摘 要：針對“101計(jì)劃”實(shí)施以來物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀與不足，提出對本專業(yè)人才進(jìn)行“全棧式”培養(yǎng)探索，即在人才培養(yǎng)方案的指導(dǎo)下，聚焦核心課程，并精心打造多門課程知識迭代、多種開發(fā)板訓(xùn)練迭代，逐步提升學(xué)生的實(shí)踐能力，并以實(shí)驗(yàn)仿真、案例實(shí)踐和項(xiàng)目綜合應(yīng)用為核心，與合作企業(yè)持續(xù)探索新的教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目，以增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用已有知識解決實(shí)際問題的思維模式和創(chuàng)新能力；主要策略是以人才培養(yǎng)方案為指導(dǎo)，形成多核心課程聯(lián)動(dòng)，配合課程實(shí)訓(xùn)，與合作企業(yè)一起多角度、多層次、多系列地培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)人才。為驗(yàn)證該培養(yǎng)方案的有效性，對2020—2023年間3門專業(yè)課程的平時(shí)成績與綜合成績等數(shù)據(jù)進(jìn)行了單因素、雙因素方差分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LM算法比較分析，結(jié)果顯示，這種培養(yǎng)方案有利于學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：“101計(jì)劃”；教學(xué)改革；對比教學(xué)法；迭代教學(xué)法；LM算法；創(chuàng)新能力

中圖分類號：TP39；G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.034

0 引 言

2021年以來，隨著國家教育部啟動(dòng)的“101計(jì)劃”不斷推進(jìn)，大學(xué)新一輪教學(xué)改革也逐漸走入人們的視野[1]，計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)從過去強(qiáng)調(diào)“程序性開發(fā)”能力轉(zhuǎn)向更重要的“系統(tǒng)性思維”與“系統(tǒng)性設(shè)計(jì)”能力[2]，通過建設(shè)一流核心課程、核心教材、核心師資和核心實(shí)踐項(xiàng)目等，用課程改革的小風(fēng)口帶動(dòng)人才培養(yǎng)模式的大變革[3]。然而現(xiàn)實(shí)中，大多專業(yè)課程的授課存在以下問題[4-5]：

（1）存在教學(xué)與科研時(shí)間分配不均的問題，表現(xiàn)為重科研、輕教學(xué)，導(dǎo)致授課任務(wù)化、形式化；

（2）專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容更新快，陳述抽象，缺少專業(yè)教師指導(dǎo)，學(xué)生難以深入理解；

（3）課程實(shí)踐難度較大，導(dǎo)致學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)缺乏動(dòng)力；

（4）由于課時(shí)限制，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)嚴(yán)重不足，導(dǎo)致實(shí)踐環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失。

針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)存在的問題，本團(tuán)隊(duì)在原“雙輪閉環(huán)”教學(xué)體系[6]下，提出“全棧式”人才培養(yǎng)方案，即：以重新修訂的本專業(yè)人才培養(yǎng)方案為指導(dǎo)，以專業(yè)基礎(chǔ)課程為輔助，專注專業(yè)核心課程的引導(dǎo)，以精心打造的與專業(yè)相關(guān)聯(lián)的多課程知識迭代、多開發(fā)板訓(xùn)練迭代為特色，逐步提升學(xué)生實(shí)踐能力，與合作企業(yè)不斷探索新穎的教學(xué)方案與實(shí)踐項(xiàng)目，多系列培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的思維模式。

這種方式與當(dāng)前中小企業(yè)開展“專精特新”[7-8]研究相似，通過借鑒這一新的理念[9]，進(jìn)一步激發(fā)計(jì)算機(jī)類課程的建設(shè)活力和發(fā)展動(dòng)力，推動(dòng)高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)的教學(xué)改革計(jì)劃—“101計(jì)劃”，探索物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)改革的實(shí)踐路徑，著力推動(dòng)本專業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

“101計(jì)劃”旨在通過教材、教案和課堂三方面的工作，解決“教什么”和“怎么教”這兩個(gè)問題，促進(jìn)教學(xué)的改進(jìn)與創(chuàng)新，這方面國內(nèi)教育工作者針對計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)問題也在不斷探索，最早從綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)入手[10]，著重學(xué)科的課堂觀察[11]與課程仿真實(shí)驗(yàn)[12]，特別是“101計(jì)劃”實(shí)施以來，更注重對課堂觀察、提升課堂質(zhì)量[13]與混合式教學(xué)模式的探索[14-15]。

1 “全棧式”培養(yǎng)設(shè)計(jì)理念及實(shí)施

何為“全棧式”人才，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才而言，不僅要求其掌握各種開發(fā)板EDA設(shè)計(jì)，而且要掌握傳感器集成系統(tǒng)開發(fā)技能，即要?jiǎng)偃紊衔粰C(jī)與下位機(jī)的開發(fā)，也要利用多種技能獨(dú)立開發(fā)功能完善的處理系統(tǒng)。

1.1 修訂專業(yè)人才培養(yǎng)方案，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)“雙輪閉環(huán)”教學(xué)體系

為了打通與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與電子信息工程專業(yè)的壁壘，特將相同或相近專業(yè)課程采用相同課程編號，便于學(xué)生選課與專業(yè)混合教學(xué)。同時(shí)針對社會(huì)需求變化，在原有人才培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，新增了EDA電路設(shè)計(jì)、FPGA技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)與人工智能等課程的協(xié)同訓(xùn)練，突出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特色課程與“雙輪閉環(huán)”教學(xué)體系，如圖1所示。以EDA技術(shù)、電路分析、模擬電路、數(shù)字電路為基礎(chǔ)，硬件方面首先從Gduino開發(fā)板開始學(xué)習(xí)傳感器，再由單片機(jī)C51→STM32→S5P6818→FPGA→小熊派Hi3861逐次學(xué)習(xí)各類傳感器驅(qū)動(dòng)編程，形成硬件學(xué)習(xí)系列閉環(huán)；軟件方面，首先從KRobot軟件編程開始，再按照Linux→Keil→STM32cubemx→Qt→Quartus→VSCode+DevEco"Studio的順序，掌握配套的軟件開發(fā)環(huán)境。在實(shí)施過程中，不斷迭代相應(yīng)課件與實(shí)驗(yàn)代碼，完善“全棧式”教學(xué)體系模式。

1.2 引入對比教學(xué)法與迭代教學(xué)法，不斷迭代教學(xué)課件，豐富實(shí)驗(yàn)系列

為了更好地實(shí)現(xiàn)“雙輪閉環(huán)”教學(xué)體系，在教學(xué)過程中，將講授的各課程串聯(lián)起來，如Linux系統(tǒng)管理-信息論基礎(chǔ)-信號與系統(tǒng)-通信原理-傳感器原理-無線傳感網(wǎng)絡(luò)-嵌入式系統(tǒng)，制訂授課模塊與實(shí)驗(yàn)案例，隨著教學(xué)內(nèi)容的深入，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不斷加深，而且會(huì)在講授基礎(chǔ)上不斷對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行迭代優(yōu)化，如圖2所示。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析過程中，利用KK錄像機(jī)進(jìn)行全過程錄相，方便學(xué)生課后對不理解的知識點(diǎn)重新學(xué)習(xí)，現(xiàn)錄制的視頻不少于200個(gè)。

1.3 校企多維度合作，與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)共同成長

“全棧式”人才的培養(yǎng)，離不開企業(yè)的一系列支持與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)。大一新生根據(jù)自己的興趣，選擇加入對應(yīng)的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，一般組織高年級同學(xué)作為組長，專門負(fù)責(zé)基礎(chǔ)知識培訓(xùn)，現(xiàn)在這類團(tuán)隊(duì)有6個(gè)，最高峰時(shí)超10個(gè)。另外，在培養(yǎng)方案中新增創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐學(xué)分1分，要求取得學(xué)院規(guī)定的成果才能畢業(yè)，進(jìn)一步督促學(xué)生積極融入創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，通過自己的努力取得相應(yīng)成果。

與知名企業(yè)合作。在人才培養(yǎng)方面取長補(bǔ)短，企業(yè)結(jié)合自身專長負(fù)責(zé)對應(yīng)課程的規(guī)劃，完成對應(yīng)課程的設(shè)計(jì)內(nèi)容，豐富學(xué)生實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前主要合作企業(yè)有3家。

除進(jìn)行校企合作外，安排相應(yīng)教師參加企業(yè)組織的師資培訓(xùn)也很重要，能讓授課教師了解企業(yè)項(xiàng)目的開發(fā)流程、提升項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，豐富課堂內(nèi)容、拓展教學(xué)層次，配合企業(yè)開展課程設(shè)計(jì)，與學(xué)生共同成長。

2 主要導(dǎo)向策略

2.1 教學(xué)改革思維

為了培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的大工程觀思維，首先需要解決各課程內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的協(xié)同問題。在人才培養(yǎng)方案中，列出其相應(yīng)協(xié)同關(guān)系，如圖3所示。

在教學(xué)過程中，根據(jù)難易程度對課程與實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行劃分，并注重對學(xué)生的引導(dǎo)，首先介紹簡單的Linux指令，如何使用簡單的C語言完成Linux環(huán)境下的編程、交叉編譯與運(yùn)行；之后介紹Gduino開發(fā)板，利用圖形方式編程，將執(zhí)行程序下載到開發(fā)板中驗(yàn)證，讓學(xué)生初步認(rèn)識傳感器，了解傳感器驅(qū)動(dòng)代碼的編寫；然后在后期課程中逐步加深實(shí)驗(yàn)難度，最終編寫一個(gè)相對完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)知識的靈活應(yīng)用。

教師之間的交流很重要，教師可利用每兩周一次的系會(huì)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，探討課程方案、教學(xué)心得、科研成果及與企業(yè)信息交流等。

2.2 創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與教學(xué)團(tuán)隊(duì)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)一般相對穩(wěn)定，主要以系為單位，兼有部分其他系成員，而且成員教學(xué)課程相對穩(wěn)定，教學(xué)時(shí)間相應(yīng)固定，但創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，特別是學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)受畢業(yè)影響流動(dòng)較大，一般一年級學(xué)生只能簡單參與，二年級學(xué)生能簡單動(dòng)手，三年級學(xué)生剛能較好地完成項(xiàng)目，但就業(yè)與考研壓力大，對項(xiàng)目失去興趣，四年級學(xué)生忙于就業(yè)實(shí)習(xí)與畢業(yè)論文，無心參與。因此當(dāng)前環(huán)境下，學(xué)生團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定性較差，感興趣的項(xiàng)目難持久，一般通過成果獎(jiǎng)勵(lì)穩(wěn)定學(xué)生團(tuán)隊(duì)。

主要措施如下：

（1）設(shè)立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分，讓學(xué)生了解獲得該學(xué)分的途徑與方法，督促學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)；

（2）提前講解知識，盡力讓學(xué)生在二年級與三年級時(shí)出成果；

（3）激勵(lì)優(yōu)秀成員參與保研，及時(shí)督促參賽等，引導(dǎo)成員將成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為發(fā)明專利和論文，獲得保研加分項(xiàng)；

（4）將創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)劃歸相應(yīng)教師名下，由相應(yīng)教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)、訓(xùn)練與參賽等。

當(dāng)前學(xué)生團(tuán)隊(duì)有飛控團(tuán)隊(duì)、智能小車團(tuán)隊(duì)、生豬智慧養(yǎng)殖數(shù)字孿生團(tuán)隊(duì)、物聯(lián)網(wǎng)比賽技能賽團(tuán)隊(duì)、視頻深度學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)、電子設(shè)計(jì)大賽等，通過“老帶新”等方法，提升學(xué)生參與創(chuàng)新的興趣。

3 人才培養(yǎng)效果分析

經(jīng)過近兩年的持續(xù)教學(xué)探索，積累了部分心得體會(huì)，特選擇“信號與系統(tǒng)”“通信原理”“嵌入式系統(tǒng)”三門課程，對2020—2023年的平時(shí)成績與綜合成績，利用MATLAB 2021b中的方差分析法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行分析，其中平時(shí)成績包括點(diǎn)名、提問、實(shí)驗(yàn)與作業(yè)，綜合成績按平時(shí)成績30%、機(jī)試成績35%、筆試成績35%進(jìn)行計(jì)算，其參與人數(shù)與統(tǒng)計(jì)量比較見表1、表2。

表2中，H=0表示有顯著性差異，H=1表示無顯著性差異，對應(yīng)各年份數(shù)據(jù)箱線圖如圖4所示，說明2022—2023年無顯著性差異，其他年份均有變化，證明在“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)中有較好的效果。

實(shí)驗(yàn)1：“信號與系統(tǒng)”課程成績均方差成績分析

假設(shè)H0：μ1=μ2，即兩組學(xué)生成績改變沒有顯著性差異，依照假設(shè)檢驗(yàn)步驟，評斷兩組樣本平均數(shù)之間的差異程度，其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為：

實(shí)驗(yàn)2：“通信原理”課程成績雙因素方差分析

對“通信原理”課程平時(shí)成績與期末綜合成績進(jìn)行比較，成績比較規(guī)則及統(tǒng)計(jì)假設(shè)與實(shí)驗(yàn)1相同，由于2023年“通信系統(tǒng)”課程安排在下半年，故只有3組考試數(shù)據(jù)，其參與人數(shù)與統(tǒng)計(jì)量比較見表3、表4。

采用雙因素方差分析函數(shù)anova2（）對不同年級、不同成績進(jìn)行分析，先進(jìn)行平時(shí)分?jǐn)?shù)方差分析，再進(jìn)行綜合成績比較，發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值gt;顯著性差異P值，進(jìn)一步印證了教學(xué)改革的效果，其對應(yīng)箱線圖如圖5所示?！巴ㄐ旁怼闭n程平時(shí)成績與綜合成績二因素方差分析圖如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)3：“嵌入式系統(tǒng)”課程成績神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

最后一門重要課程—“嵌入式系統(tǒng)”的參與人數(shù)與統(tǒng)計(jì)量比較見表5、表6，為進(jìn)一步直觀展示改革效果，采用雙因素方差分析函數(shù)anova2（）對不同年級的平時(shí)成績與綜合成績進(jìn)行分析，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值gt;顯著性差異P值，說明教學(xué)改革前、后學(xué)生成績有顯著性差異；為了進(jìn)一步印證這種情況，特引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LM算法進(jìn)行三維圖形展示，平時(shí)成績歸一化分布為橫軸、綜合成績歸一化分布為縱軸。通過圖7可知，平時(shí)成績優(yōu)秀的學(xué)生，其綜合成績也優(yōu)秀，而且三個(gè)年級優(yōu)秀生的分布較均勻，但成績較差學(xué)生分布較亂、較孤立。

其中，H=0表示有顯示性差異，H=1表示無顯示性差異?！扒度胧较到y(tǒng)”平時(shí)成績與綜合成績二因素方差分析圖如圖8所示。

除課件、視頻外，2022年學(xué)生發(fā)表SCI論文1篇、獲得發(fā)明專利1個(gè)、軟件著作權(quán)1個(gè)、參賽獲獎(jiǎng)3項(xiàng)，2023年學(xué)生投稿EI會(huì)議論文1篇，獲得發(fā)明專利1個(gè)、軟件著作權(quán)

1個(gè)，截至目前，參賽獲獎(jiǎng)11項(xiàng)，且在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中首次斬獲國家二等獎(jiǎng)。

4 結(jié) 語

自“101計(jì)劃”實(shí)施以來，計(jì)算機(jī)類的大學(xué)教育開啟了改革時(shí)代，本文以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為研究對象，在“雙輪閉環(huán)”教學(xué)模式指導(dǎo)下，與相應(yīng)合作企業(yè)開展了本專業(yè)“全棧式”人才培養(yǎng)，并以3門主干課程的教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素、雙因素方差分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LM算法三維圖形比較，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值大于顯著性差異P值，證明本次提出的教學(xué)改革方案對人才培養(yǎng)具有較顯著的效果。

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作者簡介：劉 波（1969—），男，湖南常德人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高級會(huì)員（46750S），

研究方向?yàn)楦叩冉逃?、?shù)據(jù)庫技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

張歷卓（1974—），男，湖南長沙人，博士，講師，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芴幚?、高等教育?/p>

朱幸輝（1971—），男，湖南婁底人，博士，教授，研究方向?yàn)楦叩冉逃⑽锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

沈 岳（1965—），男，湖南長沙人，教授，研究方向?yàn)楦叩冉逃?、農(nóng)業(yè)信息化。

收稿日期：2024-04-24 修回日期：2024-05-28

基金項(xiàng)目：教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（2200605211290303）；2023年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（HNJG-20230419）；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（s202310537004）；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（s202310537090）