(yǎng)方法的正確性。

2.4建立科學(xué)、有效的實驗導(dǎo)師制和激勵機(jī)制

開放實驗室是對傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式的改革與探索。除了完備的實踐教學(xué)體系外,良好的管理措施和激勵機(jī)制也是實踐教學(xué)改革成功與否的關(guān)鍵[11-12]。開放實驗室在滿足已有的管理制度以外,還需結(jié)合自身特點,建立科學(xué)、有效的實驗室導(dǎo)師制。通過為每個學(xué)生團(tuán)隊配備相應(yīng)的指導(dǎo)教師,在課題設(shè)立、問題討論、項目申報、學(xué)科競賽等環(huán)節(jié)進(jìn)行全程指導(dǎo)和有效把控,使得學(xué)生實踐活動在較高層次上開展,保證實驗課題的完成效率和成果產(chǎn)出。同時,引入適當(dāng)?shù)募顧C(jī)制,通過項目報告、實習(xí)報告、項目答辯、競賽結(jié)果等各環(huán)節(jié)的表現(xiàn),對學(xué)生任務(wù)完成情況和指導(dǎo)教師的工作績效進(jìn)行合理考核和激勵,進(jìn)一步提高學(xué)生的參與積極性和教師的工作熱情。

3　結(jié)語

針對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在實踐教學(xué)中的不足,分別從實踐創(chuàng)新平臺、開放實驗課題、創(chuàng)新培育基金的、人才培養(yǎng)模式、實驗管理體系等幾個方面介紹了西安交通大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室的建設(shè)情況。通過工程實踐和科技創(chuàng)新引導(dǎo)與培養(yǎng),使學(xué)生在開放課題、項目設(shè)計、科技競賽等多元化和層次化的實踐環(huán)境中得到鍛煉,進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際、團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新意識,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,擴(kuò)大了學(xué)生的知識面和深度。

References)

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Construction of open laboratory of Internet of things for engineering practice and technological innovation

An Jian, Gui Xiaolin, Yang Maishun

(School of Electronics and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

Regarding the deficiencies in the traditional experimental teaching of Internet of things such as less efficient training of independent thinking,poor linking of curriculum and impracticability of equipment,and based on the needs for engineering practice and technological innovation as a core objective,the construction situation on an open laboratory of Internet of things is introduced. Through building a practical innovative platform for integration of software and hardware,offering open projects based on professional integration and systematic ability cultivation,establishing the science and technology innovation fund for college students,and exploring the diversified talent training mode and scientific and effective management mechanism,the innovation-oriented practical teaching mode is completed,which is characterized by taking the professional integration of the engineering practice and technological innovation as the goal and innovation ability training as the guidance.

Internet of things; open laboratory; engineering practice; technological innovation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.061

實驗室建設(shè)與管理

2016-05-16修改日期：2016-06-12

國家自然科學(xué)基金項目(61502380)；陜西省自然科學(xué)基金項目(2014JQ8322)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目(2013SZS16-K01)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(xjj2014049)

安健(1983—),男,山西晉中,博士,工程師,主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)、服務(wù)計算與群智計算.E-mail：anjian@mail.xjtu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2016)10-0245-04