魏葉華，張連明，萬求真，魏書寧

（湖南師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410081）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展由人機(jī)交互，轉(zhuǎn)變到了人與人、人與物、物與物的信息交換，萬物互聯(lián)成為了可能。隨著5G、NB-IoT、LoRa、SigFox 等技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由概念逐漸落地應(yīng)用，在各行業(yè)都有廣闊的應(yīng)用前景。為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)人才需求，自2010 年設(shè)立物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以來，目前已有400 多所院校開設(shè)了這一專業(yè)。作為一個(gè)新設(shè)置工科專業(yè)，沒有成熟培養(yǎng)方案可參考，加上涉及技術(shù)領(lǐng)域較多，難度較大，在專業(yè)教學(xué)上，多數(shù)高校仍在探索中前行。怎樣結(jié)合各自特色和專業(yè)特點(diǎn)，探索物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)改革，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)適合行業(yè)需求的新型工科人才，仍具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的意義

我國工程教育規(guī)模已位居世界第一，有力支撐了我國工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為實(shí)施人才強(qiáng)國戰(zhàn)略，2010 年教育部實(shí)施了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”項(xiàng)目，培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高質(zhì)量工程人才。為適應(yīng)新的產(chǎn)業(yè)變革，服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，推動(dòng)工程教育改革，教育部2017 年發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，號召各高校開展新工科研究與實(shí)踐，培養(yǎng)適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭的高素質(zhì)工科人才[1]。實(shí)踐能力的培養(yǎng)是卓越工程師和新工科建設(shè)的重要內(nèi)涵，是高等工程教育變革形勢所需，也是作為新興工科專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)工程的重要需求。

物聯(lián)網(wǎng)具有實(shí)踐性強(qiáng)和學(xué)科交叉的特點(diǎn)，是理論與實(shí)踐并重的新興技術(shù)[2]，應(yīng)用范圍覆蓋環(huán)境監(jiān)測、智慧城市、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等諸多行業(yè)，解決領(lǐng)域應(yīng)用需要開發(fā)人員具有堅(jiān)實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)理論基礎(chǔ)和良好的工程設(shè)計(jì)能力。物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中的實(shí)踐能力培養(yǎng)是工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的重要保證。

綜上所述，無論是在行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型人才需求上，還是工科人才培養(yǎng)變革趨勢上看，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)勢必要強(qiáng)化實(shí)踐性。注重專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時(shí)，要強(qiáng)化培養(yǎng)實(shí)踐技能[3]，由知識型培養(yǎng)到知識技能型轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程高級專門人才[4]。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)存在的不足

目前，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、模式等仍在探索階段[5]。有些高校走出了自己的特色，形成了品牌，也存在許多高校落入傳統(tǒng)理工科培養(yǎng)模式，無法彰顯專業(yè)特點(diǎn)，人才培養(yǎng)與企業(yè)需求脫節(jié)[6]。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)和調(diào)研，對物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)特別是實(shí)踐教學(xué)存在的不足梳理如下。

（1）課程體系缺少整體規(guī)劃，未突出物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點(diǎn)[5]。課程體系建設(shè)上多是增設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID 原理及應(yīng)用等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信原理、嵌入式系統(tǒng)等多數(shù)課程是從計(jì)算機(jī)、通信等專業(yè)移植過來，未結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程特點(diǎn)進(jìn)行再設(shè)計(jì)再融合。課程顯得較為雜亂，學(xué)生抓不住重點(diǎn)，易產(chǎn)生專業(yè)迷茫。

（2）理論與實(shí)踐教學(xué)缺少系統(tǒng)性規(guī)劃，未突出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上的銜接和關(guān)聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)作為新興技術(shù)，真正從事物聯(lián)網(wǎng)研究的教師并不多，大部分教師也并未參加過系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)培訓(xùn)，課程講授多按原有模式孤立講授各個(gè)知識點(diǎn)；實(shí)踐教學(xué)上基本也是各自為政，未能從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上整體設(shè)計(jì)實(shí)踐方案。學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)缺少整體認(rèn)知，難以從系統(tǒng)上理解、消化和應(yīng)用各知識點(diǎn)。

（3）實(shí)踐教學(xué)模式較為傳統(tǒng)，課時(shí)不足，未能體現(xiàn)專業(yè)的工程性及創(chuàng)新能力培養(yǎng)需求。許多學(xué)校仍然以理論教學(xué)為主，課程實(shí)驗(yàn)為輔，實(shí)踐教學(xué)形式單一，停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上。實(shí)踐教學(xué)多是按實(shí)驗(yàn)講義開展，學(xué)生缺少自主性，不夠深入，學(xué)生解決工程問題的能力得不到鍛煉[6]，不利于學(xué)生創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)。

（4）學(xué)分構(gòu)成和學(xué)生評價(jià)比較傳統(tǒng)，在正向促進(jìn)學(xué)生對工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提升著力上仍顯不足。學(xué)分構(gòu)成除常規(guī)基本實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)外，仍以理論課程為主，考試成績?nèi)允菦Q定性因素，反而強(qiáng)化了學(xué)生重理論輕實(shí)踐的意識。新工科建設(shè)背景下，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的高級物聯(lián)網(wǎng)工程人才，需要加大實(shí)踐能力在學(xué)生評價(jià)中的比重。

3 實(shí)踐強(qiáng)化教學(xué)探索

物聯(lián)網(wǎng)工程是多學(xué)科融合的交叉型新興學(xué)科，綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)通常劃分為感知層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層4 個(gè)層次，涵蓋傳感器、嵌入式系統(tǒng)、無線通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理及云計(jì)算等多種技術(shù)，學(xué)習(xí)難度大。為適應(yīng)高等工程教育變革所需，結(jié)合新工科建設(shè)內(nèi)涵，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)模式積極探索，不斷強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，在夯實(shí)基礎(chǔ)之上，努力提升學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。校企合作，建設(shè)企業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地是一種有效實(shí)踐方式，這里主要探討校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)。

3.1 體現(xiàn)多元實(shí)踐的培養(yǎng)方案

與多數(shù)高?；绢愃疲倚Ｎ锫?lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程劃分為公共基礎(chǔ)、學(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)核心、專業(yè)任選課程及實(shí)踐課程等幾個(gè)主要模塊，但在專業(yè)建設(shè)中高度重視學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，不斷調(diào)整優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)形式和內(nèi)容，構(gòu)建了“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—電子工藝實(shí)習(xí)—專業(yè)實(shí)驗(yàn)—綜合實(shí)訓(xùn)—課程設(shè)計(jì)—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)—學(xué)科競賽—科研項(xiàng)目—專業(yè)實(shí)習(xí)—畢業(yè)設(shè)計(jì)”等多元實(shí)踐教學(xué)體系，從物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，到專業(yè)強(qiáng)化，再到實(shí)踐能力提升，漸進(jìn)全面培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

除基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)習(xí)外，大二開展為期1 周的電子工藝實(shí)習(xí)，每位學(xué)生自主焊接和編程智能小車等作品，既鍛煉了動(dòng)手能力，又激發(fā)了專業(yè)學(xué)習(xí)熱情；大三開設(shè)了32 個(gè)課時(shí)1 個(gè)學(xué)分的綜合實(shí)訓(xùn)課程，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室智慧交通、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，自主選擇實(shí)訓(xùn)課題，提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和知識的綜合運(yùn)用能力，增強(qiáng)系統(tǒng)開發(fā)能力；大三下學(xué)期開展了2 周的物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用小系統(tǒng)，鍛煉知識自主運(yùn)用能力，培養(yǎng)分析問題和解決問題能力。此外，為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力，增加了2 學(xué)分的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，并列為了必修課程，邀請企業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富工程師參與講授。

3.2 多課程協(xié)同教學(xué)體系

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程分布于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)、控制工程等多個(gè)專業(yè)。學(xué)生需要掌握信息采集接口編程、傳感器組網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、無線通信、數(shù)據(jù)庫、Web 開發(fā)等相關(guān)技能，什么都要學(xué)，繁雜而困難，難以從系統(tǒng)角度學(xué)習(xí)和掌握各科知識，迷茫而無方向感。為此，應(yīng)以項(xiàng)目開發(fā)為驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建多課程協(xié)同的教學(xué)體系，加強(qiáng)各課程融合，提高學(xué)生知識點(diǎn)綜合運(yùn)用能力。

課程來源于其他學(xué)科，容易產(chǎn)生課程內(nèi)容和講授方式原樣照搬現(xiàn)象，缺少專業(yè)性設(shè)計(jì)和融合，學(xué)生學(xué)完后難于綜合統(tǒng)籌。以實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)測系統(tǒng)這一綜合項(xiàng)目為出發(fā)點(diǎn)，將項(xiàng)目劃分為幾個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)映射到具體課程，任課教師在原有課程內(nèi)容基礎(chǔ)上，增加相關(guān)知識點(diǎn)的講授，并修改相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)大綱，設(shè)計(jì)子模塊相關(guān)知識的驗(yàn)證或應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。如感知層的溫濕度、PM2.5 等傳感器原理和采集的A/D 轉(zhuǎn)換電路部分，分別對應(yīng)電子技術(shù)和傳感器與檢測技術(shù)課程；溫濕度等感知數(shù)據(jù)采集和處理、攝像頭云臺(tái)控制等接口和控制程序設(shè)計(jì)對應(yīng)到單片機(jī)原理及應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘等課程；傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、通信、識別等相關(guān)知識對應(yīng)到無線傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用、RFID 原理及應(yīng)用等課程；系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)相關(guān)的操作系統(tǒng)、圖形界面開發(fā)等對應(yīng)到嵌入式系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用等課程；監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和展示等對應(yīng)到大數(shù)據(jù)技術(shù)、Web 開發(fā)、Java程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等課程。經(jīng)過項(xiàng)目知識點(diǎn)分解，講授做到有的放矢，實(shí)現(xiàn)課程上有機(jī)聯(lián)系和專業(yè)融合，突出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特點(diǎn)。

通過多課程協(xié)同專業(yè)課程體系建設(shè)，學(xué)生可從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)角度去理解并掌握各門課程重點(diǎn)。在專業(yè)課程學(xué)習(xí)結(jié)束，綜合各課程知識，自主重現(xiàn)智能監(jiān)測系統(tǒng)，并撰寫分析和設(shè)計(jì)文檔，由點(diǎn)到面，形成了物聯(lián)網(wǎng)工程思維。

3.3 線上線下混合教學(xué)模式

培養(yǎng)方案中總課時(shí)是固定的，為強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，增加電子工藝實(shí)習(xí)、綜合實(shí)訓(xùn)課程和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程后，勢必?cái)D占其他課程學(xué)時(shí)。為優(yōu)化學(xué)時(shí)分配，保證各科教學(xué)效果，以教學(xué)模式變革彌補(bǔ)課時(shí)變化，探索并實(shí)踐了線上線下混合教學(xué)模式。經(jīng)專業(yè)教師研討，確立了幾門試點(diǎn)課程，如Java 程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等課程，理論教學(xué)課時(shí)壓縮到32 課時(shí)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)壓縮到16 課時(shí)，借助EduCoder 綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，增設(shè)對應(yīng)的實(shí)訓(xùn)課程，任課教師設(shè)計(jì)、發(fā)布實(shí)訓(xùn)題目，學(xué)生注冊后自行在課下完成，平臺(tái)自動(dòng)記錄詳細(xì)的完成情況，評判分?jǐn)?shù)。經(jīng)過兩學(xué)期試行，學(xué)生反映良好，受益頗多，實(shí)訓(xùn)記錄也可作為課程成績評定依據(jù)，改變了單一的理論考試評價(jià)方式。

3.4 突出自主的實(shí)踐教學(xué)條件

要提高學(xué)生動(dòng)手能力、解決工程問題的能力，僅僅進(jìn)行理論學(xué)習(xí)是無本之木。專業(yè)經(jīng)過幾年建設(shè)，已形成“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—專業(yè)課實(shí)驗(yàn)—綜合實(shí)訓(xùn)—眾創(chuàng)空間”等較為系統(tǒng)的多層次實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，為實(shí)踐教學(xué)提供了有力支持。

我院具有計(jì)算機(jī)、通信工程等多個(gè)本科專業(yè)，嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信原理等課程實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)成熟，但多是按原專業(yè)需求建設(shè)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)需要，須升級部分設(shè)備，如嵌入式系統(tǒng)設(shè)備不再以實(shí)驗(yàn)箱形式，購置開發(fā)板模塊組，學(xué)生可以帶回宿舍自主學(xué)習(xí)。另外，要修改現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和講義，增加物聯(lián)網(wǎng)綜合系統(tǒng)所對應(yīng)的相關(guān)知識點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，并提高設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比重，突出學(xué)生自主性。

除基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)室外，要建設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID 技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，支持感知、傳輸、組網(wǎng)和計(jì)算4 個(gè)層次相關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。為進(jìn)一步提高實(shí)踐能力和系統(tǒng)開發(fā)能力，學(xué)院建設(shè)了智能交通、智能家居、工業(yè)監(jiān)測等綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)課程，在教師指導(dǎo)下，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主開發(fā)，系統(tǒng)功能重現(xiàn)；為提升學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，與企業(yè)共同建設(shè)了“眾創(chuàng)空間”開放實(shí)驗(yàn)室、省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中心，提供各類元器件、物聯(lián)網(wǎng)開放套件及輔助設(shè)備，對有志于工程開發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)新的學(xué)生全天候開放。

此外，為突出實(shí)踐重要性，借鑒歐美高校做法，增加課程項(xiàng)目，以小組為單位，既加強(qiáng)了知識運(yùn)用能力，又鍛煉了團(tuán)隊(duì)精神，不再僅僅以期末考試進(jìn)行課程評價(jià)，提高學(xué)生對設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的興趣。

3.5 競賽與項(xiàng)目提升實(shí)踐

高素質(zhì)新型工科人才需要具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，專業(yè)堅(jiān)持每個(gè)學(xué)生均能成才的理念，同時(shí)注重學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，因材施教，實(shí)施了“綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目—學(xué)科競賽—科研項(xiàng)目”等多類型實(shí)踐和創(chuàng)新項(xiàng)目形式，對學(xué)有余力的學(xué)生，在完成專業(yè)實(shí)踐、實(shí)習(xí)基礎(chǔ)之上，鼓勵(lì)積極參與教師科研課題、參加學(xué)科競賽和申報(bào)各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。

學(xué)科競賽能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，鞏固和強(qiáng)化專業(yè)知識，增強(qiáng)動(dòng)手能力，已成為高校重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要途徑。我院牽頭組織了校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)大賽，且分別有對應(yīng)的省級賽事。除此之外，還鼓勵(lì)學(xué)生積極參加電子設(shè)計(jì)大賽、創(chuàng)青春、挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+等各種比賽。以競賽任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，充分發(fā)揮了學(xué)生主觀能動(dòng)性，使用所學(xué)物聯(lián)網(wǎng)知識和技能，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意或競賽組題目，有效提升工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)精神。

各類實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目也是培養(yǎng)解決工程問題能力的重要方法。專業(yè)要求所有大二以上學(xué)生必須申報(bào)或參與申報(bào)校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，擇優(yōu)推薦到省級。對學(xué)業(yè)優(yōu)秀，學(xué)有余力，熱愛科研的同學(xué)，安排參與教師科研項(xiàng)目，并實(shí)施了拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃，實(shí)行導(dǎo)師制、課題制培養(yǎng)。另外，實(shí)施了項(xiàng)目制課程，將教師科研項(xiàng)目向本科生開放，學(xué)生根據(jù)興趣選擇，達(dá)到要求后給予相應(yīng)學(xué)分。通過項(xiàng)目的開展，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維、科研素質(zhì)，充分鍛煉了分析、解決問題的能力。

4 結(jié) 語

自2014 年我校開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以來，經(jīng)過幾年來不斷探索，通過課程體系優(yōu)化，實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐條件改善，競賽和創(chuàng)新項(xiàng)目開展，學(xué)生工程實(shí)踐能力得到了明顯提升，提高了創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)合作意識。物聯(lián)網(wǎng)工程作為一個(gè)新專業(yè)，無成熟建設(shè)經(jīng)驗(yàn)參考，加上涉及多個(gè)學(xué)科，融合具有難度，專業(yè)將繼續(xù)不斷深化教學(xué)改革，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，為社會(huì)培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)，工程實(shí)踐能力強(qiáng)，具有創(chuàng)新精神的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域高素質(zhì)新型工科人才。