王超 劉麗萍 于赫洋

[摘 要] 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，針對(duì)課程和實(shí)踐內(nèi)容與本行業(yè)的最新技術(shù)存在脫節(jié)、知識(shí)講授與項(xiàng)目實(shí)踐存在脫節(jié)等問題，通過校企合作，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練營(yíng)的技術(shù)平臺(tái)和組織形式進(jìn)行了探索和實(shí)踐，提出并實(shí)踐了基于問題引導(dǎo)的“四段式”教學(xué)組織方式，提高學(xué)生工程項(xiàng)目開發(fā)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效率，實(shí)踐結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期的效果。

[關(guān)鍵詞] 校企合作;物聯(lián)網(wǎng);工程項(xiàng)目

[基金項(xiàng)目] 2019年度自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)專業(yè)教育教學(xué)改革研究課題“校企合作創(chuàng)新實(shí)踐課（營(yíng)）與平臺(tái)的建設(shè)”（2019A01）

[作者簡(jiǎn)介] 王 超（1973—），男，河北唐山人，工學(xué)博士，天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院副院長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事多相流機(jī)理與檢測(cè)技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] G640? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）07-0093-04? ? [收稿日期] 2020-12-07

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已成為世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一。針對(duì)高校教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)最新技術(shù)相脫節(jié)的問題，我們與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)華為公司在校企協(xié)同育人方面進(jìn)行了全面的合作，2018年創(chuàng)辦了物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練營(yíng)。訓(xùn)練營(yíng)在整合企業(yè)和高校的教育資源基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新教學(xué)模式，在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高解決復(fù)雜工程問題、創(chuàng)新實(shí)踐能力方面獲得了比傳統(tǒng)教學(xué)模式更好的效果。本文從存在問題與改革思路、技術(shù)平臺(tái)建設(shè)和教學(xué)組織三方面對(duì)該項(xiàng)教學(xué)改革工作進(jìn)行介紹。

一、存在問題與改革思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）應(yīng)運(yùn)而生。NB-IoT（Narrow Band-Internet of Things）作為一項(xiàng)被廣泛認(rèn)可的LPWAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，已被納入國(guó)家的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[1，2]。但是，已有的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)NB-IoT還少有涉及。同時(shí)，當(dāng)前LPWAN的開發(fā)和應(yīng)用需要使用貫穿終端、協(xié)議和云平臺(tái)的解決方案和工具，這也是已有教學(xué)內(nèi)容欠缺的。學(xué)生不掌握最新的技術(shù)、工具和開發(fā)體系，也就難以提出符合行業(yè)需求的創(chuàng)新解決方案[3，4]。

華為公司是NB-IoT國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要貢獻(xiàn)企業(yè)，其建立了完整的NB-IoT解決方案，處于該技術(shù)的領(lǐng)軍地位，因此，物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐營(yíng)與華為公司合作，將主流的協(xié)議、最新的技術(shù)和工具引入教學(xué)環(huán)節(jié)。

在引進(jìn)技術(shù)和平臺(tái)的同時(shí)，為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，也要對(duì)教學(xué)組織進(jìn)行改革。在常規(guī)的培養(yǎng)模式下，和專業(yè)、產(chǎn)業(yè)相關(guān)的項(xiàng)目式實(shí)踐活動(dòng)一般都安排大學(xué)三、四年級(jí)。雖然這一模式非常成熟，但是，由于學(xué)生在前期的知識(shí)學(xué)習(xí)過程中沒有清晰的應(yīng)用目標(biāo)，且知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐相隔時(shí)間較長(zhǎng)，知識(shí)的遺忘率很高。針對(duì)該問題，借鑒UCL（University College London）將知識(shí)學(xué)習(xí)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)集中組織的工程教育改革經(jīng)驗(yàn)[5]，在物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練營(yíng)中，將知識(shí)學(xué)習(xí)、技術(shù)集訓(xùn)和項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)行了整合，形成了基于問題引導(dǎo)的“四段式”教學(xué)組織方式。

二、技術(shù)平臺(tái)建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練營(yíng)的技術(shù)平臺(tái)引入了華為公司的整套解決方案，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。終端設(shè)備使用LiteOS開發(fā)板，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用NB-IoT，物聯(lián)網(wǎng)連接管理平臺(tái)采用華為的OceanConnect。

LiteOS是華為公司開發(fā)的一款開源輕量級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，包括任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間管理、通信機(jī)制、中斷管理、隊(duì)列管理、事件管理、定時(shí)器、異常管理等操作系統(tǒng)基礎(chǔ)組件，可有效降低開發(fā)門檻，縮短開發(fā)周期。本課程選購(gòu)了LiteOS開發(fā)板，該開發(fā)板使用STM32L431微處理器，并配有溫濕度、光強(qiáng)度、GPS、煙感和WiFi等擴(kuò)展版，可進(jìn)行很多應(yīng)用場(chǎng)景的方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

OceanConnect是華為公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)連接管理平臺(tái)，具有大數(shù)據(jù)分析與實(shí)時(shí)智能功能，可簡(jiǎn)化終端接入，加速應(yīng)用上線，已在智慧家庭、車聯(lián)網(wǎng)、智能抄表、智能停車和平安城市等很多實(shí)際項(xiàng)目中獲得成功應(yīng)用。

整個(gè)技術(shù)平臺(tái)貫穿“端—管—云”，幫助學(xué)生高效系統(tǒng)地構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)構(gòu)架，并以此為基礎(chǔ)，通過調(diào)研實(shí)際的行業(yè)應(yīng)用需求，開發(fā)項(xiàng)目應(yīng)用平臺(tái)，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)。

三、基于問題引導(dǎo)的“四段式”教學(xué)組織

課程的組織如圖2所示，包括自主學(xué)習(xí)、集中實(shí)訓(xùn)、項(xiàng)目開發(fā)和展示交流四個(gè)階段。問題啟發(fā)式（PBL，Problem-Based Learning）教學(xué)是1969年美國(guó)Howard Barrows創(chuàng)立的一種開放式教學(xué)模式，借鑒該模式，針對(duì)不同課程階段的教學(xué)目標(biāo)和支撐的畢業(yè)要求，設(shè)計(jì)了引導(dǎo)問題和對(duì)應(yīng)的考核方式。

（一）課程支撐的畢業(yè)要求

課程目標(biāo)支撐6項(xiàng)畢業(yè)要求包括：（1）設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案：能夠根據(jù)工程問題，利用華為相應(yīng)設(shè)備，設(shè)計(jì)和開發(fā)解決方案，掌握全過程生命周期，以及各類影響因素;（2）使用現(xiàn)代工具：熟悉并掌握NB-IoT開發(fā)平臺(tái)、LiteOS操作系統(tǒng)、OceanConnect平臺(tái)的使用，并應(yīng)用到解決復(fù)雜工程問題當(dāng)中;（3）工程與社會(huì)：能夠理解、評(píng)價(jià)開發(fā)項(xiàng)目/工程問題的社會(huì)價(jià)值、影響范圍，以及市場(chǎng)兼容性;（4）個(gè)人和團(tuán)隊(duì)：理解在項(xiàng)目開發(fā)過程中，個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)的具體工作與責(zé)任，掌握與其他成員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力;（5）溝通與表達(dá)：了解并掌握在解決復(fù)雜工程問題/項(xiàng)目開發(fā)過程中的溝通能力，掌握口頭與文字的溝通形式;（6）終身學(xué)習(xí)：建立自主學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)意識(shí)，具備終身學(xué)習(xí)的思維和行動(dòng)能力。

（二）“自主學(xué)習(xí)”階段的設(shè)計(jì)

“自主學(xué)習(xí)”階段，以四個(gè)問題（物聯(lián)網(wǎng)是什么？你準(zhǔn)備做什么？工程與社會(huì)的關(guān)系是什么？你能為團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)什么？）為引導(dǎo)。

表1給出了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的綱要，學(xué)生可以通過各種途徑自主完成，如學(xué)校開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)通識(shí)課程、華為公司錄制的“玩轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)”視頻課程等。學(xué)生在學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的基礎(chǔ)上，以3人為一組，通過需求調(diào)研，確定準(zhǔn)備利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決的實(shí)際問題，完成項(xiàng)目計(jì)劃和人員分工，形成報(bào)告。

（三）“集中實(shí)訓(xùn)”階段的設(shè)計(jì)

在集中實(shí)訓(xùn)中，為每組學(xué)生提供LiteOS開發(fā)板、支持NB-IoT的SIM卡和OceanConnect賬號(hào)。為期2天的集中實(shí)訓(xùn)由華為企業(yè)專家與學(xué)校教師聯(lián)合指導(dǎo)，完成NB模組端側(cè)開發(fā)及數(shù)據(jù)上報(bào)、IoT連接管理平臺(tái)下發(fā)命令及設(shè)備響應(yīng)、基于開發(fā)板移植與運(yùn)行LiteOS，以及搭建應(yīng)用服務(wù)器與平臺(tái)進(jìn)行鑒權(quán)等四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，授課內(nèi)容如表2所示。通過集中實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生掌握貫穿“端—管—云”開發(fā)方法。

（四）項(xiàng)目開發(fā)與展示交流

“項(xiàng)目開發(fā)”階段為3周。在這期間，學(xué)生利用LiteOS開發(fā)板完成設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，由企業(yè)專家與學(xué)校教師提供指導(dǎo)。在項(xiàng)目開發(fā)最后階段，安排了項(xiàng)目“展示交流”環(huán)節(jié)，各組需提交答辯PPT和演示視頻，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯。由教師和企業(yè)專家組成的評(píng)審專家組進(jìn)行提問和評(píng)分，同時(shí)也要求每位同學(xué)對(duì)各組的項(xiàng)目完成情況進(jìn)行評(píng)分，將兩個(gè)成績(jī)共同構(gòu)成各組的答辯成績(jī)。在答辯環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生提問，通過記錄學(xué)生提問和回答過程，配合評(píng)選優(yōu)秀講解和提問，評(píng)價(jià)學(xué)生思考的深入性和溝通表達(dá)能力。

（五）課程的形成性考核

在課程開展過程中，以問題為抓手，對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行形成性考核。形成性考核依據(jù)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

四、結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練營(yíng)主要進(jìn)行了三方面的改革：一方面，通過校企合作，將物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最新的技術(shù)和工具引入課程，且企業(yè)專家參與了課程的全過程，解決了學(xué)生所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容與本行業(yè)的最新技術(shù)相脫節(jié)問題;另一方面，課程內(nèi)容貫穿“端—管—云”，使學(xué)生更高效地形成系統(tǒng)的知識(shí)構(gòu)架;最后，基于問題引導(dǎo)的“四段式”教學(xué)組織方式解決了知識(shí)講授和項(xiàng)目實(shí)踐間隔長(zhǎng)、學(xué)生培養(yǎng)效率較低的問題，并對(duì)學(xué)生的畢業(yè)要求達(dá)成形成清晰的支撐。

在訓(xùn)練營(yíng)第一期課程中，參加課程的30名學(xué)生中，20余名通過了華為HCNA-IoT認(rèn)證，華為公司在搜狐網(wǎng)上進(jìn)行了報(bào)道[6]。選拔出的兩支隊(duì)伍參加2019年華為中國(guó)區(qū)大學(xué)生ICT大賽創(chuàng)新賽，全部成功晉級(jí)總決賽，其中一支隊(duì)伍在總決賽中獲得二等獎(jiǎng)。由于該課程不限年級(jí)，其中一組為大一學(xué)生，難能可貴的是他們?cè)谡n程的最后期限內(nèi)完成了項(xiàng)目，并進(jìn)行了展示。這一事例說明了學(xué)生學(xué)習(xí)的巨大潛力，通過改革課程的組織方式，可有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練營(yíng)的建立和組織方式也可借鑒到其他校企合作協(xié)同育人項(xiàng)目中。目前，我們采用同樣的課程組織方式，與NI公司合作開設(shè)的訓(xùn)練營(yíng)課程也已獲得教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目支持，在2020—2021學(xué)年第1學(xué)期正式開課。

參考文獻(xiàn)

[1]Kais Mekki， Eddy Bajic， Frederic Chaxel， Fernand Meyer. A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment [J].ICT Express，2019，5（1）：1-7.

[2]國(guó)務(wù)院. 國(guó)務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見[EB/OL].（2017-11-27） [2020-08-19]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-11/

27/content_5242582.htm.

[3]鄭征，李偉偉.創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系 提升工科大學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（7）：195-198.

[4]高淑貞，胡亮，蔡印，等.基于創(chuàng)新實(shí)踐的探究性學(xué)習(xí)模式環(huán)境設(shè)計(jì)的思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（5）：183-185.

[5]D. R. Graham. The global state of the art in engineering education [M]. Massachusetts Institute of Technology， 2018.

[6]天津大學(xué)-華為物聯(lián)網(wǎng)精英實(shí)訓(xùn)營(yíng)圓滿落幕，全營(yíng)29名學(xué)生悉數(shù)通過華為物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證[EB/OL].（2018-12-25）[2020-08-19].https：//www.sohu.com/a/284420659_12005470

1.

Exploration and Practice of Innovation Practice Training Camp of Internet of Things in School-Enterprise Cooperation

WANG Chao， LIU Li-ping， YU He-yang

（School of Electrical and Information Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： With the rapid development of Internet of Things （IoT） technology， there are some problems such as the disconnection between the course and practice content and the latest technology of the industry， and the disconnection between knowledge teaching and project practice. Through school-enterprise cooperation， the technical platform and organization form of the IoT innovation practice training camp are explored in this paper. The “four-stage” teaching organization model based on problem-based learning is put forward， which improves the training efficiency of students engineering project development and application ability and innovation ability. The practice results show that the expected results have been achieved.

Key words： school-enterprise cooperation; Internet of Things （IoT）; engineering project