魏叶华，张连明，万求真，魏书宁
（湖南师范大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410081）
物联网技术的发展由人机交互，转变到了人与人、人与物、物与物的信息交换，万物互联成为了可能。随着5G、NB-IoT、LoRa、SigFox 等技术不断发展和应用，物联网技术由概念逐渐落地应用，在各行业都有广阔的应用前景。为适应物联网人才需求，自2010 年设立物联网工程专业以来，目前已有400 多所院校开设了这一专业。作为一个新设置工科专业，没有成熟培养方案可参考，加上涉及技术领域较多，难度较大，在专业教学上，多数高校仍在探索中前行。怎样结合各自特色和专业特点，探索物联网教学改革，强化实践教学，培养适合行业需求的新型工科人才，仍具有很强的现实意义。
我国工程教育规模已位居世界第一，有力支撑了我国工业和经济发展。为实施人才强国战略，2010 年教育部实施了“卓越工程师教育培养计划”项目，培养创新能力强、适应社会经济发展的高质量工程人才。为适应新的产业变革，服务创新驱动发展，推动工程教育改革，教育部2017 年发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，号召各高校开展新工科研究与实践，培养适应产业发展和国际竞争的高素质工科人才[1]。实践能力的培养是卓越工程师和新工科建设的重要内涵，是高等工程教育变革形势所需，也是作为新兴工科专业的物联网工程的重要需求。
物联网具有实践性强和学科交叉的特点，是理论与实践并重的新兴技术[2]，应用范围覆盖环境监测、智慧城市、智能家居、智慧农业等诸多行业，解决领域应用需要开发人员具有坚实的物联网理论基础和良好的工程设计能力。物联网教学中的实践能力培养是工程设计和创新能力的重要保证。
综上所述，无论是在行业对物联网应用型人才需求上，还是工科人才培养变革趋势上看，物联网专业人才培养势必要强化实践性。注重专业基础知识的同时，要强化培养实践技能[3]，由知识型培养到知识技能型转变，培养物联网工程高级专门人才[4]。
目前，物联网工程专业培养目标、模式等仍在探索阶段[5]。有些高校走出了自己的特色，形成了品牌，也存在许多高校落入传统理工科培养模式，无法彰显专业特点，人才培养与企业需求脱节[6]。结合物联网工程专业培养经验和调研，对物联网教学特别是实践教学存在的不足梳理如下。
（1）课程体系缺少整体规划，未突出物联网专业特点[5]。课程体系建设上多是增设无线传感器网络、RFID 原理及应用等物联网相关课程，而计算机网络、通信原理、嵌入式系统等多数课程是从计算机、通信等专业移植过来，未结合物联网工程特点进行再设计再融合。课程显得较为杂乱，学生抓不住重点，易产生专业迷茫。
（2）理论与实践教学缺少系统性规划，未突出物联网技术上的衔接和关联。物联网作为新兴技术，真正从事物联网研究的教师并不多，大部分教师也并未参加过系统的物联网技术培训，课程讲授多按原有模式孤立讲授各个知识点；
实践教学上基本也是各自为政，未能从物联网系统上整体设计实践方案。学生对物联网应用系统缺少整体认知，难以从系统上理解、消化和应用各知识点。
（3）实践教学模式较为传统，课时不足，未能体现专业的工程性及创新能力培养需求。许多学校仍然以理论教学为主，课程实验为辅，实践教学形式单一，停留在验证性实验上。实践教学多是按实验讲义开展，学生缺少自主性，不够深入，学生解决工程问题的能力得不到锻炼[6]，不利于学生创新和工程实践能力培养。
（4）学分构成和学生评价比较传统，在正向促进学生对工程实践能力和创新能力提升着力上仍显不足。学分构成除常规基本实验和实习外，仍以理论课程为主，考试成绩仍是决定性因素，反而强化了学生重理论轻实践的意识。新工科建设背景下，培养解决复杂工程问题的高级物联网工程人才，需要加大实践能力在学生评价中的比重。
物联网工程是多学科融合的交叉型新兴学科，综合了计算机科学与技术、通信工程、电子科学与技术等多个学科。物联网体系结构通常划分为感知层、传输层、网络层和应用层4 个层次，涵盖传感器、嵌入式系统、无线通信、网络、数据处理及云计算等多种技术，学习难度大。为适应高等工程教育变革所需，结合新工科建设内涵，对物联网工程专业教学模式积极探索，不断强化实践教学，在夯实基础之上，努力提升学生的工程设计和创新能力。校企合作，建设企业实习实训基地是一种有效实践方式，这里主要探讨校内实践教学。
3.1 体现多元实践的培养方案
与多数高校基本类似，我校物联网工程专业课程划分为公共基础、学科基础、专业核心、专业任选课程及实践课程等几个主要模块，但在专业建设中高度重视学生实践和创新能力培养，不断调整优化实践教学形式和内容，构建了“基础实验—电子工艺实习—专业实验—综合实训—课程设计—创新实验—学科竞赛—科研项目—专业实习—毕业设计”等多元实践教学体系，从物联网基础，到专业强化，再到实践能力提升，渐进全面培养学生的工程实践能力。
除基础实验、专业实验和专业实习外，大二开展为期1 周的电子工艺实习，每位学生自主焊接和编程智能小车等作品，既锻炼了动手能力，又激发了专业学习热情；
大三开设了32 个课时1 个学分的综合实训课程，依据实验室智慧交通、智能家居等物联网平台，自主选择实训课题，提高物联网技术和知识的综合运用能力，增强系统开发能力；
大三下学期开展了2 周的物联网课程设计，设计物联网应用小系统，锻炼知识自主运用能力，培养分析问题和解决问题能力。此外，为培养学生实践和创新能力，增加了2 学分的创新创业课程，并列为了必修课程，邀请企业经验丰富工程师参与讲授。
3.2 多课程协同教学体系
物联网工程专业课程分布于计算机科学与技术、软件工程、通信工程、电子科学与技术、控制工程等多个专业。学生需要掌握信息采集接口编程、传感器组网、嵌入式系统开发、无线通信、数据库、Web 开发等相关技能，什么都要学，繁杂而困难，难以从系统角度学习和掌握各科知识，迷茫而无方向感。为此，应以项目开发为驱动，构建多课程协同的教学体系，加强各课程融合，提高学生知识点综合运用能力。
课程来源于其他学科，容易产生课程内容和讲授方式原样照搬现象，缺少专业性设计和融合，学生学完后难于综合统筹。以实验室智能监测系统这一综合项目为出发点，将项目划分为几个子模块，每个子模块关联知识点映射到具体课程，任课教师在原有课程内容基础上，增加相关知识点的讲授，并修改相应的课程实验大纲，设计子模块相关知识的验证或应用实验。如感知层的温湿度、PM2.5 等传感器原理和采集的A/D 转换电路部分，分别对应电子技术和传感器与检测技术课程；
温湿度等感知数据采集和处理、摄像头云台控制等接口和控制程序设计对应到单片机原理及应用、数据挖掘等课程；
传感器节点组网、通信、识别等相关知识对应到无线传感网原理及应用、RFID 原理及应用等课程；
系统网关相关的操作系统、图形界面开发等对应到嵌入式系统、无线传感网原理及应用等课程；
监测数据处理、存储和展示等对应到大数据技术、Web 开发、Java程序设计和数据库系统等课程。经过项目知识点分解，讲授做到有的放矢，实现课程上有机联系和专业融合，突出物联网工程专业特点。
通过多课程协同专业课程体系建设，学生可从物联网系统角度去理解并掌握各门课程重点。在专业课程学习结束，综合各课程知识，自主重现智能监测系统，并撰写分析和设计文档，由点到面，形成了物联网工程思维。
3.3 线上线下混合教学模式
培养方案中总课时是固定的，为强化实践教学，增加电子工艺实习、综合实训课程和创新创业课程后，势必挤占其他课程学时。为优化学时分配，保证各科教学效果，以教学模式变革弥补课时变化，探索并实践了线上线下混合教学模式。经专业教师研讨，确立了几门试点课程，如Java 程序设计、数据库系统等课程，理论教学课时压缩到32 课时，基础实验压缩到16 课时，借助EduCoder 综合实训平台，增设对应的实训课程，任课教师设计、发布实训题目，学生注册后自行在课下完成，平台自动记录详细的完成情况，评判分数。经过两学期试行，学生反映良好，受益颇多，实训记录也可作为课程成绩评定依据，改变了单一的理论考试评价方式。
3.4 突出自主的实践教学条件
要提高学生动手能力、解决工程问题的能力，仅仅进行理论学习是无本之木。专业经过几年建设，已形成“基础实验—专业课实验—综合实训—众创空间”等较为系统的多层次实验实践平台，为实践教学提供了有力支持。
我院具有计算机、通信工程等多个本科专业，嵌入式系统、计算机网络、通信原理等课程实验条件已经成熟，但多是按原专业需求建设，根据物联网工程专业教学需要，须升级部分设备，如嵌入式系统设备不再以实验箱形式，购置开发板模块组，学生可以带回宿舍自主学习。另外，要修改现有实验设计和讲义，增加物联网综合系统所对应的相关知识点实验，并提高设计实验比重，突出学生自主性。
除基础课程实验室外，要建设无线传感器网络、RFID 技术等物联网专业实验室，支持感知、传输、组网和计算4 个层次相关技术实验。为进一步提高实践能力和系统开发能力，学院建设了智能交通、智能家居、工业监测等综合实训平台，开设物联网系统综合实训课程，在教师指导下，强调学生自主开发，系统功能重现；
为提升学生创新创业能力，与企业共同建设了“众创空间”开放实验室、省级大学生创新创业教育中心，提供各类元器件、物联网开放套件及辅助设备，对有志于工程开发和应用创新的学生全天候开放。
此外，为突出实践重要性，借鉴欧美高校做法，增加课程项目，以小组为单位，既加强了知识运用能力，又锻炼了团队精神，不再仅仅以期末考试进行课程评价，提高学生对设计型实验的兴趣。
3.5 竞赛与项目提升实践
高素质新型工科人才需要具备较强的工程实践能力和创新精神，专业坚持每个学生均能成才的理念，同时注重学生个性化发展，因材施教，实施了“综合实训项目—创新实验项目—学科竞赛—科研项目”等多类型实践和创新项目形式，对学有余力的学生，在完成专业实践、实习基础之上，鼓励积极参与教师科研课题、参加学科竞赛和申报各类创新创业项目。
学科竞赛能够激发学生创新意识，巩固和强化专业知识，增强动手能力，已成为高校重要实践教学环节，是培养高素质创新型人才的重要途径。我院牵头组织了校物联网应用创新设计大赛、计算机程序设计大赛，且分别有对应的省级赛事。除此之外，还鼓励学生积极参加电子设计大赛、创青春、挑战杯、互联网+等各种比赛。以竞赛任务为驱动，充分发挥了学生主观能动性，使用所学物联网知识和技能，设计和实现自己的创意或竞赛组题目，有效提升工程实践能力和团队精神。
各类实践创新项目也是培养解决工程问题能力的重要方法。专业要求所有大二以上学生必须申报或参与申报校级大学生创新创业训练计划项目，择优推荐到省级。对学业优秀，学有余力，热爱科研的同学，安排参与教师科研项目，并实施了拔尖创新人才培养计划，实行导师制、课题制培养。另外，实施了项目制课程，将教师科研项目向本科生开放，学生根据兴趣选择，达到要求后给予相应学分。通过项目的开展，培养了创新思维、科研素质，充分锻炼了分析、解决问题的能力。
自2014 年我校开设物联网工程专业以来，经过几年来不断探索，通过课程体系优化，实践教学强化，实验实践条件改善，竞赛和创新项目开展，学生工程实践能力得到了明显提升，提高了创新精神和团队合作意识。物联网工程作为一个新专业，无成熟建设经验参考，加上涉及多个学科，融合具有难度，专业将继续不断深化教学改革，强化实践教学，为社会培养基础扎实，工程实践能力强，具有创新精神的物联网领域高素质新型工科人才。
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