花季偉?姜麗芬?夏瑋?劉洋

摘要：由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有多學(xué)科交叉融合，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更新快，社會需求變化快的特點，以及目前高校在物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)中普遍存在的專業(yè)課脫節(jié)、實踐環(huán)節(jié)不足等問題，通過“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計”課程平臺，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程開展以及課程評價三個方面進(jìn)行針對性的教學(xué)改革，使得學(xué)生具有更加完整的專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)，明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)，全面提升了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，為不斷完善高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案提供了有益的探索。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng); 實踐教學(xué); 教學(xué)改革

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)被譽(yù)為繼計算機(jī)和移動通信之后，第三種社會變革性技術(shù)，因此被國務(wù)院規(guī)劃為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)工程是一門綜合性交叉學(xué)科，涉及計算機(jī)、電子、自動化、信息安全等諸多學(xué)科，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通物流、醫(yī)療健康、智慧城市等多個領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用前景[3]。

特別是近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是呈現(xiàn)出與這些新技術(shù)不斷融合的趨勢[4]。因此，社會對于物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)人才的需求逐年增加，特別是對掌握全面技術(shù)知識，而且具有較高動手實踐能力的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的需求極為迫切[5]。

但目前高校在專業(yè)人才培養(yǎng)方面，普遍存在重理論、輕實踐的問題，課程的設(shè)置中對于動手實踐環(huán)節(jié)投入不足，缺少將理論知識與動手實踐相結(jié)合的環(huán)節(jié)，而且專業(yè)課程內(nèi)容難以應(yīng)對社會快速變化的需求，各個專業(yè)課程獨立開設(shè)，這就極易造成課程之間缺少溝通、脫節(jié)，內(nèi)容重復(fù)等現(xiàn)象的出現(xiàn)[6]。

同時，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生普遍存在對于專業(yè)知識的學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，不知道自己該學(xué)什么、朝哪個方向?qū)W習(xí)，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高；對于專業(yè)課程知識不能真正理解、靈活運(yùn)用，融會貫通、形成知識體系，應(yīng)用到系統(tǒng)實踐當(dāng)中；缺乏系統(tǒng)設(shè)計思想、缺乏系統(tǒng)性、整體性、頂層設(shè)計思維；缺乏創(chuàng)新性思維；實踐動手能力不高，缺乏將專業(yè)理論知識運(yùn)用到實際的能力。

因此，如何根據(jù)社會對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的需求變化，及時調(diào)整、更新專業(yè)知識教學(xué)內(nèi)容，突出各個專業(yè)課程內(nèi)容的融合，強(qiáng)化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重點提升工程創(chuàng)新能力，培養(yǎng)掌握全面物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識、高素質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)人才，是當(dāng)前高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)中亟待解決的問題。

二、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程改革方案

針對目前高校在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)中存在的上述問題，本次課程實踐教學(xué)改革的目的是將學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的專業(yè)知識，能夠加深理解、融會貫通、靈活運(yùn)用，相互串聯(lián)銜接起來；同時通過基于項目開發(fā)的課程設(shè)計與開發(fā)，一方面能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的各類專業(yè)知識，培養(yǎng)實踐工作能力，另一方面能夠了解物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的最新發(fā)展，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的能力，鍛煉自主學(xué)習(xí)能力。

本次課程實踐教學(xué)改革從三個方面進(jìn)行調(diào)整，具體內(nèi)容如下：

（1）在教學(xué)內(nèi)容中增加人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計等最新的信息技術(shù)，使得學(xué)生具備較為完整物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識體系，同時增加動手實踐環(huán)節(jié)，包括軟件編程、硬件設(shè)計、焊接等內(nèi)容。（2）增加企業(yè)實踐實訓(xùn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生真正感受企業(yè)實際的工作流程，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高學(xué)習(xí)的興趣。（3）基于項目驅(qū)動的課程設(shè)計考核方式，通過系統(tǒng)性、綜合性和創(chuàng)新性的項目設(shè)計與開發(fā)，全面提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)。

（一）教學(xué)內(nèi)容更新

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)也必將向智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）方向發(fā)展。為了適應(yīng)社會對于物聯(lián)網(wǎng)人才的需求變化，本次教改在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程中增加了人工智能深度學(xué)習(xí)、云計算、智能物聯(lián)網(wǎng)硬件等內(nèi)容。

增加人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)基本概念，重點通過Python和Tensor Flow框架的編程實踐來加深上述知識與理論的理解應(yīng)用，使學(xué)生掌握人工智能深度學(xué)習(xí)的基本概念、主要技術(shù)與方法，為后續(xù)能夠智能化分析和處理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

增加并行計算、分布式計算、云計算，大數(shù)據(jù)處理平臺等知識內(nèi)容，重點通過虛擬環(huán)境的搭建與實踐，使學(xué)生能夠掌握物聯(lián)網(wǎng)計算模式、物聯(lián)網(wǎng)計算平臺的技術(shù)與方法，為后續(xù)設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)計算平臺，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理做好準(zhǔn)備。

增加智能物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板、傳感器、無線通信協(xié)議以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計等知識，重點通過Arduino物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板以及各類傳感器搭建綜合性物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的實踐操作，使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計的基本方法，能夠根據(jù)需求快速搭建涵蓋多種物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的應(yīng)用系統(tǒng)，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計及就業(yè)工作打好基礎(chǔ)。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程中實踐環(huán)節(jié)，我們設(shè)計了三類實驗內(nèi)容，分別是認(rèn)知實驗、驗證實驗和綜合實驗。其中認(rèn)知實驗以掌握物聯(lián)網(wǎng)基本概念、基本理論為主，學(xué)生通過實驗課程能夠?qū)碚撝v授內(nèi)容加深理解，為后續(xù)理論與技術(shù)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。驗證實驗應(yīng)通過實驗環(huán)節(jié)讓學(xué)生進(jìn)一步掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試以及維護(hù)等各個步驟，加深對于理論知識的理解與掌握，培養(yǎng)學(xué)生在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。綜合實驗培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的理論與技術(shù)，解決實際問題的能力。

其中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程中所涉及的實驗，應(yīng)該從認(rèn)知實驗、驗證實驗到綜合實驗的原則來進(jìn)行設(shè)計開設(shè)，其相對應(yīng)的實驗?zāi)康臑椋菏煜の锫?lián)網(wǎng)智能硬件、掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理到能夠進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

（二）基于項目開發(fā)的課程設(shè)計

在正常開展課堂教學(xué)的同時，并行開展基于項目開發(fā)的課程設(shè)計工作。課程設(shè)計的總體要求在開學(xué)之初就布置給所有同學(xué)，然后依次進(jìn)行項目組隊、項目選題、分工、研發(fā)、撰寫研究報告，最后是現(xiàn)場實物展示答辯。這樣可以充分調(diào)動大家參與課程設(shè)計開發(fā)的主動性、積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性、創(chuàng)新性，同時又可以鍛煉大家的團(tuán)隊協(xié)助能力，組長的領(lǐng)導(dǎo)能力、協(xié)調(diào)能力。項目開發(fā)的總體流程如圖1所示。

項目組隊：全班同學(xué)按每3—5人組成一個小隊，進(jìn)行項目開發(fā)，這樣既可以進(jìn)行課程設(shè)計的項目研發(fā)，又為后續(xù)參加各類競賽做好準(zhǔn)備。每組選舉一人做為項目組長，負(fù)責(zé)項目整體管理、協(xié)調(diào)組員分工、監(jiān)督開發(fā)進(jìn)度以及最終為組員打分等工作。

項目選題：每組隊員充分發(fā)揮各自創(chuàng)新、創(chuàng)造活力，以國家近期的發(fā)展戰(zhàn)略為導(dǎo)向，結(jié)合各自熟悉的領(lǐng)域，以及技術(shù)特長確定課程設(shè)計題目。

項目分工：確定好題目后，進(jìn)行需求分析、確定系統(tǒng)具體功能、技術(shù)路線，然后組長進(jìn)行具體研發(fā)工作劃分，包括完成的時間進(jìn)度。

項目研發(fā)：全體項目成員要服從組長安排，嚴(yán)格根據(jù)項目進(jìn)度，倒排工期，確定自己的工作內(nèi)容、工作目標(biāo)，制定自己的工作計劃，對于尚未掌握知識要自主進(jìn)行學(xué)習(xí)。每周組長要進(jìn)行老師匯報進(jìn)度，及時溝通調(diào)整工作計劃。

研究報告：項目研發(fā)后期要撰寫研究報告，具體內(nèi)容包括：摘要、需求分析、系統(tǒng)功能、創(chuàng)新點、開發(fā)環(huán)境要求、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、傳輸技術(shù)、總結(jié)、參考文獻(xiàn)。

現(xiàn)場展示答辯：項目組最后要調(diào)試好系統(tǒng)的軟硬件，制作PPT，現(xiàn)場實物展示，PPT講解，進(jìn)行答辯。

將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的課程設(shè)計工作以項目研發(fā)的形式開展，首先不占用課堂時間，與課堂教學(xué)并行開展，因此可以充分利用學(xué)生的課余時間，調(diào)動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)積極性；通過項目組成員之間的溝通，不僅可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性、創(chuàng)新性，而且可以充分鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力，溝通能力。

其次，項目從構(gòu)思、設(shè)計、研發(fā)一直到最終實現(xiàn)的過程緊密銜接，頂層設(shè)計沒有做好就會導(dǎo)致項目的反復(fù)，甚至最終失敗，因此要先做好系統(tǒng)的整體設(shè)計、頂層設(shè)計，所以這就可以很好的鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力，自主學(xué)習(xí)能力以及綜合分析能力。

（三）企業(yè)實踐

企業(yè)實訓(xùn)環(huán)節(jié)的目的是要學(xué)生真實來到企業(yè)現(xiàn)場，感受真實生產(chǎn)實踐環(huán)境，了解當(dāng)前社會主流發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)平臺產(chǎn)品體系。

企業(yè)實訓(xùn)環(huán)節(jié)也是要以項目組的形式，實際模擬研發(fā)公司工作組的管理、協(xié)作與協(xié)調(diào)的工作模式。在企業(yè)實踐生產(chǎn)過程中，進(jìn)一步加深了解物聯(lián)網(wǎng)平臺的整體架構(gòu)和各環(huán)節(jié)的技術(shù)要素。首先要建立“物聯(lián)網(wǎng)”思維；其次更要培養(yǎng)研發(fā)中的自我學(xué)習(xí)能力；最后以項目為目標(biāo)，完成產(chǎn)品化平臺的整個從研發(fā)到生產(chǎn)全過程，以此來幫助學(xué)生快速了解、熟悉、適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)需求。

企業(yè)實訓(xùn)內(nèi)容主要包括兩部分。一是以企業(yè)生產(chǎn)車間為基礎(chǔ)，實地開展標(biāo)準(zhǔn)焊接步驟及工藝、實驗室焊接設(shè)備使用、電路調(diào)試、故障分析調(diào)試、整機(jī)組裝等生產(chǎn)活動；學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板的主要功能、原理和編程技術(shù)。二是參觀企業(yè)智能樓宇實訓(xùn)室，了解智能樓宇實訓(xùn)室視頻監(jiān)控、消防聯(lián)動、入侵報警、可視對講系統(tǒng)基本原理與實際應(yīng)用。

上述實踐活動，可以很好地將學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過電路原理、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和單片機(jī)等專業(yè)課知識應(yīng)用于實踐，能夠調(diào)試解決常見的硬件故障，提高了學(xué)生動手實踐的能力，同時通過理論指導(dǎo)實踐工作，又可以加深對于電路原理、數(shù)字電路、嵌入式系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等理論知識的理解與掌握，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識，理論和實踐相結(jié)合的能力。

同時，在企業(yè)實踐過程中，要讓學(xué)生充分鍛煉以項目組為單位的協(xié)同模式，能夠讓學(xué)生在畢業(yè)工作后，快速而順利的融入企業(yè)的工作氛圍、掌握實際工作中，跨部門協(xié)同研發(fā)的技巧和意識。

（四）評價機(jī)制

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程的最終成績根據(jù)各個項目組的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)完成情況給定，其中教師評價占80%，項目組長評價組員占20%。這樣既可以滿足最終評價的公平性，又可以鍛煉項目組長領(lǐng)導(dǎo)能力，充分調(diào)動每個組員完成日常的分工協(xié)助。項目完成情況具體包括，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)實物展示、現(xiàn)場講解以及項目研究報告三部分組成。

教師根據(jù)每個項目組在這三個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)給出評價，作為期末最終成績，具體依據(jù)為：需求分析（10%）、功能描述（5%）、應(yīng)用價值（5%）、設(shè)計方案（10%）、創(chuàng)新點（10%）、創(chuàng)意獨創(chuàng)性（20%）、軟硬件設(shè)計（20%）、數(shù)據(jù)傳輸（10%）、其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（5%）、格式符合標(biāo)準(zhǔn)（5%）。教師在課程設(shè)計的評價過程中，要重點突出項目的創(chuàng)新性、原創(chuàng)性、獨立性；要根據(jù)系統(tǒng)最終的完成情況，以及與課程設(shè)計報告的匹配程度，同時還要考慮項目組長根據(jù)組員對于項目完成的貢獻(xiàn)，為每個組員按百分制來打分，最終做出客觀、公正的評價。

三、改革成效

天津師范大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)自2017年在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)過程中，實施了上述實踐教學(xué)改革，取得了較好的成效。

一是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)明確了，學(xué)習(xí)熱情有了顯著提高，積極參加教師科研項目、各類競賽以及大創(chuàng)項目，并取得了較好成績，其中獲得全國“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽總決賽金獎一項、銅獎三項，計算機(jī)設(shè)計競賽全國一等獎二項，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽全國二等獎五項、各類省部級競賽一等二十余項，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目三十余項。

二是學(xué)生通過物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程的學(xué)習(xí)，能夠?qū)⒁郧皩W(xué)過的各類專業(yè)課程知識真正理解、融會貫通、形成了完整的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識體系，將這些知識應(yīng)用到系統(tǒng)的研發(fā)實踐當(dāng)中，進(jìn)一步提高了實踐動手能力，全面提升了專業(yè)素養(yǎng)，突出反映在畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量有了顯著提高，畢業(yè)生就業(yè)與本專業(yè)的契合度逐年提升，碩士研究生升學(xué)率從2017年不足10%，至2021年已經(jīng)達(dá)到了21%。

四、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必須課程，針對目前高校在物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)過程中存在的問題，以提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)為目標(biāo)，通過在課程中融合人工智能、云計算等最新信息技術(shù)，引入基于項目驅(qū)動的機(jī)制，從教學(xué)組織、過程開展、課程評價等多個方面，完善課程設(shè)置，系統(tǒng)地培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用多領(lǐng)域知識解決實際問題的能力，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立創(chuàng)新的熱情，后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行深入研究，不斷探索更加符合新時代特色的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學(xué)改革方案。

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基金項目：天津師范大學(xué)教改項目（No.JGYB01217048）資助

作者單位：天津師范大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院