張 奕，程小輝，金 紅，劉亞榮

（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程是一個多學(xué)科融合、面向系統(tǒng)級工程應(yīng)用的新興學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)相關(guān)技術(shù)與知識具有更新速度快的特點。與傳統(tǒng)應(yīng)用型人才所具有的理論基礎(chǔ)扎實、實踐能力強的特點相比，物聯(lián)網(wǎng)工程人才還應(yīng)具有學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力強的特點[1]。因此，作為物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)主體的高等院校要積極推進物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)專業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，集中物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的優(yōu)勢設(shè)備和技術(shù)并將其高度融合，以滿足人才市場需求且與國際接軌，培養(yǎng)具有“工程能力、創(chuàng)新能力和設(shè)計能力”的綜合型人才，創(chuàng)造性地建設(shè)貫穿物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的綜合項目驅(qū)動開發(fā)為導(dǎo)向的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗、實踐課程體系[2]，不斷提高物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和動手實踐能力，服務(wù)地方經(jīng)濟與社會發(fā)展，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)開環(huán)應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)科特點決定了教學(xué)不應(yīng)以理論為主導(dǎo)，應(yīng)由應(yīng)用驅(qū)動教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生更高層次的計算能力（即強計算能力）。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程本身的強實踐性特質(zhì)決定了課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)將會對課程的教學(xué)效果產(chǎn)生舉足輕重的決定作用，構(gòu)建的實踐教學(xué)體系相關(guān)課程設(shè)置及內(nèi)容應(yīng)重在特色，采用“課堂理論講授+開放精品資源共享平臺支撐+計算思維能力培養(yǎng)”三位一體的競爭性項目實踐能力進階式的層次化實驗實踐教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生具有物聯(lián)網(wǎng)感知子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的系統(tǒng)認知、分析、設(shè)計與應(yīng)用等方面的能力，尤為重要的是感知子系統(tǒng)的硬、軟件分析與設(shè)計能力以及應(yīng)用系統(tǒng)需求分析、總體方案設(shè)計、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測試等方面的工程實踐能力。

1 物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)存在的主要問題

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個新興的工程實踐性較強的復(fù)合型專業(yè)，涉及的學(xué)科與專業(yè)知識較復(fù)雜。目前高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)正處在由規(guī)模擴張轉(zhuǎn)向內(nèi)涵建設(shè)的探索階段，普遍存在對物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)定位不清楚、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱、實踐教學(xué)師資與經(jīng)驗不足、實踐教學(xué)方法單一、缺乏專業(yè)綜合實踐課程、實驗項目設(shè)置缺乏關(guān)聯(lián)性等問題[3]。在實踐教學(xué)過程中學(xué)生的思維活動空間受到了制約，想象力和創(chuàng)造力得不到充分發(fā)揮。

1.1 項目及實踐教學(xué)案例老化，缺乏關(guān)聯(lián)性

物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)專業(yè)知識和技術(shù)更新較快，若與最新的技術(shù)脫節(jié)易使學(xué)生失去新鮮感，難以投入百分之百的精力和熱情。涉及多個課程的物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐類項目太少或只是幾個課程的簡單拼湊，如何通過一個與時俱進的代表性綜合項目或案例，最大程度地激發(fā)學(xué)生對基本知識舉一反三的潛力，需要相關(guān)教師對物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)體系具有整體認識，并了解掌握最新最前沿的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展動向。

1.2 考核方法不全面

目前對于實踐環(huán)節(jié)的考核，主要包括出勤率、實驗報告、項目結(jié)果幾方面。由于場地和設(shè)備條件的限制，在具體實施過程中，往往將若干學(xué)生分為一組，而對各個學(xué)生的分工卻沒有具體詳細的規(guī)定和個性化的定制內(nèi)容，無法避免學(xué)生的抄襲行為。實驗方案、源碼及實驗結(jié)果高度同質(zhì)化，導(dǎo)致教師在考核時難免出現(xiàn)分?jǐn)?shù)不客觀、不公正的現(xiàn)象。若教師通過詢問每位學(xué)生相關(guān)實驗的問題進行評判，則需耗費大量的時間和精力，更不現(xiàn)實。

1.3 缺乏個性化、競爭性項目

缺乏競爭性的、獨立完成的個性化實踐項目，很難真正調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。在同質(zhì)化的實踐項目考核下，小部分學(xué)生的動力來自對分?jǐn)?shù)的追求，大部分學(xué)生對自己并沒有太高的要求，抱著得過且過的心態(tài)。

針對以上問題，減少驗證性實驗，增加設(shè)計性和綜合性實驗項目的同時，本文提出一種基于競爭的項目實踐教學(xué)方法，將理論課堂講授的相關(guān)知識融入競爭式的項目實踐內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生基于計算的思維能力，讓學(xué)生從系統(tǒng)級層面進階式認知物聯(lián)網(wǎng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。

2 課程和實驗、實踐教學(xué)改革方案

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)能力總體上應(yīng)包括計算機類專業(yè)的計算思維能力、算法設(shè)計與分析能力、程序設(shè)計與實現(xiàn)能力、系統(tǒng)能力等，并將這些專業(yè)能力體現(xiàn)到物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用層及完整物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實現(xiàn)環(huán)節(jié)[4-5]。

2.1 進階式多層次實驗教學(xué)體系設(shè)計

在講授式教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過引入“競爭性項目”實踐驅(qū)動教學(xué)，強化學(xué)生的動手能力和實際問題的分析能力，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性特點[6]。本文設(shè)置了“驗證型-設(shè)計型-綜合型-創(chuàng)新型”分層遞進的實驗體系作為立體化教學(xué)方法[7]，形成“問題分析能力強化型理論教學(xué)，項目驅(qū)動型實踐教學(xué)，動手能力培養(yǎng)型工程實踐應(yīng)用”三位一體實踐教學(xué)及應(yīng)用體系，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。驗證型實驗用于基礎(chǔ)知識、基本原理驗證；設(shè)計型和綜合型實驗內(nèi)容用于多門課程的綜合應(yīng)用[8]；創(chuàng)新型實驗用于創(chuàng)新性或“競爭性項目”為案例導(dǎo)向的實踐項目。實驗內(nèi)容除了選用教材指定的實驗內(nèi)容外，鼓勵學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，選擇競爭性項目相關(guān)的分解模塊作為子任務(wù)的實驗內(nèi)容，逐步實現(xiàn)競爭性項目中的各個部分，使得實驗項目的形式與內(nèi)容呈現(xiàn)出多樣化的特點。分層遞進式的實驗體系符合學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的進階式認知與掌握過程，學(xué)生完成的基本型、設(shè)計型、綜合型實踐項目相關(guān)基本實現(xiàn)方法可作為后續(xù)創(chuàng)新型實踐的基本模塊和知識儲備，利于培養(yǎng)復(fù)合型物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐技術(shù)人才。

2.2 大跨度交叉融合實驗內(nèi)容分配

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐課程涉及如下三大類：

（1）信息獲取，即傳感器相關(guān)知識和信號檢測相關(guān)知識；

（2）信息傳輸，即無線通信、通信協(xié)議、通信電路設(shè)計；

（3）信息處理，即數(shù)據(jù)融合、云計算等。

涉及的學(xué)科有數(shù)學(xué)和物理公共學(xué)科，電子科學(xué)與技術(shù)，通信工程，計算機科學(xué)與技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)工程，信息安全。其專業(yè)知識跨度大，因此，本文從信息感知獲取、信息傳輸、信息處理、應(yīng)用四個環(huán)節(jié)，完善 “基礎(chǔ)實驗-拓展實驗-綜合實驗-創(chuàng)新實驗”四個層次的實驗教學(xué)體系[8]。

圖1 層次進階式實踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

由多學(xué)科交叉融合實驗內(nèi)容構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗體系遵循由簡單到復(fù)雜，由認知到創(chuàng)新的梯度規(guī)律，如圖2所示。由單一的基礎(chǔ)實驗內(nèi)容到綜合項目設(shè)計型實踐，再到與課外科技、競賽活動相結(jié)合的科技創(chuàng)新型引導(dǎo)實訓(xùn)與畢業(yè)設(shè)計，時間跨度分布大學(xué)四年的每個階段，逐步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、綜合工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和設(shè)計能力[9]，真正實現(xiàn) “教、學(xué)、做”一體化。

圖2 層次進階式實踐教學(xué)時間跨度體系

第一層次是基本素質(zhì)培養(yǎng)，主要培養(yǎng)學(xué)生的基本技能，以及以電工電子實習(xí)和軟件實習(xí)為主的能力。通過電工電子實習(xí)使學(xué)生掌握元器件的辨別學(xué)法，掌握一些基本電工電子設(shè)備的安裝、調(diào)試、測試方法等基本技能。同時，通過軟件實習(xí)了解常用仿真軟件的基本應(yīng)用。

第二層次是專業(yè)技能培養(yǎng)，包括電路與電子技術(shù)課程實驗、信號與系統(tǒng)實驗、電子測量實驗、傳感與檢測實驗，熟悉各種開發(fā)環(huán)境等。

第三層次是工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，主要包括各門課程的課程設(shè)計，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力、團隊合作能力以及創(chuàng)新意識。

第四層次是綜合設(shè)計能力培養(yǎng)，針對實踐教學(xué)模塊每一層次的內(nèi)容，選取幾個關(guān)鍵領(lǐng)域的實際問題，設(shè)計個性化的競爭性實踐項目，通過分組的形式，組內(nèi)分工合作、組間競爭，培養(yǎng)良好的溝通、表達和協(xié)調(diào)能力。

通過四個層次能力的培養(yǎng)，最終完成項目并撰寫實習(xí)報告，以取得理想的實踐教學(xué)效果。

2.3 多元化實踐效果評價手段與實施過程

對于綜合創(chuàng)新型競爭性項目，需要多名學(xué)生參與，分工各異。因此，怎樣評價一個項目組的成績和項目組中各學(xué)生的成績，將成績與學(xué)生的組織決策能力、溝通表達能力和團隊協(xié)作能力相掛鉤，是一個較難解決的問題。故需引入多元化的實踐效果評價手段。

本文不再局限于教師單獨給出成績進行考核，而是將實踐與實習(xí)成績由多方綜合評定給出并與能力掛鉤。多方綜合評定成績由各種成績加權(quán)生成：每個學(xué)生在實習(xí)實踐報告中給出自我能力評定成績；項目組成員之間相互評定成績；競爭性項目結(jié)果展示答辯成績；個性化競爭性項目的難度系數(shù)加分。

同時，鼓勵學(xué)生將項目成果在開放資源共享平臺上展示，一方面，解決項目成果評價手段單一的問題；另一方面，激勵學(xué)生的自我價值體現(xiàn)，增進學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性。通過鼓勵與指導(dǎo)學(xué)生參與“全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新設(shè)計大賽”等重要的課外科技競賽活動，快速高效地提高所培養(yǎng)學(xué)生的實踐經(jīng)驗和綜合素質(zhì)。具體的競爭性項目實踐教學(xué)實施過程如圖3所示。

通過開放資源共享平臺展示實踐成果，將競爭性項目實踐的實施過程與立體化評價方式以螺旋交替的方式向前推進，建立交互式“教、學(xué)、做”同步模式，通過協(xié)作與競爭手段強化“交互”和學(xué)生的參與，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性與積極性，突出物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐性和創(chuàng)新性的特性，創(chuàng)立有價值的反饋式實踐教學(xué)情境。

圖3 競爭性實踐項目教學(xué)實施過程

3 結(jié) 語

工程實踐能力和創(chuàng)新能力對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生尤為重要，本文通過競爭性項目建立的“問題分析能力強化型理論教學(xué)，項目驅(qū)動型實踐教學(xué)，動手能力培養(yǎng)型工程實踐應(yīng)用”三位一體實踐教學(xué)及應(yīng)用體系，極大地提高了學(xué)生的動手能力、分析問題與解決問題的能力，效果顯著。希望此教學(xué)實踐改革方案能夠給其他院校帶來一些啟發(fā)和借鑒，共同推動物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)的健康發(fā)展。