物联网可穿戴式设备研发人才工程化培养教学探索

万雪芬，蒋学芹，海 涵

(1.华北科技学院 河北省物联网监控工程技术研究中心，河北 廊坊 065201；2.东华大学 a.信息科学与技术学院,b.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620)

近年来随着物联网技术的飞速发展，智能服装、智能手环、智能徽章、智能纽扣等可穿戴式设备日益得到重视，对可穿戴式设备研发人才的需求越发迫切[1-2]。虽然可穿戴式设备研发领域人才需求量大，就业形势较好，但是国内各院校普遍缺乏专门针对可穿戴式设备研发的教学规划和人才培养体系建设，难以完全匹配该行业企业的用人需求。此外在物联网可穿戴式设备研发中，对人才的工程实践能力要求较高，需要有较强的创新能力与项目管理能力，这也对该领域的人才培养提出了一定的挑战。随着我国大学本科教育中工程化培养模式的不断完善，日常教学中也逐渐深化对学生实践动手能力的培养[3-5]。如能将对物联网可穿戴式设备研发领域的人才需求与大学工程教学的实践动手能力培养相融合，则有望探索出一条新的与产业结合的培养道路。本文探讨了物联网可穿戴式设备研发人才工程化培养教学体系及相应的方式方法。

一、 可穿戴式设备研发对人才技术能力的要求

通过前期对可穿戴式设备行业企业的调研，并结合对往届毕业生的回访，了解可穿戴式设备研发领域的人才需求。现阶段市场主流可穿戴式设备的特点是结构精简，开发周期短，与市场需求结合紧密，对成本控制的要求高。可穿戴式设备研发企业既有华为、小米等大型企业，也有一些小微规模的初创公司。与以往大型设备或系统的开发不同，开发人员在可穿戴式设备的研发过程中往往要涉及多方面的工作。甚至在一些研发情境中会出现一位研发人员同时负责多个项目软硬件的情况，这对其知识结构与工程技术能力的要求更高。

可穿戴式设备研发人员首先应该具有嵌入式系统的坚实基础。近年来，Nordic、TI、Cypress等公司先后推出了面向可穿戴式设备、高度功能集成化的嵌入式芯片平台。这些平台的结构及开发方法与传统的嵌入式系统教学中采用的8051平台有较大不同。可穿戴式设备往往采用低功耗蓝牙技术与智能手机等移动智能设备连接。而以往在教学中缺乏面向该技术的实践环节，亦未将通信纠错编码技术等相关课程环节与之建立有机联系。虽然多数学校的电子信息大类课程中都设置了与Java等有关的课程，部分学校也开设了面向移动端开发的学习内容，但是这些内容与可穿戴式设备研发需求的关联度不够，多数Java开发课程也以面向PC端开发为主。此外在实践教学环节中，学生多以完成课程实验等形式进行学习及考核，难以满足对其进行项目开发能力培养的要求。为培养适应蓬勃发展的可穿戴式设备领域研发需求的专门人才，需针对以上问题进行改革。

二、 可穿戴式设备研发人才工程化培养教学体系设计

可穿戴式设备是物联网的重要应用领域，在设计可穿戴式设备研发人才培养的教学体系时，应在兼顾现有物联网相关课程的基础上进行差异化的教学内容设置，形成教学内容对可穿戴式工程实践教学的有序支撑，进而培养学生的相关能力及研发经验。此外，还应注意到由于物联网领域涵盖众多方向，在教学体系的设计中还应不以牺牲其他物联网方向的人才培养为前提。由于上述特点，可穿戴式设备研发人才的培养体系设计具有较大的挑战性。为解决上述问题，我们在教学实践过程中采用了以创新项目等大学生课题与竞赛为指向、物联网相关课程教学为基础、实践类课程为阶梯、毕业设计为总结的教学思路。

1. 培养对象的选择

在教学体系设计中，首先可通过导入项目机制来确定可穿戴式设备研发人才培养对象。教师设立基于物联网可穿戴式系统的大学生创新项目等研究课题，由学生自由选择或组建面向不同层次可穿戴式系统项目的电子竞赛团队，以有效地选取有志于从事可穿戴式设备研发工作的学生。而依托项目及团队的模式也具有人员稳定、培养目标明确、人员积极性高等优点，并有助于在较具真实性的研发过程中培养学生的项目操作能力与管理能力。教师担任对应项目的指导教师，并在之后的培养过程中进行全程指导。

2. 教学和项目有机融合的培养模式

完成培养对象的针对性选择后，即根据培养计划，在相关课程教学中强化物联网可穿戴式设备领域的知识。物联网大类课程包括“物联网技术”“电路分析”“嵌入式原理”“微机原理”“通信原理”“信息论与编码”“Java程序设计”等。在这些课程日常教学的基础上，由指导教师明确课堂教学中知识点与前述项目的支撑关系，并从工程的角度落实各知识点的应用逻辑与具体技术。在这一过程中，指导教师还应指导学生通过针对性检索获得国内外相关文献，进而掌握该方向的国内外研究现状与发展趋势。在实践类课程中，鼓励学生应用项目中学到的知识解决问题。尤其是在创新性实验或者自选实验教学部分，指导教师将项目相关的研发内容进行分解，让学生在课程实验的环境中完成。在毕业设计环节中，指导教师根据项目完成情况，设定基于项目内容的拓展题目，由学生参照之前的项目积累完成。在体系构成中，形成从依托团队的选材到工程化拓展训练的逐层递进。

三、 可穿戴式设备研发人才工程化培养教学的实践

在教学实践中，团队组建依托“大学生创新实验计划项目”。根据可穿戴式设备研发人才培养的需求，分别设立用于温湿度感知的智能手环、低氧监测的智能头盔和人体运动检测马甲3个项目。这3个项目都包含硬件设计与移动端APP设计的内容。依托项目组建3个团队共计12人，团队成员的知识与专业背景覆盖了计算机、自动化、通信与电子领域。在项目申报前，明确团队的组成与管理结构，并依照团队成员的知识背景进行任务划分。项目指导教师即为团队的指导教师。

1. 硬件平台的构建

为了面向可穿戴式设备在硬件平台的实际工程需求，在开发中基于Cypress公司推出的面向物联网应用的PSoC-4可编程片上系统平台构建硬件结构。PSoC-4基于ARM公司的Cortex-M0型MCU，并在单芯片内整合了蓝牙、UDB、CapSense等丰富的开发资源。其结构代表了未来主流的可穿戴式设备芯片平台。而其开发环境简单易用，元件功能采用可视化模块封装开发模式。其编程语言可以使用C语言和Verilog语言，可衔接前期基础课程教学中的对应内容，也可作为学生专业课程实践的支撑。因此将其作为学生的硬件开发平台可较好地衔接学生的知识背景与可穿戴式设备企业产品研发的现实需求。

2. 人才培养和理论教学的联系

在依托课程进行可穿戴式设备开发知识构建方面，可侧重于以下两个方面：

(1) 依托PSoC-4平台构建其与现有电子通信类课程的联系。电子通信类课程包括“电路分析”“嵌入式原理”“天线原理”“通信原理”“信息论与编码”等。指导教师根据相关课程的教学体系，利用PSoC-4平台引导学生从实践角度运用UDB等内部模块，深入了解及设计比较器、PWM、逻辑门电路等数字电路模块，用其支撑学生嵌入式C语言编程能力的提高，并强化对应可穿戴式设备的相关知识点。如在“天线原理”的课后大作业中，指导学生设计MIFA等结构的可穿戴式设备天线，学生不仅较好地完成了课程要求的工作，取得了喜人的课程成绩，而且深入认知与实践了可穿戴式天线的设计方法，掌握了可穿戴式设备天线工程设计所需的知识结构。

(2) 在“先进电子系统分析与设计”“射频电子实验”“Java程序设计上机实验”等实践类课程中，依托课程实验安排，分别将温湿度感知智能手环中的温湿度传感器读写部分、低氧监测智能头盔中的氧气检测部分及人体运动检测马甲中的陀螺仪读取部分等内容融入到课程创新实验中，并由指导教师与任课教师共同协作，强化对应的实验环节，从工程实现的角度量化实验考评，提高学生的实践能力。

3. 人才培养和实验教学的结合

在上机实验环节，重点设计了针对Android的eclipse平台Java语言开发，最终以APP的形式作为量化考核指标。当学生完成项目后进入毕业设计环节，指导教师采用指导性内容与自选性题目相结合的方式设定学生的毕业设计题目，将一些在项目中没有覆盖的知识点加入到毕业设计环节中，进而完善学生的知识结构。由于项目与课程教学体系的有机融合，学生不仅在学习过程中取得了较好的学习效果及考核成绩，而且从理论与实践角度强化了可穿戴式设备领域的知识结构。

四、 教学效果

在面向可穿戴式设备研发人才培养过程中，采用项目机制与课堂教学相融合的方法，通过对学生的日常考察及项目评价，培养对象在以下几方面有较为突出的优势。

(1) 学生通过项目进度规划、项目任务分解、项目工作分配、项目组内合作等项目开展必须经历的环节，学到了项目相关日常管理的体系步骤，为其将来进入相关企业独立地从事产品研发打下了一定的基础。在培养结束后，参与项目的学生都具有一定的独立完成项目管理工作的能力。

(2) 通过将项目中各环节与课程内容有机结合，学生在课程学习过程中获得了对可穿戴式设备相关知识的深入认知，构建了对应的知识体系，并且在教学实践过程中体现了相对于其他学生的较高水平的动手能力。尤其是对于一些动手能力较强的学生，项目/课程考评机制的改革更能体现其长处，进而激发了其动手实践环节的积极性。

(3) 融合项目的教学机制解决了以往类似项目开展中项目研究与日常教学脱节的问题。由于项目与课程的相互促进作用，学生的学习热情高涨，极大地发挥了他们的主观能动性，进而优化了培养效果。而实践内容也完善了对应课程的教学评估体系，丰富了其内容与层次性。通过相关的学习，参加可穿戴式设备研发人才培养的12名学生中除2人考取研究生外，其余10人中有7人进入到了物联网可穿戴式设备相关领域工作。通过跟踪调查，用人单位对这些毕业生的工程能力给予好评，他们的岗位薪资也处于同行业较为上游的水准。

五、 结语

近年来， 社会上对可穿戴式设备开发设计

人才的需求日益迫切。我们通过前期调研，在了解可穿戴式设备开发对人才技术要求的基础上，进行了可穿戴式设备研发人才工程化培养教学体系设计，并进行了可穿戴式设备研发人才工程化培养实践。通过教学实践，在不对现有课程教学体系进行根本性修改的前提下，探索了一条可穿戴式设备研发人才工程化培养的道路，取得了较好的人才培养效果。