摘? 要：隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，教育部提出新工科的建設(shè)，并動員全國高校積極推進高等教育的改革。新工科更加強調(diào)學科的實用性、交叉性與綜合性。文章探索新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學模式，該模式不但注重學生專業(yè)基礎(chǔ)知識的夯實，而且還注重對學生工程實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。此外，還提出了交叉學科的融合實踐課程體系，制定出符合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)特點的實踐教學方案，在整合優(yōu)化多學科實踐資源的基礎(chǔ)上，建立了校企合作物聯(lián)網(wǎng)實訓平臺，此舉既提升了教學質(zhì)量，又推動了行業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新工科；物聯(lián)網(wǎng)工程；實踐教學；交叉學科；校企合作

中圖分類號：TP393；G434? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0171-04

Exploration of Practical Teaching System of Internet of Things Engineering Specialty under the Background of New Engineering

CAO Yuanqing

（School of Mathematics and Computer Science， Hetao College， Bayan Nur? 015000， China）

Abstract： With the transformation and upgrading of China's industrial structure， the Ministry of Education has proposed the construction of new engineering and mobilized colleges and universities across the country to actively promote the reform of higher education. The new engineering emphasizes more on the practicality， intersection and comprehensiveness of the discipline. This paper explores the practical teaching mode of the Internet of Things engineering specialty under the background of new engineering. This mode not only focuses on the consolidation of students' professional basic knowledge， but also focuses on the cultivation of students' engineering practical ability and innovation consciousness. In addition， it has also proposed a cross-disciplinary integrated practice curriculum system， developed a practical teaching program that conforms to the characteristics of the Internet of Things specialty， and established a school-enterprise cooperation Internet of Things training platform on the basis of integrating and optimizing multidisciplinary practical resources， which not only improves the teaching quality， but also promotes the development of the industry.

Keywords： new engineering; Internet of Things engineering; practical teaching; interdisciplinary; school-enterprise cooperation

0? 引? 言

2016年，教育部首次提出“新工科”的概念[1]，隨后反復數(shù)次深入高校進行計議、調(diào)研和考證，從而在2017年最終確定“新工科”計劃，而后又規(guī)劃并制定了三個指導性文件：“北京指南”“天大行動”和“復旦共識”?！靶鹿た啤苯⒃趥鹘y(tǒng)工科的基礎(chǔ)之上，為了推動行業(yè)的發(fā)展，不僅要敦促傳統(tǒng)工科的改革，還要探索出滿足工程育人模式的嶄新人才培養(yǎng)架構(gòu)，建立一批新生工科專業(yè)，并在此基礎(chǔ)上強化學科建設(shè)，提高人才質(zhì)量[2]。

物聯(lián)網(wǎng)起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科技產(chǎn)業(yè)中繼計算機和互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次革命。我國于2009年8月首次提出大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，2010年3月，教育部頒發(fā)的相關(guān)文件中明確指出，要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)歸為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，而后全國諸多高校陸續(xù)申請并開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。2018年，教育部頒發(fā)的相關(guān)文件中確定了將物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)納入國家首批“新工科”科學研究與工程實踐項目[3]。為滿足“新工科”的需求，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)需要革故鼎新才能緊隨信息化時代的腳步，從而推動國家產(chǎn)業(yè)的變革和經(jīng)濟的進步。國內(nèi)的眾多學者紛紛開始研究“新工科”背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學體系改革和實踐教學方案。如深入研究“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”的課程特色、知識結(jié)構(gòu)、理論體系、實踐背景、教學資源、授課過程，以及專業(yè)教師和實驗資源配備，從培養(yǎng)工程應用型人才的角度出發(fā)，提出了基于CDIO（構(gòu)想—規(guī)劃—實踐—運行）的主動實踐式學習，課題化和探究式有機結(jié)合的實踐教學模式。以工程實踐能力資質(zhì)認證為導向，通過校企融合、多語授課、CDIO等方式探究了“傳感器技術(shù)與基本原理”專業(yè)課的教學改革。

一些研究人員在“新工科”的時代背景下提出了改進的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案[4]，在制定和實施人才培養(yǎng)方案這兩個環(huán)節(jié)上進行深入的研究后，將人才培養(yǎng)方案中的實踐部分分解為五個主要方面：課程建設(shè)、能力要求、培養(yǎng)規(guī)劃、實驗結(jié)構(gòu)、學分配比，并全面解析了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學內(nèi)容。還有一些學者指出在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)這門學科過程中存在的一些問題（如課程結(jié)構(gòu)與培養(yǎng)目標脫節(jié)、重視理論知識掌握能力輕視實踐技能培養(yǎng)、就業(yè)崗位類型與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)不對口、畢業(yè)生綜合專業(yè)素養(yǎng)參差不齊等問題），深入探討了實踐教學過程中各種課程模式的不同特性，提出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)對學生實踐能力培養(yǎng)的新方向[5，6]。

因為“新工科”的核心思想是知識的實踐性、學科的交叉性與能力的多元性，尤為注重互聯(lián)網(wǎng)編程、系統(tǒng)設(shè)計、應用軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)的綜合，此外，“新工科”還倡導培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的實踐型人才，主張產(chǎn)學合作聯(lián)合育人。

為此，本文以提升學生的實踐能力為核心，設(shè)計了“新工科”背景下多元協(xié)同實踐教學體系，啟發(fā)學生循序漸進地學習物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的相關(guān)知識，強化學生的實驗動手能力，著力提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)水平，開展多樣化的實踐教學模式探究，以期為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應用型人才實踐能力培養(yǎng)提供新思路。

1? 物聯(lián)網(wǎng)工程知識體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)工程是一個交叉學科，所涉及的學科有云計算、大數(shù)據(jù)、通信原理、模擬電路技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)、電子技術(shù)和匯編語言等[7]。在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學過程中，教師不僅要講授基本的物聯(lián)網(wǎng)理論知識，還要教會學生如何結(jié)合理論知識解決物聯(lián)網(wǎng)工程實踐問題，提高學生的實驗實踐能力和創(chuàng)新水平。如圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)工程知識體系架構(gòu)，從層次流向不難看出，物聯(lián)網(wǎng)工程的知識體系結(jié)構(gòu)由下至上依次為公共基礎(chǔ)模塊、專業(yè)基礎(chǔ)模塊、專業(yè)核心模塊和應用領(lǐng)域模塊四層。

由圖1可知，公共基礎(chǔ)模塊為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生在第一學年學習的公共基礎(chǔ)知識課程，也是整個物聯(lián)網(wǎng)知識體系的基礎(chǔ)支撐。專業(yè)基礎(chǔ)模塊主要是為大二學生初步接觸物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識做理論鋪墊，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、電路與電子技術(shù)、單片機原理與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。專業(yè)核心模塊按照理論與實驗相結(jié)合的方式將物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)課程安排到第三學年，目的是使學生在已有公共基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，逐步掌握物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，初步建立物聯(lián)網(wǎng)知識體系，并開始接觸相關(guān)的實驗內(nèi)容，從中獲得一定的實踐技能。專業(yè)核心模塊主要包含三個部分，分別是感知技術(shù)、傳輸技術(shù)和處理技術(shù)。從數(shù)據(jù)流向的角度來看可以將三種技術(shù)的工作機制概況如下：

（1）利用傳感器節(jié)點感知層技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)對數(shù)據(jù)進行采集。

（2）利用短、中、長距離物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)匯聚到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

（3）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過Internet層將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機或客戶端計算機進行數(shù)據(jù)處理和分析，進而對底層節(jié)點發(fā)送控制信令，完成交互。應用領(lǐng)域?qū)邮侵敢孕Ｆ蠛献鳛橹饕问降膶嵱枌嵙暎植紩r間段為第四學年，將學生在校期間學習到的物聯(lián)網(wǎng)知識通過實訓項目的方式運用到實踐中，如指引學生將物聯(lián)網(wǎng)知識應用到智能交通、物流監(jiān)控和醫(yī)療檢測等領(lǐng)域。

2? 物聯(lián)網(wǎng)工程遞進式實踐教學體系

物聯(lián)網(wǎng)工程遞進式實踐教學模式是一種面向校企合作并以工程實踐能力為導向的教學模式，該實踐教學模式的架構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出，該體系分為設(shè)計交叉學科校企融合實踐教學體、以制定項目應用能力為導向的實踐教學方案和探索多元協(xié)同的人才培養(yǎng)方案3個方面，并且是逐級遞進的，而建立實踐能力檔案作為遞進式教學的數(shù)據(jù)歸口貫穿整個教學體系。通過設(shè)計交叉學科校企融合實踐教學體系來夯實學生專業(yè)實踐技能，在此基礎(chǔ)上，通過制定以項目應用能力為導向的實踐教學方案使學生在實訓項目的整個周期中不斷強化項目運作能力，并在此過程中激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，為其后續(xù)工作崗位的專業(yè)技能需求做好充足準備。而后通過探索多元協(xié)同的人才培養(yǎng)方案來整合多元化交叉學科的實驗實訓軟硬件資源，以及提升物聯(lián)網(wǎng)實踐教學氛圍。建立實踐能力檔案與遞進式的三個方面皆有關(guān)系，這三個方面的成果最終會體現(xiàn)在實踐能力檔案中，而實踐能力檔案的持續(xù)更新又會反過來動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化實踐教學體系架構(gòu)，形成遞進式教學的促進與反饋。

2.1? 設(shè)計交叉學科校企融合實踐教學體系

為了引導并強化學生的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)實踐能力，首先需要設(shè)計科學合理的實踐教學課程體系。圖3是在圖1的基礎(chǔ)之上設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)實踐課程體系，該體系囊括了圖1中涉及的所有核心知識，并且是循序漸進，前后銜接。

從橫向來看，該體系的時間跨度為四個學年，第一學年到第四學年的課程難度逐級遞增，涵蓋了主要的學科知識，便于學生循序漸進地進行專業(yè)知識的系統(tǒng)性學習。物聯(lián)網(wǎng)感知層知識課程安排在大二，數(shù)據(jù)庫知識、信息技術(shù)和通信原理知識課程安排在大三，企業(yè)實訓實習安排在大四。從縱向來看，該實踐課程體系分為理論鋪墊、實驗操作、課程設(shè)計和項目實踐四個過程，由淺入深，培養(yǎng)學生運用物聯(lián)網(wǎng)理論知識解決工程實際問題的能力，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

在第一學年，首先通過物聯(lián)網(wǎng)導論讓學生初步了解和學習物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基礎(chǔ)知識，為學生后續(xù)專業(yè)課程的學習做好理論方面的準備。其次通過引企入校和現(xiàn)場觀摩物聯(lián)網(wǎng)項目的方式激發(fā)學生的學習興趣，輔以大學物理、數(shù)字電路基礎(chǔ)、模擬電路基礎(chǔ)和電路原理等課程知識鍛煉學生的實驗能力。最后通過對高等代數(shù)和概率論與數(shù)理統(tǒng)計的學習，使學生能夠在后續(xù)的專業(yè)學習中具備一定的邏輯推理能力和數(shù)據(jù)分析能力。

在第二學年，課程任務(wù)增多，知識難度增大，學科類目增加，需要學生針對模擬和數(shù)字電路技術(shù)及傳感器技術(shù)動手實驗，培養(yǎng)學生中級動手能力，并使學生掌握硬件相關(guān)知識。此外，在硬件知識的基礎(chǔ)上，學生學習單片機原理、嵌入式開發(fā)與應用和匯編語言，增強學生軟件知識儲備，以更好地迎接第三學年難度更大綜合性更強的感知層技術(shù)課程，也為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽做好準備。

在第三學年，專業(yè)課程無論從數(shù)量上還是難度上都有所增加，主要分為兩個課程分支，分別是信號處理和通信技術(shù)。其中，信號處理技術(shù)主要涉及自動處理和AI算法等，總體偏向于軟件，而通信技術(shù)主要涉及電路原理和計算機硬件結(jié)構(gòu)，總體偏向于硬件。

在第四學年，學生對基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的學習基本完成，主要是通過畢業(yè)設(shè)計將所學知識加以綜合運用，而畢業(yè)設(shè)計中所涉及的項目經(jīng)驗、創(chuàng)新方法和思維靈感，需要從企業(yè)實訓和頂崗實習中獲取。

2.2? 制定以項目應用能力為導向的實踐教學方案

衡量一個物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生實踐能力的標準就是其是否具備工程實踐的項目應用能力，如圖4所示為培養(yǎng)學生項目應用能力的實踐教學方案，此方案主要是針對基礎(chǔ)實驗和課程設(shè)計而制定，具體過程可分為兩步：第一步是通過基礎(chǔ)實驗使學生逐漸形成初步的動手能力，從而形成學生的實踐能力檔案。這一步主要分布在大一和大二學年，在這一階段，學生通過對物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)課程的學習，初步構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)知識體系。在實際的教學過程中，教師設(shè)計多組難度不等的基礎(chǔ)實驗供學生選做，而后依據(jù)學生的實驗興趣表現(xiàn)形成個性化的實踐能力檔案。第二步就是通過課程設(shè)計環(huán)節(jié)訓練學生的創(chuàng)新意識，涉及時間段為大三和大四學年，通過兩個學年的學習，學生已具備基本的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)知識，并具有一定的創(chuàng)新能力，形成了相對固定的學生實踐教學檔案。在這一步中，實踐教學的主體已由教師轉(zhuǎn)移到學生。

2.3? 探索多元協(xié)同的人才培養(yǎng)方案

為了能夠充分利用學校已有的教學資源，對多個實驗實訓中心的軟硬件資源進行優(yōu)化整合，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)工程多學科交叉的專業(yè)優(yōu)勢，提出了多元協(xié)同的物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)方案。該機制主要包含以下三個方面：

（1）構(gòu)建綜合實驗實訓平臺與學生之間的紐帶，并依據(jù)學生的實踐能力檔案定向給學生推送定制化的信息，其中，所推送的信息包括課程教案實驗設(shè)計、科研進展、專業(yè)前沿、公司招聘等。

（2）建立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽培訓隊伍，通過遴選專業(yè)教師資源，建立一支專業(yè)性強、創(chuàng)新輔導經(jīng)驗豐富的培訓隊伍，為每屆國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽輸送綜合素質(zhì)和實踐能力較高的物聯(lián)網(wǎng)學生。

（3）充分利用學校及社會資源，學校與企業(yè)合作共同建立校企合作實習基地，給大四學生提供專業(yè)講座、學術(shù)交流和就業(yè)推薦等資源。

2.4? 搭建物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺

在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，傳統(tǒng)的做法是將物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓安排在第四學年第二學期，這是一門綜合了所有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的實踐性課程，主要考察學生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實際應用能力，使學生達到物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)各工作崗位的能力要求。

然而，現(xiàn)有的實踐教學平臺仍存在很多的不足之處，例如，設(shè)備軟硬件資源有限，學生實驗分組的合理性與龐大教學體系的復雜性之間存在矛盾，雖然通過團隊合作可以完成一些簡單的實驗任務(wù)，但對于一些難度較大的綜合性實踐項目，由于學生理論知識的新鮮性和動手操作的不熟練性，往往會在實驗環(huán)節(jié)出現(xiàn)連線錯誤、設(shè)備燒損、代碼報錯等問題，從而影響了實踐教學的效率。

綜上，在實踐教學體系的整體框架下，設(shè)計了基于校企合作的物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺，平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示。該平臺包含三個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、智能控制模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊利用各類傳感器（聲、光、電、溫度、濕度、壓力、煙霧等）對外接輸入節(jié)點的信號進行采集，外接節(jié)點的輸入量可以是數(shù)字量，也可以是模擬量。在數(shù)據(jù)處理模塊中，由客戶端上位機控制的協(xié)調(diào)器通過位于網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)關(guān)節(jié)點對所有采集到的信號進行收集和匯聚，再將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行分析處理（通信過程中所用到的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)為ZigBee技術(shù)）。智能控制層對經(jīng)過采集、處理、分析的信號進行輸出，再針對輸出的數(shù)字量或模擬量大小對協(xié)調(diào)器進行反饋，從而控制整個物聯(lián)網(wǎng)實訓平臺的工作。

該實驗平臺以物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)為核心，利用模擬和物理兩種傳感設(shè)備，通過無中心、自組織的方式進行拓撲組網(wǎng)。實驗平臺由具有不同功能的嵌入式開發(fā)板、擴展板、傳感器、通信模塊組成。操作者可以依據(jù)實驗內(nèi)容和要求的不同自由搭配組合不同的實驗模塊，甚至是在同一個實驗中，也可以更換通信模塊進行對比驗證。功能面板具有不同的功能區(qū)，如設(shè)備類型選擇區(qū)、供電區(qū)等，這些功能區(qū)可以提高操作者的實驗效率（連線、跳線、驅(qū)動等），方便操作者觀察實驗數(shù)據(jù)的走勢。物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺示意圖如圖6所示。

3? 實踐教學質(zhì)量評價

驗證新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系的方式有很多，除了將學生的實驗報告、實踐測評、項目參與度和比賽獲獎等作為測評標準之外，還要在每一學年的不同學期對學生進行線上問卷，問卷的幾個主要問題如“你的職業(yè)發(fā)展目標是什么？”“你的專業(yè)技術(shù)實踐能力如何？”“你最感興趣的學科課程有哪些？”等。不同年級以及同一年級不同班級學生的問卷結(jié)果差異都會側(cè)面映射出實踐教學體系的成效。因為只有學生能夠做到明確自己的目標，知道實現(xiàn)目標的基本途徑，以及評估自己實現(xiàn)目標的可能性，才會使其大學生活變得意義非凡。

4? 結(jié)? 論

物聯(lián)網(wǎng)是新工科專業(yè)課程體系中的重要一員，其發(fā)展模式也應該遵循新工科倡導的基本思想（即“創(chuàng)新”“融合”“共享”）。為響應國家新工科建設(shè)及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的號召，提出了面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學體系。該體系不僅涵蓋物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的多學科技術(shù)，體現(xiàn)出交叉融合與聯(lián)動應用的特點，還注重對學生自主意識、實踐技能和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，并以新型實踐能力檔案進行表征。通過校企合作綜合實訓平臺對多元化的實驗資源進行優(yōu)化整合，通過項目實踐實現(xiàn)了學生的個性化發(fā)展，同時還提高了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐教學質(zhì)量，推動了實踐教學的發(fā)展。

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作者簡介：曹園青（1985—），男，漢族，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，講師，碩士研究生，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)、信息安全、云計算。

收稿日期：2022-12-01

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學院科學技術(shù)研究項目（NJZY22247）；內(nèi)蒙古自治區(qū)哲學社會科學專項項目（ZSZX21090）；河套學院教學研究與改革項目（HTXYJY2102）；河套學院新冠肺炎重點研發(fā)項目（HYZX202089）