计算思维指导下的物联网工程专业建设探索

章平　刘涛

摘要：在计算思维与应用能力融合的指导下，通过物联网工程专业建设实践，探索培养适应物联网产业发展需要的复合型创新人才新途径。该研究从人才培养方案、课程体系设置、教学方法改革和师资队伍建设等方面，探索具有地方特色的物联网工程专业建设方案。针对物联网工程专业应用面广，综合性强，和对实践能力要求高等特点，通过计算思维训练和应用能力融合，培养学生创新精神与应用能力，提升学生的综合素质。

关键词：计算思维；物联网；慕课；翻转课堂；实践能力

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）17-0145-03

1999年，美国麻省理工学院自动识别中心，物联网之父凯文·艾什顿教授提出了物联网概念，指出“万物皆可通过网络互联”。2005年，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，定义物联网为通过各种信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。2009年，温家宝总理在视察无锡期间，发表了“感知中国”的讲话，引发了我国物联网研究和开发热潮。在教育部办公厅颁布“关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知”（教高厅函[2010]13号）中，物联网技术作为战略性新兴产业被列入申报范围。随后，陆续有461所本科院校新增物联网工程专业，其中，2010年到2016年分别新增30、25、80、126、85、54和61所。

安徽工程大学于2013年申请获批新增物联网工程专业。在专业开办初期，我们针对物联网工程专业的多学科交叉特点，提出了计算思维与应用能力融合的IT人才培养模式。众所周知，计算思维由美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授在2006年提出，指的是运用计算机科学的基础概念去求解问题，设计系统和理解人类行为的一系列思维活动。在安徽工程大学物联网工程专业建设中，我们通过总结相关计算机、通信和传感器领域知识与技能中的计算思维，着重培养学生的应用能力，满足地方物联网产业对创新创业人才的需求。经过几年的建设，安徽工程大学物联网工程专业逐渐成为一个重点突出、特色鲜明本科专业。

1人才培养目标

计算思维的培养需要具备扎实的数学和其他相关的自然科学基础知识。此外，应用能力的获得需要掌握与物联网工程相关的计算机、通信和传感等工程理论、知识、技能以及方法，并拥有较好的外语运用能力。按照这种模式培养的人才能胜任物联网应用系统研发、部署和运行维护等工作，不仅可以成为高级工程技术人才，也可以进一步发展成为专业管理人才。具体地，培养人才主要从事以下领域：

1）物联网体系结构研究与开发；

2）嵌入式系统开发，物联网软件及系统开发与维护，无线传感器网络建设与维护，以及其他物联网应用系统的设计、开发与维护；

3）在云计算、大数据、工业控制、智能信息处理、通信工程和工商管理等领域中物联网相关技术的应用和开发。

物联网工程专业人才培养具有厚基础、重实践和促创新等特点。学生需要学习数学等自然科学知识，掌握计算机、通信和传感等工程技术，形成物联网相关技术研发及物联网应用系统应用的能力。为了在有限的时间内完成培养目标，我们强调计算思维能力的培养，提取自然科学知识和工程技术中的核心的思想进行教学。同时，结合大量的实验实践和工程训练，培养学生利用计算思维分析和解决实际问题的能力。学生在计算思维支撑下，构建灵活的知识结构，形成可持续的学习能力，满足物联网产业的发展需求。

物联网工程专业依据“专业与行业结合、课程与技术结合、实践与企业结合”的培养模式，优化人才培养方案。通过联系一流高校、著名科研院所以及企业深度参与培养过程，使计算思维与应用能力融合的培养理念落到实处。

2课程体系设计

信息技术的三大支柱，即传感器、通信和计算机技术，是实现物联网感知识别、网络构建和应用开发的基础技术。为了全面掌握物联网工程技术，需要从计算机、通信和传感器等学科中甄选课程，结合物联网产业的实际，构建符合物联网工程专业需要课程体系。

当前，课程体系一般由通识教育课程模块、学科基础模塊、专业技术模块、专业特色模块、专业实践模块和自由选修模块等组成。物联网工程专业还需要根据区域经济建设要求和适度超前，结合产业发展，按照物联网工程感知识别技术、物联网工程网络构建和物联网工程软硬件开发等相融合的思路，坚持计算思维和应用能力融合的思路，优化课程体系，加大物联网工程专业课程的算法设计课程群、计算机系统硬件课程群、计算机系统软件课程群、计算机网络课程群、嵌入式系统开发课程群、企业级软硬件开发课程群以及物联网工程数学建模课程群等的建设力度，培养物联网工程专业的优秀和精品课程。

安徽工程大学将物联网工程专业课程分为学科基础课、专业核心课和专业方向课三块其中，学科基础课43学分（含选修部分19学分），占总学分22.4%，专业核心课20.5学分，占总学分10.7%，专业方向课15学分，占总学分7.8%。此外，实验实践（大部分由专业课程实验、课程设计和专业创新科研实践构成）48学分，占总学分25%。

学科基础课侧重物联网工程专业基础知识的教学，由必修和选修两部分构成。必修部分7门课，包括高级语言程序设计、线性代数、概率论与数理统计、模拟电子技术、数字逻辑、数据结构、数据结构实验和计算机组成与结构，具体参见表1。此外，我们还开设了包括数学建模、数据挖掘和无线传输技术等在内的三十余门选修课程，供学生根据个人兴趣选择。

专业核心课侧重物联网工程专业技能的培养，由8门课程构成，参见表1。该部分涉及传感器、通信和计算机三大学科，全面介绍了物联网感知识别、网络构建和应用开发所需的基本技术。值得指出的是，我们从物联网工程专业角度出发，将传感器技术和射频识别（RFID）技术合并在一门课中进行教学。与传感与检测相关专业侧重原理与器件的介绍不同，我们加强了传感器微型化、智能化和模块化的学习，力求满足物联网工程专业实际需求。专业方向课根据人才培养方向，进行不同的物联网系统开发的训练。如表1，我们设置了物联网软件与服务和物联网感知与控制两个方向，每个方向分别开设了6门课程。软件与服务方向的课程侧重于物联网系统的上层应用开发，进行服务器端和客户端的开发训练；感知与控制方向侧重与物联网感知识别功能的开发，进行感知与控制系统的嵌入式开发训练。

学科基础课、专业核心课和专业方向课的设置，促成了以无线网络技术、信息处理技术和传感器技术为基础，软件开发、嵌入开发和网络工程为应用的工程素质教育的开展，进而培养了能够综合运用计算机技术，进行信息感知、网络构建、数据存储、数据处理及应用开发等方面知识能力的应用创新型高级工程技术人才。

3教学方法与教学手段改革

物联网工程专业在多学科基础理论教学的基础上，更侧重实践教学。我们通过校内实验、学科竞赛、企业实习以及创新项目等多种手段，促进学生理论学习的深化和实践能力提高，努力形成“厚基础、重实践、促创新，产学研紧密结合，工程能力突出”的专业办学特色。具体教学方法和教学手段改革如下：

1）理论教学与实验实践结合。物联网工程专业十分强调工程实践。针对物联网产业日新月异的发展现状，我们不断优化实验实践开展，在课时设置和课程内容方面进行了改革尝试，力争密切联系产业现状，适度超前。同时，理论教学也根据行业发展不断更新，与实验实践密切结合，动态促进，形成体系。在教学过程中，我们引入慕课，帮助学生提升知识的广度和深度，提升课堂教学的效率。在物联网应用系统开发课程中，我们引入了翻转课堂的理念，将开源硬件发到学生手上，让学生在课下有充足的时间进行实验实践，课堂展示成果，讨论总结。

2）实验室建设。实验室建设是物联网工程专业建设的重点之一。在已有的计算机、通信和传感器专业实验室的基础上，我们根据物联网工程专业的课程设置，建成了物联网基础技术实验室、物联网工程实训实验室和物联网应用创新实验室，进一步加大理论与实践教学尤其是综合开放实验等教学条件建设的投资力度建设，完善企业级物联网软硬件开发、物联网移动终端开发、物联网与计算机系统开发条件。

3）校企合作培养。通过联系合作企业建设校内实训基地和校外实训基地，推进课堂实验教学—课外科研立项一专业实习实践体系建设，为培养物联网工程专业高素质应用型人才创造优良的条件和环境。

4）学科竞赛与创新创业。物联网工程专业的学生拥有宽厚的知识面和较强的实践能力，在学科竞赛中拥有优势。通过教师启发式、探究式、讨论式以及参与式指导培训，可以快速地把教师的科研成果转化为实际作品，甚至可以独立地创新创造。我们通过培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，进而培养学生的创新能力，初步引导学生开展创业活动。

5）海外交流。安徽工程大学立足省内，接轨世界，频繁开展对外交流与合作活动。在拓展与海外院校、机构、企业合作广度的同时，更加注重推进与美国哥伦比亚大学等世界一流大学的深层次交流。通过中外合作办学项目、学术交流机制和人才柔性引进，邀请大量海外学者来校访问，指导物联网工程专业建设。

4师资队伍建设

物联网工程专业是一门新兴学科，师资匮乏是一个普遍现象。目前，物联网专业教师主要来自计算机、通信和传感器等相关专业，基本能够胜任物联网工程专业大部分课程的教学。但是，任课老师对物联网工程的认识有待进一步深化和提高，相关专业课程的物联网特色有待进一步凝练。特别是面对物联网应用系统开发等综合性较强的课程时，单一学科背景只能胜任系统部分功能教学，综合性和学科交叉人才普遍缺乏。

面对师资匮乏的现象，安徽工程大学通过对外引进和对内培养的方式，积极推动中青年教师从事物联网工程专业的科研与教学，建设起一支符合物联网工程专业需求的师资队伍。在计算思维和应用能力融合的指导思想下，具有各种学科背景的教师基于自身专长，体会计算思维在物联网工程专业中的应用，通过教学实践和科研实践理解物联网工程的相关技术，逐步提高对物联网工程的系统认识。此外，学校还通过一些政策上倾斜加速物联网工程专业师资队伍建设。

1）人才引进。學校通过各项优惠政策，吸引具备物联网工程背景的应届博士生来校工作。应届博士生具有最新的知识结构、充沛的工作精力和极强的可塑性，可被安排到物联网工程课程建设的最前沿，攻城拔寨，以点带面。在科研方面，学校积极支持新进教师物联网相关科研课题的申报，力争形成教学和科研相辅相成，协调发展的局面。此外，学校通过人才柔性引进的方式，吸引高水平领军人才指导物联网工程专业的建设和发展，传授国内外知名高校物联网工程专业的建设经验。

2）进修培训。学校优先选拔中青年骨干教师去国内985一期等高校或国际名校进行博士学历学位进修和工程实践进修，坚持名校名专业的原则，以全面提高教师队伍素质为中心，着力提高教师的教学水平和科研能力和工程实践能力。利用各种物联网工程专业师资培训的机会，鼓励年轻教师利用寒暑假等时间学习充电，紧跟物联网产生的发展潮流。

3）学术交流。通过深化改革和制度创新，学校努力创造条件，与国内外相关院校建立长期稳定的学术交流和人才合作培养模式，通过讲座、会议以及参观等交流方式促进物联网工程专业的师资素质提升。

4）企业锻炼。学校通过与企业合作，利用企业项目实践，行业职业技能培训，和企业挂职等方式丰富专职教师在企业一线工作经历，提高实际动手能力。此外，为了提高教师的工程教育的专业素养和教学水平，学校还选聘实践经验丰富的高水平工程专家到学校任教或兼职。

5结束语

物联网工程专业是一门跨学科、厚基础和重实践的新兴专业。我们在计算思维研究的基础上，结合近几年的实践，将计算思维和应用能力融合引入到物联网工程人才培养和专业建设当中。通过以计算思维为主线，本文梳理组织了各学科在物联网工程专业中的作用，探索了物联网工程专业的人才培养方案、课程体系设置、教学方法改革和师资队伍建设等方面的内容。计算思维和应用能力融合培养了学生的学习和应用创新能力，提高了学生的综合素质，将为物联网产业发展输送大量的人才。