逄德明 羅玉川 陳穎文 胡罡

［摘 要］ 以培養(yǎng)學員的創(chuàng)新意識與工程能力為導向，通過分析物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特點，探索物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才實踐能力的培養(yǎng)方法，設計了涵蓋物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)的五類實踐教學體系。以國防科技大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設為例，在所構(gòu)建的體系框架下面向畢業(yè)要求能力達成，有效組織與實施了實踐教學活動，基于專業(yè)能力與課程內(nèi)容之間的對應關(guān)系，設計了五類實踐教學相關(guān)內(nèi)容，形成了以核心課程實驗、綜合課程設計、專業(yè)實習、課外創(chuàng)新實踐和畢業(yè)設計為一體的循序漸進式實踐教學體系。

［關(guān)鍵詞］ 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)；實踐教學體系；能力導向

［基金項目］ 2018年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應用性與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)研究與實踐”；2019年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“大數(shù)據(jù)背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)改革實踐”；2020年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“‘科教融合、訓賽一體、平臺支撐的認知域安全人才創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)”（HNJG-2020-0008）

［作者簡介］ 逄德明（1984—），男，內(nèi)蒙古興安盟人，博士，國防科技大學計算機學院副教授，主要從事智能物聯(lián)網(wǎng)與時序數(shù)據(jù)挖掘研究；羅玉川（1990—），男，四川廣安人，博士，國防科技大學計算機學院講師，主要從事云數(shù)據(jù)安全和隱私計算研究；陳穎文（1979—），男，湖南株洲人，博士，國防科技大學計算機學院教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）16-0005-04［收稿日期］ 2021-09-27

一、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)概述

自2010年物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)被批準開設以來，我國共計五百余所本科院校開設了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，成為近十年院校新增數(shù)量最多的專業(yè)［1］。教育部高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)教學指導分委員會已于2012年頒布了《高等學校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范（試行）》和《高等學校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系與規(guī)范（試行）》［2-3］，以指導高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的辦學定位和專業(yè)建設，在此基礎上國內(nèi)高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設逐步得到完善，但如何開展物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學設計與實施從而提高學員的物聯(lián)網(wǎng)實踐創(chuàng)新能力，仍是教育工作者面臨的較大挑戰(zhàn)。因此，加強物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設、實踐教學改革、物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)及其典型應用研發(fā)已成為相關(guān)高校和企業(yè)關(guān)注的新方向［4］。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)具有跨學科、技術(shù)廣、綜合性強等特點，多學科知識交叉融合，涉及通信、計算機、網(wǎng)絡、嵌入式系統(tǒng)、自動控制等領(lǐng)域，致力于培養(yǎng)學員綜合實踐、應用創(chuàng)新等方面的能力，以滿足當前社會信息化及智能化環(huán)境下對人才的多樣化需求。其中，物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡層及應用層。我校自開設物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以來，經(jīng)過幾年的專業(yè)教學實踐探索，圍繞物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐能力指標點，針對教學過程中存在的問題，從培養(yǎng)學員創(chuàng)新意識、工程意識、工程能力出發(fā)，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系進行了設計和完善，構(gòu)建了“三層五類”的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系。

二、實踐教學體系設計

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應以應用為驅(qū)動，明確人才培養(yǎng)目標，培養(yǎng)目標主要涉及兩個方面：一是要明確培養(yǎng)什么樣的人，即清楚企業(yè)需要什么樣的專業(yè)人才；二是要明確這類人才的質(zhì)量標準，即學員畢業(yè)時需要達到怎樣的基本要求。以新時代人才需求的變化為依據(jù)，通過走訪用人單位、調(diào)研企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，研究物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)畢業(yè)生工作崗位與專業(yè)實踐能力的對應關(guān)系，以及專業(yè)實踐能力與課程知識體系的對應關(guān)系等，最終按照工程教育認證通用標準，形成了包含專業(yè)實踐能力在內(nèi)的33項能力指標點的畢業(yè)要求。

為支撐各個實踐能力指標點，需要合理設計物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課內(nèi)實驗與課外實踐項目，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)方向?qū)嵺`教學的三個轉(zhuǎn)換，即從單一結(jié)構(gòu)型向復合結(jié)構(gòu)型轉(zhuǎn)換，從以課堂教學為主向課堂教學與實踐教學并重轉(zhuǎn)換，從知識傳授型教學向能力培養(yǎng)型教學轉(zhuǎn)換。

在具體進行實踐環(huán)節(jié)的教學設計時，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系中的三層結(jié)構(gòu)設計實踐教學，以配合加強學員對于感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理與應用層理論和技術(shù)的認識、理解和應用。以物聯(lián)網(wǎng)實踐教學體系的設計原則為指導，圍繞專業(yè)能力培養(yǎng)和專業(yè)規(guī)范，建設五類實踐教學體系，包括核心課程實驗、綜合課程設計、專業(yè)實習、畢業(yè)設計和學科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽。

在實踐教學的具體實施過程中，以工程化項目作為載體，采取項目驅(qū)動式及實施方案反推原則進行構(gòu)建，即按照校外實踐基地建設—實踐教學師資建設—校內(nèi)實踐環(huán)境建設—實踐教學模式建設四個階段實施物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系建設。

（一）核心課程實驗實踐教學建設

專業(yè)課程設置的課內(nèi)實驗以驗證性實驗為主，側(cè)重于訓練學員的基本學科能力。通過整合計算機、電子信息和通信等專業(yè)課程，梳理出國防科技大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系，其主要課程設置如表1所示。

針對專業(yè)核心課程的教學內(nèi)容，循序漸進地按照基本認知、基本技術(shù)和綜合實踐三層開展實驗教學。以“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎”課程為例，同步開展課程實驗與課程教學。針對物聯(lián)網(wǎng)基本系統(tǒng)組成相關(guān)知識，設計傳感器技術(shù)實驗、RFID技術(shù)實驗和二維碼技術(shù)實驗，使學員對課程面向的技術(shù)對象有實感上的認知，了解傳感器的工作原理、傳感器節(jié)點的功能及傳感器的組成和分類，并能夠通過編程實現(xiàn)傳感器信息采集功能。在此基礎上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)典型應用案例，設計三點定位實驗、Hadoop實驗及MapReduce實驗，鞏固學員的課程學習成果，進一步鍛煉學員綜合運用理論和技術(shù)解決實際問題的能力。

實踐教學過程突出“三實”，即選取實際案例、使用實際設備、基于實際數(shù)據(jù)開展實踐教學。在實踐教學課程中，設計貼近實際應用的內(nèi)容和項目，如在“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”課程中，設計人員身體狀態(tài)檢測系統(tǒng)、無人車自動駕駛等在真實應用下可能出現(xiàn)的場景；在“工業(yè)控制網(wǎng)絡”課程實驗中，使用CAN總線嵌入式平臺開發(fā)CAN總線通信系統(tǒng)；在“物聯(lián)網(wǎng)安全課程設計”中，使用真實的車載控制數(shù)據(jù)集中完成入侵檢測的設計與實現(xiàn)。

（二）綜合課程設計實踐教學建設

以應用為牽引設計綜合性實驗，初步訓練學員解決問題的能力，并設置難度依次遞進的若干實驗。綜合課程設計應更強調(diào)綜合性和設計性，因此，在設計實踐項目時強調(diào)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的三層模型，并在此基礎上建立物聯(lián)網(wǎng)應用。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設的綜合課程設計包括“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”“物聯(lián)網(wǎng)安全綜合實踐”和“物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)與系統(tǒng)集成”。

以“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”課程為例，該課程是團隊項目，主要面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大學四年級學員開設，涉及計算機網(wǎng)絡技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等各方面內(nèi)容。要求學員能夠運用“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎”“物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)與系統(tǒng)集成”等課程所學的知識，設計并實現(xiàn)具有一定功能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并完成報告的撰寫，模擬真實物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)各個關(guān)鍵部件的設計與實現(xiàn)過程。

“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”課程設計的第一個項目是智能花盆，要求學員運用課堂所學知識，自己動手制作一個能夠自動降溫、灌溉、調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境的花盆；第二個項目要求學員基于藍牙模塊，設計一個室內(nèi)定位系統(tǒng)；第三個項目要求學員通過編寫程序，實現(xiàn)智能小車的自動駕駛，并在賽道上通過比賽結(jié)果評定成績；最后一個項目即要求學員設計心率分析系統(tǒng)，通過測量人的心率，利用可視化的方式展現(xiàn)人體健康狀況。

通過上述實踐項目的開展，有利于學員掌握多傳感器應用，能夠通過編程獲取傳感器數(shù)據(jù)；掌握傳感器對環(huán)境的感知，并根據(jù)感知信息進行系統(tǒng)反饋；掌握提升室內(nèi)定位精度的經(jīng)典方法；能夠設計軟硬件系統(tǒng)，實踐完整的開發(fā)流程，并且能夠覆蓋物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)標準33項能力指標點中的12項實踐能力目標指標點。

（三）建設院校與用人單位協(xié)同育人體系，聚焦崗位與專業(yè)能力的緊耦合

通過建立實踐基地，能夠使院校更準確地了解用人單位需求，據(jù)此更新培養(yǎng)方案。在培養(yǎng)過程中實行單位與院校的雙導師制，充分利用社會資源為學校服務，充實和完善校內(nèi)實踐教學的各個環(huán)節(jié)。通過基地實習環(huán)節(jié)，有利于形成實習案例和實習規(guī)范，有序銜接課程實驗、綜合課程設計與畢業(yè)設計等校內(nèi)實踐課程學習，拓展學員的綜合能力和綜合素質(zhì)。

校內(nèi)實踐項目與校外基地建設聚焦學員的實踐動手能力與綜合應用能力的提升。院校要梳理實踐能力生成模型，以此為綱，打造高水平師資隊伍，優(yōu)化實踐教學環(huán)境，加強實踐基地建設，最終落實于學員物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)能力培養(yǎng)這一靶心，促使學員的專業(yè)能力在新的維度錨定，在實踐全過程中得到錘煉。

（四）畢業(yè)設計

畢業(yè)設計是體現(xiàn)本科生各方面能力的總結(jié)性獨立作業(yè)，具體形式是要求學員針對某一課題，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)有關(guān)課程的理論和技術(shù)，做出能夠解決實際問題的或具有創(chuàng)新意義的設計。畢業(yè)設計是物聯(lián)網(wǎng)工程實踐教學體系的最后一個環(huán)節(jié)，既可以在學校完成，也可以在與用人單位共建的實踐基地完成。通過畢業(yè)設計的實施，學員可以對某一課題開展深入系統(tǒng)的研究，從而鞏固、擴大、加深已有知識，培養(yǎng)綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的畢業(yè)設計課題涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)中的感知、傳輸與應用二十余項。其中一些有代表性的畢業(yè)設計課題，如“電梯疲勞度智能感知與分析系統(tǒng)”的主要內(nèi)容是設計與實現(xiàn)電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊，通過電梯運行狀態(tài)參數(shù)的采集與智能分析，實現(xiàn)對電梯疲勞度的判定，輔助電梯系統(tǒng)的維護保養(yǎng)。通過參與課題研究，可以提高學員對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集與分析處理能力。另一項課題“云眾包系統(tǒng)的信譽建模技術(shù)研究”的主要任務是讓學員通過獨立調(diào)研，了解基于云平臺的眾包系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建眾包用戶的信譽評價模型，最后通過仿真實驗驗證信譽評價模型的合理性。通過該課題的研究，可以讓學員對云計算的概念及其優(yōu)勢有更深入的理解，學會基于云平臺進行數(shù)據(jù)的收集與加工。“無線認知網(wǎng)絡接入技術(shù)設計與實現(xiàn)”課題的主要內(nèi)容是在USRP開發(fā)平臺實現(xiàn)無線認知網(wǎng)絡的主要功能，包括頻譜的感知與接入。要求學員能夠具體完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點對無線信號的能量感知，獲取無線信道狀態(tài)信息后分析判斷信道狀態(tài)，最終能夠選擇合適的多個信道實現(xiàn)信息的傳輸，并測試分析動態(tài)頻譜接入模式下的網(wǎng)絡性能與服務質(zhì)量。該項目主要訓練和考核學員對物聯(lián)網(wǎng)中信息傳輸層的設計與開發(fā)能力。

（五）以學科競賽為牽引，提高學員創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)

課外創(chuàng)新實踐活動旨在訓練學員的高層次專業(yè)能力，因此，要將最新的科學研究成果及時地融入教學實踐中，有意識地培養(yǎng)學員的創(chuàng)新思維，激發(fā)學員獨立思考、勇于探索的精神，構(gòu)建創(chuàng)新型教學平臺。

國防科技大學充分利用網(wǎng)絡安全重點實驗室積累的一系列國際先進科研成果，面向?qū)W員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，開發(fā)了豐富的教學資源，并探索了與之相配套的教學方法，取得了顯著成效。其中NetMagic是國防科技大學重點實驗室面向下一代互聯(lián)網(wǎng)絡創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)而研究開發(fā)的網(wǎng)絡實驗平臺，該平臺具有硬件可重構(gòu)性和軟件控制可編程性的特點，而且其內(nèi)部具有計算存儲模塊以及豐富的功能擴展接口，有助于打破傳統(tǒng)商業(yè)網(wǎng)絡設備的封閉性束縛，顯著縮短網(wǎng)絡技術(shù)科研創(chuàng)新周期，有效減輕學員的系統(tǒng)設計和驗證工作，幫助學員擺脫單純的驗證式實驗方式，避免無法觸及和改變網(wǎng)絡內(nèi)部工作機制的缺憾，為新型傳輸機制和網(wǎng)絡協(xié)議的研究提供有效的驗證手段。

基于NetMagic平臺設置物聯(lián)網(wǎng)綜合性實驗環(huán)節(jié)，以現(xiàn)實應用為驅(qū)動，助力學員設計開發(fā)學科競賽作品，以更有效地激發(fā)學員的創(chuàng)新能力，感受物聯(lián)網(wǎng)設計與改造的成就感。結(jié)合網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最新研究熱點、最前沿研究課題和學員畢業(yè)課題內(nèi)容，將最具有代表性的教學案例應用到課程實驗中。其中典型教學案例包括：路由器原型、基于規(guī)則的數(shù)據(jù)流鏡像和阻斷工具、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集和Trace生成工具等。此外，為進一步增強學員參與課外創(chuàng)新的積極性，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案中設置課外創(chuàng)新實踐活動的最低學分要求。創(chuàng)新實踐活動形式可以多種多樣，如參加創(chuàng)新實踐競賽、申報項目、發(fā)表學術(shù)論文、申請專利等，多舉措鼓勵學員參加科技創(chuàng)新活動，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

結(jié)語

本文以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)規(guī)范和知識要求、專業(yè)能力要求、專業(yè)素質(zhì)要求為主要設計依據(jù)，構(gòu)建了支撐畢業(yè)要求能力的“三層五類”物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系。同時以國防科技大學物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設為例，堅持以能力為導向的人才培養(yǎng)模式，組織與實施了“三層五類”實踐教學體系，將不同能力要求貫穿教學的各個環(huán)節(jié)，形成了以核心課程實驗、綜合課程設計、專業(yè)實習、課外創(chuàng)新實踐和畢業(yè)設計為一體的循序漸進式實踐教學體系，以期為國內(nèi)外同類高校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的實驗實踐教學提供參考與借鑒。

參考文獻

［1］陳穎文，鐘萍，逄德明.以能力為導向淺談物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)［J］.計算機工程與科學，2018，40（S1）：124-127.

［2］教育部高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)教學指導分委員會.高等學校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范（試行）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012：1-136.

［3］教育部高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)教學指導分委員會.高等學校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系與規(guī)范（試行）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012：1-100.

［4］桂小林，王東，黃傳河，等.基于新工科理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設［J］.中國大學教學，2018（7）：25-30.

Abstract： By analyzing the characteristics of Internet of Things （IoT） engineering majors， the practical ability training mode for this major is developed to level up their spirit of innovation and engineering capability. The proposed teaching system includes five parts which covers three tier architecture. The IoT major construction of NUDT is taken as an example to illustrate the organization and implementation of practical teaching which is oriented to fulfill graduation requirements. Based on the relationship between the required capability and contents of each course， the main content for five kinds of practical teaching is proposed， including in-class experiment， course project， professional training course， out-class innovative activity and graduation project.

Key words： internet of things engineering; practical teaching system; capability oriented