新型物联网创新实践教学体系建设

2018-06-05谢泽奇张会敏

实验技术与管理 2018年5期

谢泽奇, 张会敏, 沈阳

(郑州大学西亚斯国际学院, 河南郑州 451150)

21世纪初,物联网已悄悄进入人们的视野,并在各行各业得到应用。物联网是通过射频识别、红外传感器、全球定位系统、激光扫描等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络[1]。物联网技术是传统信息技术的继承和延伸,包含电子信息技术、传感技术、通信技术、网络技术和软件开发等多学科交叉的新兴专业技术,被认为继计算机、互联网之后的第三次信息浪潮。2009年8月,时任国务院总理温家宝在考察江苏无锡时提出“感知中国”后,物联网被正式列为国家新兴战略性产业之一,在政府报告《国家中长期科学与技术发展规划(2006—2010年)》中将物联网列为重点研究领域[2]。同时,2010年教育部批准约30所高校首批设立物联网工程专业[3],至今已有数百所院校设置物联网专业,我校从2011年开始设立物联网工程专业，如何培养符合国家和企业需求的创新型人才,是高校实施教学改革的最终目的。在实际教学过程中总结得知,要使学生能够将多学科技术知识融会贯通,必须加强实践教学、培养学生的实践能力和创新能力。在总结我校物联网专业实践教学经验的基础上,总结出“二主体、三平台、四培养”的新型创新实践教学模式,通过实践证明,该模式在培养学生创新创业能力、加强学生实践操作能力、提升学生就业率等方面取得较好成绩。

1 构建物联网创新实践教学体系

鉴于物联网实践教学对双创人才培养的重要性和必要性,对现有物联网实践教学过程中存在问题进行讨论与分析,构建合理有效的物联网创新实践教学模式,培养理论基础牢、实践操作强的创新创业人才,从而实现服务国家创新发展的需要[4]。本文以我校物联网专业为对象,培养双创人才为目标,结合我校教学经验和学生学习情况,构建“二主体、三平台、四培养”的新型物联网创新实践教学体系,如图1所示。

图1 我校物联网创新实践教学体系

1.1 “二主体”实践教学体系,理论与实践相结合

物联网实践教学过程必须遵循由易到难、由浅入深、循序渐进的学习过程,实践教学离不开扎实的理论基础,同时对理论学习起到引导、巩固作用,激发学生学习兴趣。因此解决理论教学与实践教学的关系是构建物联网创新实践教学体系中首要难题[5-6]。结合我校物联网实践教学过程中存在的相关问题,以物联网实践教学工作为依据,提出以理论与实践相结合的立体化实践教学为目标,以基础弱、兴趣高、肯学习的大学生为对象,构建分年级理论教学与分层次实践教学相结合的“二主体”实践教学体系。

(1) 分年级理论教学。分年级理论教学是指按照学校培养计划,分为基础课程教学、专业知识教学、系统开发教学3个阶段。基础课程教学主要是在大一、大二阶段开展,主要开展公共基础课程教学。学生主要学习“电工电子基础”“C语言程序设计”“单片机基础”“电路设计”等专业必修课程,培养学生思维能力和自学能力,初步掌握物联网系统设计的基础知识。专业知识教学主要在大二、大三阶段开展,主要学习“无线传感器网络”“RFID技术与应用”“传感器原理与应用”等具有较强应用性的专业基础课,掌握基础核心内容、学习各种技术的使用方法。系统开发教学阶段主要在大三、大四开展,根据前面学习内容,主要学习“物联网课程设计”“嵌入式系统开发”“物联网高级技术与应用”等个性化课程,教师指导学生完成物联网应用系统设计与开发,独自设计一个物联网应用系统并编程实现,培养学生解决实际问题能力。

(2) 分层次实践教学。分层次实践教学是指在实践教学过程中,根据分年级理论教学进度,设计分层次的实践教学内容,主要有基础实践教学、综合实践教学与创新实践教学。在基础实践教学阶段,主要开展电路设计与单片机简单应用,如采用Protel软件结合C语言实现流水灯等简单应用,让学生掌握硬件电路设计、单片机开发方法及其过程,掌握常用软件使用方法、软件调试与解决编译错误办法,让学生初步了解简单系统开发过程。在综合实践教学阶段,利用学习的专业基础知识,结合学生学习兴趣和专业知识掌握程度,设计开发简单物联网设计系统,要求包含物联网“传感层、网络层、应用层”3个层次,通过此阶段学习,学生理解物联网3层次结构、各层次包含的关键技术、各层次数据接口通信协议等,如智能家居、智慧农业、智能交通等综合设计项目,培养学生综合运用各种核心技术能力。在创新实践教学阶段,利用各种教师科研项目、大学生创新项目、学科竞赛等形式,让学生结合应用背景,设计具有市场价值和商业化创新作品,利用校企合作,鼓励学生积极申报、开展新产品研发,培养学生的创新创业能力。

在理论教学和实践教学过程中,以理论知识为基础、实践应用为导向,坚持理论与实践相结合,提出“学习—实践,再学习—再实践,工程实践与创新”的二循环教学过程,先学习理论基础,再做基础实践应用,在实践过程中遇到不理解的地方,再重新学习理论知识,再接着做实践开发,可不断采用螺旋式增量学习模式,整个过程始终贯穿于“问题—学习—项目—案例—创新”的问题驱动式教学方法[7]。

1.2 “三平台”实践教学平台,知识与应用相结合

物联网创新实践教学体系是一项复杂的教学过程,不但要求学生具备夯实的理论基础,而且还必须具有较强的实践动手能力。“二主体”可有效巩固学生的理论基础,如何提高学生的实践动手能力是构建物联网创新实践教学过程中需要解决的第二个难题[8]。结合我校提高学生实践能力,以学习兴趣为动力、以具体项目开发应用为过程,提高动手能力为目标,提出创新工作室、学科竞赛、校企合作为主的实践教学平台,实现知识与应用相结合。为此,重点开展以下工作。

(1) 创新工作室,培养就业技能。创新工作室是以学生自学为主、教师指导为辅、以开发综合应用项目为目标的物联网学会工作室,由大二至大四学生参与,主要有系统开发区、作品展示区、学术沙龙交流区、设备操作间4部分组成。我校现有创新工作室21个,其中物联网专业有物联网创新工作室、专业工作室和基础工作室。在工作室中,学生可以参与教师科研题目,完成教师科研项目的开发、性能测试等工作。学生可以申请校级大学生创新设计项目,自主开发具有应用背景的项目。依据校企合作,参与企业项目的设计研发工作。我院学生以专业工作室为平台,相继开发智慧农业、智能家居、智能窗户、Kinect人体动作识别系统、智能门锁等20多个项目,学生从零基础、零操作开始,通过高年级带领低年级的传帮带形式,学习物联网系统开发各个过程,从硬件到软件、从传感层、网络层到应用层系统设计、各种编程语言及其软件使用技巧等都得到深入学习。每周举办1次学术沙龙活动,项目组可分享项目开发成果及其主要技术,也可就项目遇到难题进行讨论,实现学术共享、快速进步的过程。从创新工作室中选择优质项目参加各种学科竞赛,都能取得较好成绩。

(2) 学科竞赛,培养竞赛技能。学科竞赛是衡量教师教学水平、学生学习质量效果的重要评价方式[9]。我校十分重视高水平、大平台的大学生科技竞赛,通过参加学科竞赛,锻炼学生运用理论知识解决实际问题的能力,培养学生的独立钻研思考学习能力、团队协作能力、综合研究能力,养成严谨求实的学习态度,拓宽专业基础知识[10]。

近年来,我院学生主要参加了全国物联网创新设计大赛、全国大学生电子设计大赛、全国机器人大赛、数学建模大赛等国家级、省级各项赛事。近3年,共取得国家级一等奖8项、二等奖20项、三等奖40项，省级一等奖22项、二等奖30项等佳绩。2017年,我校学生参加全国服务机器人大赛2个赛项,取得2个冠军、1个亚军；参加全国挑战杯获河南省一等奖1项,参加河南省物联网创新设计大赛获冠军1项、二等奖1项,参加河南省机器人获得冠军2项、亚军1项、一等奖6项、二等奖6项、三等奖8项,在同类院校中居全省第一。通过参加学科竞赛,提高参赛学生运用基础知识有效解决现实问题的能力,提升学生的实践创新能力和动手能力,使学生通过实践操作结合理论基础知识能有效地解决以前未能解决的问题。

(3) 校企合作,培养创新创业技能。通过“二主体、三平台”相结合的实践教学,大部分学生都具备较深的理论基础和较强的实践技能,在此基础上,依托校企合作,可以更好地开展“产学研”一体化实践教学,促进学生的创新创业能力[11]。通过实施校企合作的实践平台,学生可以将学到的理论知识应用到具体的企业项目中,与企业研发人员学习交流,积累项目开发经验,同时,可以检验学生学习效果,提升学习兴趣,学习如何更快更好学习新技术的方法；教师明确企业需求人才所需要专业知识,及时更新教学内容,培养符合市场需求的高新技能人才[12]。

至今,与我校物联网专业实施校企合作共有11家公司,如郑州新开普股份有限公司、北京赛佰特科技有限公司等。以我校物联网创新实验室为例,在校企联合建设的物联网双创实验室中,学生自主设计开发创新实践产品——智能家居系统。在设计开发过程中,教师指导学生完成新产品的设计制作,企业通过双创平台研发具有市场需求的创新产品,具有推广价值。学生参与校企合作可提升动手实践操作能力,开发具有个性化创新设计,有效培养学生的创新创业能力[13]。

1.3 “四培养”实践教学目标,专业与创新相结合

在我校物联网专业通过实施“二主体、三平台”的实践教学模式下,能够有效培养学生的实践能力和创新能力,能够成为提升学生就业竞争力的有效途径,能够作为创业实践项目实施的载体,成为实现学校产学研一体化进程的有效模式[14]。通过开展“分年级理论教学”与“分层次实践教学”相结合的“二主体”实践教学体系,可有效提高学生的理论知识和实践动手能力,极大地培养学生的就业技能；在此基础上,继续深入实施“创新工作室”“学科竞赛”“校企合作”相结合的三平台实践教学,学科竞赛可有效提高学生项目开发能力和团队协作能力,有效地培养学生竞赛技能；创新工作室开展一些创新项目,发挥学生独立思考能力,开展一些具有应用背景的项目,既能发现商机,又能利用专业知识,培养学生的创新技能；校企合作可以更好地开展“产学研”一体化实践教学,使学生参与校企合作开发整个过程,有效提升学生的创业技能。开发具有个性化创新设计,打造高校人才创新创业能力培养、创业孵化和校企人才对接于一体的学习平台,建立“学生+学校+企业”的校企交流平台,培养学生的创新能力。通过实施“二主体、三平台”的实践教学模式,实现“四培养”目标,实现专业知识和创新创业相结合。“四培养”实践教学目标关系如图2所示。

图2 四培养实践教学目标关系

2 构建“二主体、三平台、四培养”的新型物联网实践教学模式

在我校物联网专业实践教学过程中,教学过程中始终坚持分年级理论教学与分层次实践教学相结合的“二主体”实践教学体系,同时大力开展创新实验室、学科竞赛、校企合作的“三平台”实践项目开发平台,以培养学生就业技能、竞赛技能、创新技能、创业技能的“四培养”为教学目标。整合学生、实验室、学校、社会、企业资源帮助学生进行创新创业,贯穿学生大学四年。从大一开始,选择有兴趣学生参观并加入到工作室,明确必须具备专业技能,在学习过程中能较好地把握理论与实践的关系,通过高年级传帮带低年级学生,形成示范效应。在大二期间,帮助学生学习基础知识,精心制作实验项目进行训练,帮助学生掌握基本开发软件和编程语言。在大三期间,通过创新工作室积极开展项目开发,学会项目开发过程,积累项目开发经验,选择优质项目参加学科竞赛,便于与同行院校进行交流提高。在大四期间,选择优秀学生到企业进行实习,同时也会邀请一些企业专家到校任教,让一线的工程师手把手传授项目开发经验,通过由浅入深的系统项目训练,让学生逐渐融入工程师角色。在掌握基本技能和项目开发经验后,学生就可以开发自己的作品作为毕业设计。

据统计,在我校组织的学生参加校内外学科竞赛、大学生创新项目开发及校企联合开发项目中,仅学生自主制作开发的项目年均达100余件,省教育厅和各级领导观看学生作品后,给予高度评价。在国家级及省级学科竞赛活动中,培训学生年均200余人。在组织学生参加的国家级、省级各类学科竞赛中,均取得优异成绩,获得良好的社会荣誉,学生就业率和就业质量得到较明显的提高。

3 结语

“二主体、三平台、四培养”的新型实践教学模式在我校实施6年以来,学生感到学有所获、学有所用,对自己独立设计制作的作品兴奋不已、爱不释手。学生的学习热情和自觉性明显提高,学习成绩显著上升，综合素质普遍提升，主体作用得到充分发挥。该模式有利于培养学生自主学习能力、提高学生实践动手能力、增加学生的知识储备,并为创新创业打下坚实的基础。在对学生进行调查问卷中,很多学生对“二主体、三平台、四培养”实践育人教学模式给予充分的肯定及很高的评价。

参考文献(References)

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