李慧敏 李強 王文軍 張麗 路錦正

摘 要：作為一門新興學科，社會對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才需求非常樂觀。文中針對當前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學體系在課程體系、實驗教學模式及開發(fā)平臺等方面的不足，介紹了以工程實踐為核心的物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室建設情況。通過對人才培養(yǎng)的目標進行定位與分類，構建軟硬件基礎實踐平臺和系統(tǒng)實踐平臺，開設以工程實踐為中心的實踐項目，建立有效的人員管理及培養(yǎng)方式，促進理論與實踐緊密結合，以滿足社會對該專業(yè)人才實踐與應用創(chuàng)新能力的需求。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);開放實驗室;開發(fā)平臺;工程實踐

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-0-04

0 引 言

作為下一個推動世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”，物聯(lián)網(wǎng)將人類生存的物理世界通過智能感知識別的方式與互聯(lián)網(wǎng)整合在一起，被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)領域的第三次科技革命[1]。2011年，為適應這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，國家設置了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，旨在培養(yǎng)具備傳感技術、通信技術及網(wǎng)絡技術等物聯(lián)網(wǎng)相關理論知識的物聯(lián)網(wǎng)高級工程人才。目前，物聯(lián)網(wǎng)工程屬于社會產(chǎn)業(yè)領域快速發(fā)展的新學科專業(yè)，無論專業(yè)學科發(fā)展，還是社會市場前景，企業(yè)人才需求都非常龐大。

1 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學現(xiàn)狀

基于社會產(chǎn)業(yè)領域的應用前景，本專業(yè)要求學生具備工程設計和運用綜合知識解決問題的能力，以適應行業(yè)對應用型人才的強烈需求。然而，作為一個新興專業(yè)，盡管各高校在專業(yè)建設方面已取得較為明顯的成績，但在課程設置、培養(yǎng)計劃等方面仍然處于起步階段，學生的實踐及應用創(chuàng)新能力難以完全貼合物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需求，存在不同程度的學校教育和企業(yè)需求相脫節(jié)問題[1-2]。究其原因，主要存在以下三點。

（1）專業(yè)知識繁多復雜，學生無法從整體上理清各學科的關系。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及多個學科領域內(nèi)容，包括電子科學與工程、通信工程、控制科學與工程及計算機科學與技術等學科，各課程內(nèi)容具有較強的交叉性和相關性，形成了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識繁雜的特點[3]。本專業(yè)學生通常因難以理清各個課程之間的關聯(lián)性而不能系統(tǒng)地將多個學科知識進行有機整合[2]。目前，實驗課是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生獲得工程實踐能力的主要方式，而實驗課通常按照課程單獨配置，知識點孤立，很難兼顧前后課程，對綜合類實驗更是很少支持。這種單一的實踐教學模式必然使得課程之間失去相應的貫通性，使學生無法整體提升知識應用能力。

（2）先理論教學后實驗驗證的教學模式不利于培養(yǎng)學生的實踐能力。

傳統(tǒng)教學模式對理論知識給予較高的重視，一般先花較多課時在課堂上講授理論知識，再集中安排少量實驗課驗證所學理論的正確性。實驗課上，學生經(jīng)常僅僅按照要求簡單地重復實驗步驟而非在充分理解實驗內(nèi)容的基礎上進行，難以理解實驗的意義，不知如何將實驗內(nèi)容應用于以后的實踐中，實際收獲不大，不利于學生分析問題及解決問題能力的發(fā)展，難以培養(yǎng)學生對學科的興趣及創(chuàng)新能力[4]。

（3）使用現(xiàn)成的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，束縛了學生的思維。

目前各高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)使用的實驗設備大多是已搭建好且集成度較高的設備。學生在這些現(xiàn)成的實驗平臺上做面向特定知識點的驗證性實驗時，很難系統(tǒng)全面地了解本專業(yè)多學科結合的特點，無從知曉在沒有現(xiàn)成開發(fā)平臺的實際工程中如何設計系統(tǒng)、調(diào)試系統(tǒng)[5]。例如，物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器技術課程的實驗涉及數(shù)據(jù)感知、獲取、傳輸、處理、應用及通信協(xié)議等多個功能模塊。很多高校都采用封裝度較高的實驗箱，每個實驗箱內(nèi)部傳感器固定且傳感網(wǎng)絡已調(diào)試完成，實驗過程中學生僅需修改調(diào)試軟件的接口觀察實驗現(xiàn)象。這種現(xiàn)成的實驗設備使學生很難掌握每個功能模塊的細節(jié)知識，與實際應用中所接觸的系統(tǒng)差異較大，阻礙了學生掌握知識的全面性，束縛了學生的思維。

針對上述問題，在教學方案設置上，應著重體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的交叉性、連貫性和系統(tǒng)性，讓學生清楚理解專業(yè)需要解決的問題，能夠自主解決問題，將知識用于實際工程實踐中，給學生更多的實踐機會[6]。除此之外，為了進一步使學生更好地將理論知識與實際應用結合起來，提高學習的積極性和自主實踐能力，本校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)鼓勵教師開放自己的實驗室，每年選拔本科學生進入實驗室與高年級學生特別是研究生一起進行學習及科研活動。開放實驗室為學生提供了自主實踐環(huán)境的軟硬件條件，營造了教師與學生之間的良性互動，取得了良好的效果。

2 物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室的建設與管理

開放實驗室的好處具有幾方面：

（1）開放實驗室有利于發(fā)揮學生的主觀能動性[1，6]。通過為學生提供課后自主學習的場所，激發(fā)其學習興趣，減少其在宿舍上網(wǎng)或打游戲的時間，有利于各年級學生的相互交流。

（2）開放實驗室有利于培養(yǎng)學生的工程實踐能力。給學生制定學習目標并讓其參與科研項目，培養(yǎng)學生獨立分析問題、查閱資料、系統(tǒng)設計、調(diào)試系統(tǒng)及文檔寫作等方面的能力[8]。

（3）開放實驗室可促進教師的科研工作。通過鼓勵本科學生較早進入實驗室參與科技活動，讓他們盡早熟悉科研過程，參與實驗室項目，同時也可促進教師的科研進展，且利于研究生導師從本科生中選拔研究生。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室人才培養(yǎng)的分類及目標定位與分類

作為一個新興的國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)技術對加快社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的推動作用[9]。全面分析社會對物聯(lián)網(wǎng)人才的需求，根據(jù)不同專業(yè)的領域、崗位類型，對物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)層次進行劃分，可對培養(yǎng)對象進行更好的目標定位，以適應社會需求。明確培養(yǎng)方向及人才培養(yǎng)類型后，需進一步優(yōu)化實踐內(nèi)容，構建物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室實踐鍛煉的人才培養(yǎng)教學體系。

物聯(lián)網(wǎng)體系結構從技術和功能角度可分為三層，即感知層、網(wǎng)絡層和應用層[9]，見表1所列?；谶@三個層次的劃分，將物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才培養(yǎng)方向分為如下三個：

（1）對應于“感知層”的傳感器與嵌入式系統(tǒng)方向，涉及的知識模塊包括傳感器節(jié)點設計技術、RFID技術、低功耗電路技術、嵌入式系統(tǒng)技術等;

（2）對應于“網(wǎng)絡層”的物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡方向，涉及的知識模塊包括有線網(wǎng)技術、無線傳感器組網(wǎng)技術、無線通信與無線網(wǎng)絡技術等;

（3）對應于“應用層”的智能終端系統(tǒng)方向，涉及的知識模塊包括智能終端軟件設計技術、數(shù)據(jù)庫設計技術、數(shù)據(jù)挖掘技術、云計算技術等。

因傳感器與嵌入式系統(tǒng)方向屬于硬件類，物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡方向和智能終端系統(tǒng)方向屬于軟件類，故又可將培養(yǎng)方向分為硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩個基礎方向。

硬件開發(fā)能力的培養(yǎng)主要包括基本硬件測試設備的使用、電子器件選型、常用傳感器及外圍電路設計、RFID標簽設計、控制電路設計、電路焊接測試等。軟件開發(fā)能力的培養(yǎng)主要包括基礎語言程序設計、數(shù)據(jù)庫開發(fā)、網(wǎng)頁制作、移動終端軟件開發(fā)、圖像處理、大數(shù)據(jù)挖掘與決策、云計算等。學生可根據(jù)自己的興趣及精力側重選取軟件或（和）硬件方向進行重點學習;指導教師也可根據(jù)各個學生的情況，為其制定不同的實踐教學培養(yǎng)方案。除軟硬件基本開發(fā)能力外，還需培養(yǎng)學生的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計開發(fā)能力，包括構建物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)環(huán)境、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計及綜合調(diào)試等方面。由以上分析可知，軟件開發(fā)能力和硬件開發(fā)能力是基礎，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計開發(fā)能力是培養(yǎng)目標。

2.2 構建軟硬件基礎實踐及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實踐兩大平臺

人才的培養(yǎng)離不開支撐平臺的建設。物聯(lián)網(wǎng)實踐教學平臺是培養(yǎng)本專業(yè)技術人才的必備實驗設備。良好的開放實驗室平臺及環(huán)境有利于學生發(fā)揮學習的潛力及積極性，有利于實踐創(chuàng)新能力的及早培養(yǎng)。學生可基于實踐平臺使理論知識與實踐開發(fā)相結合，掌握基本的軟硬件開發(fā)能力，掌握物聯(lián)網(wǎng)軟硬件環(huán)境及工具的使用，獲得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)能力。因此，物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室的實踐平臺應滿足學生軟硬件基礎能力訓練和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計開發(fā)訓練兩大需要。

首先，以本專業(yè)已有的實驗室為基礎實踐環(huán)境，根據(jù)學生個人實際情況進行專業(yè)基礎及課程設計等基本能力培養(yǎng)，構建軟硬件基礎實踐平臺。在硬件培訓方面，實驗室提供電路設計、制作、調(diào)試所需的常用設備及工具，如示波器、萬用表、信號發(fā)生器、焊臺、電烙鐵、焊錫等;提供常用的電子器件，如電阻、電容、放大器、常用傳感器、RFID芯片、ZigBee芯片、MCU芯片等。在軟件培訓方面，實驗室提供基礎語言程序開發(fā)軟件、IAR集成開發(fā)環(huán)境、嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)平臺、Android開發(fā)環(huán)境及網(wǎng)絡設備等。

其次，采用循序漸進、由淺入深的教學方法，使學生由基礎能力培訓逐漸上升到系統(tǒng)設計開發(fā)能力的培養(yǎng)，構建以工程實踐為核心的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實踐平臺。本專業(yè)通過與外部物聯(lián)網(wǎng)設備公司合作，專門定制了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)實驗箱。不同于以往實驗箱集成度較高的特點，此平臺采用模塊化結構，集驗證性、實踐性、創(chuàng)新性于一體，集成了物聯(lián)網(wǎng)全部關鍵性技術，讓學生能徹底理解從感知層到應用層的基本架構和工作流程，全方位提高學生的實踐及創(chuàng)新能力。該平臺還可采用定制化設計模式，根據(jù)不同的需求選配不同模塊組建應用系統(tǒng)，鼓勵學生進行二次開發(fā)。在傳感層提供多樣的傳感器接口，可與多種類型的傳感器配合使用，幫助學生掌握各種傳感器的應用，熟悉傳感器信息的采集分析，可進行接口電路及控制電路的設計;在網(wǎng)絡層，可選擇WiFi、藍牙、ZigBee等不同的網(wǎng)絡路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，培養(yǎng)學生掌握主流的網(wǎng)絡信息交換技術;在應用層，可根據(jù)自身需求改寫新的控制接口及應用程序，以適應系統(tǒng)需求。

構建軟硬件基礎實踐及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實踐兩大平臺，促進學生掌握多種軟硬件開發(fā)技術，并從整體上認識物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的理論及應用。采取階梯式教學方法，從基礎能力培養(yǎng)逐步上升到系統(tǒng)應用及創(chuàng)新能力培養(yǎng)，實現(xiàn)不同知識模塊的融合，有利于學生在此平臺上完成課程設計、畢業(yè)設計，并參與競賽及項目研發(fā)。

2.3 以工程實踐為核心的物聯(lián)網(wǎng)實踐項目

工程實踐能力是物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室人才培養(yǎng)的核心及目標。本文實驗室采用項目培訓方式，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析及解決物聯(lián)網(wǎng)領域相關問題的能力。將物聯(lián)網(wǎng)理論與工程實踐有機結合，把課堂上學生難以理解的學科知識在真實的項目開發(fā)過程中進行展示，使學生身臨其境最大限度地開發(fā)自己的潛能，并提升實踐應用技能，積累實際項目開發(fā)經(jīng)驗，培養(yǎng)團隊合作能力，進而提高其創(chuàng)新能力。

工程實踐項目的來源是多方面的，可來源于教師的橫/縱向項目、創(chuàng)新基金項目、校企聯(lián)合實驗室項目及學生自選課題，使他們能利用所學的軟硬件知識進行完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計及開發(fā)。同時，鼓勵學生參加一些較高質量的科技競賽，如大學生電子設計競賽、藍橋杯、全國智能設計大賽、挑戰(zhàn)杯、物聯(lián)網(wǎng)設計競賽等，促進對學生工程實踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。工程實踐項目的順利進行離不開項目經(jīng)費的支持。通過申請學校大學生創(chuàng)新基金項目、校企合作經(jīng)費及參加教師科研項目等方式，開放實驗室的學生可獲得經(jīng)費支持作為實驗室項目開發(fā)資金。根據(jù)自由組隊原則，將班級學生分成若干個小組。每個小組選擇一個課題，成員之間分工合作，小組長負責，并由高年級學生及指導教師對項目進行指導。學生可在完成任務的過程中熟悉各個專業(yè)知識點，了解企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)流程，同時也鍛煉了團隊合作能力。項目開始階段，每個小組為自己的項目制定切實可行、適宜性高的相關項目計劃。項目開始實施后，各小組從項目的應用背景分析該項目的意義，通過需求分析、硬件設計、電路板制作、硬件測試、軟件程序設計、系統(tǒng)綜合調(diào)試、成果驗收等開發(fā)過程，從無到有完成項目。在項目開發(fā)過程中，要注重文檔、代碼及電路圖的規(guī)范性，便于后面的同學進行參考及改進。同時，建立完善的考核及激勵制度。實驗室根據(jù)項目階段性成果如項目申請書、設計文檔、實物展示等對學生進行考核。要求學生對項目成果以提交專利申請、學術論文等形式進行轉化，并鼓勵學生后續(xù)對項目進行迭代開發(fā);在獎學金評定及保研方面，根據(jù)項目的成果、論文、專利及競賽獲獎級別，學生都有相應的加分值。

2.4 建立有效的人員管理及培養(yǎng)方式

開放實驗室的管理制度是人才培養(yǎng)的基礎和保障。除了制定實驗室管理實施細則、儀器及電子器件使用制度、安全操作規(guī)定和門禁管理等制度外，對人員的管理及培訓也是物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室實踐活動的關鍵。

2.4.1 建立合理的實驗室指導教師制度

指導教師是學生科技創(chuàng)新活動的領航者，通過為每個課題小組配置指導教師，可為其在學習內(nèi)容、項目選題、實驗過程、材料撰寫、學科競賽及項目答辯等方面得到有效指導，從而使整個科技活動得到高質量的專業(yè)化指導。然而，由于學校教師存在教學任務重、科研壓力大的問題，為保證有效的競賽指導及項目管理，實驗室也讓一部分高年級本科生及研究生協(xié)助教師的管理及指導工作。這種“老帶新”的方式不但減輕了教師的壓力，也鍛煉了學生的管理能力。

2.4.2 采用定期班會的方式提高學習效率

除了每學期最后幾周讓學生準備期末考試外，其余每周組織一次班會讓學生自己匯報工作進展。這種方式不但讓教師及指導師兄了解了學習、項目及競賽的進展情況，也能讓學生在相互交流比較中發(fā)現(xiàn)自己的局限性，從而提高自己的能力水平，同時也增加了學習樂趣，讓整個實驗室更有活力。

2.4.3 積極開展培訓活動

定期開展基礎能力培訓、賽前輔導，請各個專業(yè)領域的優(yōu)秀教師進行專題講座，引導學生進行理論知識及專業(yè)技能的訓練。制定寒暑假期培訓計劃，聘請合作企業(yè)的工程師到實驗室進行授課和技能培訓，進一步提高學生的工程實踐及科技創(chuàng)新能力，也讓他們在培訓中理解企業(yè)對人才的需求。本校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與中興通訊、龍芯、長虹及上海因侖等多個公司建立了聯(lián)合實驗室，開展過多次培訓并取得了良好效果，使學生的工程實踐能力得到了進一步提升。

3 結 語

提高學生的工程實踐能力，培養(yǎng)出具備傳感技術、通信技術及網(wǎng)絡技術等物聯(lián)網(wǎng)相關技術及應用能力的綜合型人才，對于高校而言是全新的探索。本文對現(xiàn)行物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在實踐教學體系中的不足進行了客觀評價，并分別從人才培養(yǎng)目標定位、實踐平臺構建、物聯(lián)網(wǎng)實踐項目及人員管理培養(yǎng)方式等幾個方面介紹了本單位物聯(lián)網(wǎng)開放實驗室的建設情況。采取階梯式，促進學生從基礎能力逐步上升到系統(tǒng)設計能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)不同知識模塊的融合，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的實際動手能力和科技創(chuàng)新能力，為物聯(lián)網(wǎng)實踐人才的培養(yǎng)提供了可借鑒思路。

參 考 文 獻

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