物联网工程专业人才创新能力和科研能力培养方式探讨

李华玮　彭红梅　程媛

摘要：随着物联网技术的不断推广和应用，社会对物联网人才的素质要求逐步提高，而物联网工程专业学科建设仍处于发展阶段。文章在分析这一现状的基础上，对物联网工程专业人才创新实践能力和科研能力培养方式进行探讨，为培养能够从事物联网工程应用相关工作的高层次、高素质的复合型和创新型技术人才提供思路。

关键词：物联网；智慧地球；创新能力；科研能力

0、引言

物联网技术在世界范围内被关注才只有十几年时间，而引起重视并获得快速发展也只是近几年的事情，却已经开始在军事、工业、农业、环境监测、建筑、医疗、空问和海洋探索等领域投入应用。随着教育部批准各高校开设物联网工程专业课程以来，国内具有一定教学和科研基础的高校陆续响应，积极投入师资力量和硬件资源。物联网工程专业属于计算机、通信、电子等多领域的交叉学科，各院校物联网工程专业的培养目标基本是培养具有多领域基础理论知识和创新实践能力的复合型人才。

根据当前国内物联网技术以应用为先导的特点，大部分高校在注重物联网理论知识体系架构的同时，还加强对学生工程实践能力的培养，培养为我国工业化和信息化融合、为信息产业服务的高层次、高素质的复合型和创新型技术人才。显然，物联网技术的不断推广和应用使得社会对物联网人才素质的要求逐步提高。面对21世纪信息化时代的挑战，如何培养面向广大应用市场需求的物联网工程专业人才和科研人才，成为现阶段物联网教育领域的一项研究课题。

1、物联网工程专业人才培养的基本要求

物联网的技术架构可以概括为C3SD，即建立在传感网络fsensor network）之上的通讯（communication）、计算（computation）、控制（control）、数据海（Data Ocean）集成的架构。物联网由通讯系统、计算系统、控制系统、感知系统和数据海5大技术系统支撑。

物联网工程专业的实践课程必须是以物联网体系结构为核心进行设计和技术开发。相应地，我们在学生培养的不同时期设置不同的物联网专业实践课程，使学生循序渐进地学习和运用物联网5大技术的不同层次的开发和集成应用，具有较强的物联网技术综合应用和工程实践能力，能够从事物联网应用系统规划、设计、实施、管理和维护等相关工作。

2、物联网工程专业人才创新能力培养方式

以物联网专业的需求为引导，学生针对不同的应用方向和已有物联网领域知识进行创新，通过技术创新巩固已有的物联网专业理论知识，形成将理论学习与运用创新相结合的良性循环，在注重物联网理论知识体系架构的同时，也加强对工程实践能力的培养。

2.1 物联网工程专业知识学习

物联网工程专业学生培养方式的侧重点在于全方位的计算机硬件、软件以及物联网理论知识的学习，而不局限于单一行业的知识运用需求。区别于计算机专业学习，物联网工程专业知识学习更加注重学生的专业应用实践能力培养，将计算机知识如数据结构和算法、编程语言设计、数据库等运用到物联网实际应用领域中，通过数据处理、算法分析、系统开发等实际应用验证计算机和物联网理论知识。

学生可以通过算法和理论进一步理解物联网技术原理，尤其是通过相关实训应用程序开发（传感器原理及应用、REID原理及应用、传感器网络原理及应用、数据处理与智能决策、物联网通信技术、物联网控制、物联网信息安全等）进行物联网理论和方法相关课程的创新思维培养，达到创新性学习。

2.2 以工程应用需求作为创新性培养方向

基于工程应用需求的物联网工程专业学生培养模式建立在市场对物联网工程专业学生有较高的物联网发展洞察力、解决特殊问题的创新能力等要求基础上。学生需要结合自身专业特色对当前物联网工程应用需求进行深入分析，找到切入物联网的兴趣点，将物联网理论和技术运用到实际问题中，如智能交通、智能仓储，进入运用理论解决问题以及利用问题促进理论创新的良性循环。

将计算机、物联网理论和工程应用相结合，为物联网理论创新性教学提供了一个方向。目前，计算机学院已建设智能交通、智能仓储等实训综合平台，基于工程应用需求不断更新和优化实验教学内容，强化学生实训和实践能力锻炼，采用项目案例库的方式培养学生物联网工程设计能力和开发创新能力。

2.3 以学生为中心的自主创新

在培养物联网工程专业学生创新能力的过程中，我们更需要注重学生的自主创新能力培养，允许学生自主选题并自主研究，将自身兴趣、专业知识和研究方向紧密结合，尊重学生的思想独立性，引导学生根据已有的计算机和物联网工程专业知识和自身的兴趣爱好，结合物联网技术具体应用，选择自主研究领域。同时，为学生提供开发资源如开发平台、数据库系统、RFID+GPS物流管理系统（利用RFID技术、GPS定位技术、自动控制技术以及网络通信设备等搭建物流管理实验平台）等，让学生从实际应用中体会物联网的体系结构，针对不同的物联网技术应用方向开展具体的研究并不断创新。

在此基础上，引导学生从计算机技术的角度思考物联网技术问题，鼓励学生从计算系统以外的角度进行系统创新，将计算机和物联网理论知识与实际的工程运用需求相结合，培养物联网工程专业学生的专业素养和实践能力。

3、物联网工程专业人才自主科研能力培养方式

面对物联网技术和计算机学科的不断发展以及科研成果的不断涌现，如何将学科的新理论、新技术、新方法引入实验教学，使实验教学真正紧跟学科发展，培养具有创新思维、创新能力和自主科研能力的高级专业人才，成为物联网专业教育工作者面临的新问题。

武汉大学计算机学院有丰富的科研成果，尤其在计算机软件体系结构、软件工程、计算机网络技术、计算机应用、物联网技术、虚拟现实技术等研究领域具有鲜明的科研特色和优势。在物联网专业实验教学体系建设中，计算机学院充分利用科学研究、合作交流等方面的资源和成果，打造具有自身特色和优势的实验体系品牌，促进科学研究与教学实验体系建设之间形成良性互动，构建通畅的教学与科研互动渠道，实现资源全面共享，同时将当前的科研成果融入实验教学，以培养物联网工程专业学生的自主科研能力。endprint

我们以移动三维虚拟地球软件平台为例详细说明。智慧城市作为一种热门应用，涵盖了云计算、物联网、TD-LTE、高端软件、集成电路、下一代网络（NGN）等多种前沿技术。近些年来，物联网与智慧城市也从起初的两个新鲜概念，在技术进步和应用需求的潜在推动下越走越近。物联网是智慧城市建设的途径，智慧城市建设又为物联网技术和产业的发展提供广阔的空间。目前，三维虚拟地球是智慧城市的主要依托平台，是结合计算机仿真、物联网、地理空间信息、数据库、智能分析等前沿技术构建的数字地球模型，能够实现对全球地理数据无缝、多尺度地浏览和互操作。

三维虚拟地球软件平台是当前相关技术领域的研究和应用热点，是计算机技术、物联网技术与GIS理论技术紧密结合的产物，也是信息化社会的建设需求，因而更具有前沿性和应用性。随着计算机硬件技术的发展，平板电脑以灵活、方便携带等特点，在移动操作系统的支持下得到广泛应用。与此同时，物联网技术近几年的快速发展，也积极推动了移动三维虚拟地球软件平台的研究和应用。移动三维虚拟地球软件平台和传统虚拟现实系统平台主要有以下几个方面的典型差异：（1）平台硬件限制；（2）应用方向明确；（3）服务器需求更高。对此，我们从物联网技术运用的角度出发，激发学生的创新能力。移动三维虚拟地球软件平台使用先进技术，可与社会需求无缝衔接。这些科研成果在实验教学中的使用有效地增强了学生综合运用知识、解决实际问题的能力，更重要的是激发了学生的学习兴趣，增强了自信心，开拓了思维能力。

结合工程应用的需求和该平台可扩展的特点，为物联网工程专业的学生提供广阔空间，不仅让学生掌握虚拟平台中软、硬件系统各个部件的原理，而且让学生系统地理解多种部件的集成。我们从工程应用角度、用户体验、发展前沿3个方面进行理论和应用创新，在学生创新能力培养上取得了重大突破。

3.1 针对终端硬件的创新实践

移动终端有CPU、GPU、管线等硬件性能差异，传统的虚拟现实系统平台软件无法高效运行，单一地从GIS算法方面进行创新改进，不能从根本上改善这一现状。我们引导对嵌入式开发感兴趣的物联网工程专业学生，结合已有的计算机硬件理论知识，从嵌入式设备软件设计原则的角度出发，设计针对移动终端的三维虚拟地球软件框架，改善传统GIS算法性能。同时，针对移动终端的硬件特性巩固计算机嵌入式设备CPU、网络等方面基础知识，在传统虚拟现实交互方法的基础上进行创新，改进虚拟现实的人机交互算法。

3.2 针对不同行业应用的创新研究

移动三维虚拟地球的应用方向非常明确，即针对电力、农林、渔牧、地下管线、物流仓储、等方面的不同需求，要求移动三维虚拟地球平台实现移动数据采集、快速空间分析、高效三维显示等功能；针对不同的功能特性设计相应算法，如数据采集要求低精度移动设备相机拍摄的数据能够在后期的数据加工处理中实现影像还原，学生必须在传统图像处理算法的基础上进行创新，实现这一特定功能。我们引导对图形图像和传感器感兴趣的物联网工程专业学生设计相应的数据处理算法，并在此基础上进行应用创新实践。

3.3 针对数据服务器的创新研究

移动设备通过移动互联网提供面向大众化的信息服务，但由于受到硬件性能限制，使得用户在终端无法对海量空间数据进行快速处理，传统的商业数据库如Oracle、sqlserver无法满足数据预处理的需求，但是服务器端要求能够针对移动终端的特定数据请求提前进行数据预处理。针对移动三维虚拟地球对数据服务器的特定要求，我们必须采取新型的后台服务器，对新型数据服务器设计地理空间数据的存储架构，对数据处理算法进行创新，以满足移动虚拟地球的数据服务需求；引导对数据库系统感兴趣的物联网工程专业学生设计相应的数据库存储方法，并在此基础上进行应用创新和科研实践。

总之，移动三维虚拟地球软件平台这一科研成果转换为创新实验平台，极大地提高了学生学习与实践的积极性，尤其是促进了学生科学研究能力与创新能力的提高。科研和教学是相辅相成的关系，将科研成果融入教学，加强了实践环节教学，对于提高创新型人才培养质量具有深远意义。

4、结语

我们在物联网工程专业的实践教学过程中突出体现知识应用能力、科研素质提高以及创新意识培养，在巩固学生已掌握知识的同时，注重培养学生在实际应用过程中分析和解决实际问题的能力、自主探索和自主创新意识。针对物联网工程专业学生的特点、特长和兴趣，我们在计算机和物联网工程专业基础理论基础上，进一步优化物联网工程专业不同研究方向的培养模式，利用物联网应用软件平台的科研实践引导学生提高动手能力和独立思考能力，使学生具有物联网工程应用的开阔思维，具备一定的物联网技术应用创新能力，从而为培养具有知识基础、创新精神、实践能力和科研能力的物联网技术创新人才提供一种教学模式。endprint