结合自动控制模型的物联网人才创新创业能力培养

卫星，翟琰，魏振春，程晓红，王雁

（1.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009；2.合肥工业大学创新创业教育中心，安徽合肥230009）

新一轮科技革命与产业变革、 支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略激发了“新工科”教育理念贯彻的不断深入、专业人才培养目标改革的不断深化。 因此工科类高等学校传统实践教学模式的弊端日益突出，主要表现如下所述。

（1）专业课程的实验配套环节存在着不足。首先实验课程主要是面向书本知识的原理性验证、 简化的方法验证和非控制对象的理想化验证。比如，某些实验只要求学生将把预先提供的程序烧写进系统控制器，观察现象并记录数据； 或者按照样图焊接好芯片和器件上电通过就可以完成。 其次，实验室目前提供的仪器、设备、工具软件主要来自国内厂家生产的实验箱或者教仪，所采用的软硬件技术和主流领域尤其是计算机、电子行业存在相当大的差距， 更新换代的周期亦远远落后于其日新月异的发展速度， 这种实验室环境无法复现或微缩工业现场的情况导致“为学”和“致用”之间出现了一条不可逾越的鸿沟。

（2）生产实习环节暴露的问题更为突出。 一方面，高等工科院校越来越多的将工作重心转移到科研上，疏于实践能力、工程师能力的培养，另一方面近年来随着市场经济体系的建立和完善，许多企业主要出于“安全生产”“技术保密”等方面的立场，对接纳学生实习积极性不高，造成实习安排困难、学生实习期间只能“看”不能“动”和实习效果较差等一系列问题。 工科学生实习仅仅是为了完成论文或者学校规定的学分， 大部分学生毕业前没有进过工厂，没有到过工业生产一线。

（3）对于嵌入式系统的研发过程而言，设计人员经常会出现能够调试电路却很难编写结构化的程序代码，遇到硬件出错无所适从，完成某一相对独立的系统模块却缺乏全面整合设计的能力等问题。 很多公司的主设计师一般都是学硬件出身的工程师在进修软件设计后成长起来的复合型人才， 而科班毕业的软件工程师却很难成为主设计师。 在IC 设计行业，只有精通硬件和软件设计，才能正确地定义和分割系统。

物联网属于计算机、控制、通信、电子、信息安全、系统工程等多领域的交叉学科， 物联网创新创业人才是能够综合运用嵌入式技术、智能技术、计算机和网络等技术，进行信息感知、无线传输、数据存储和处理及应用等方面知识能力的系统工程型和创新性高级工程技术人才。高校学科竞赛是面向大学生、研究生开展的课内外科技活动， 是培养学生创新精神和实践能力的有效载体，是激发潜能和创造力的有力手段，对提升学生的创新思维、创新能力、团队合作精神、实践动手能力具有重要作用。

1 整体方案

合肥工业大学是全国首批获准开办物联网工程专业的30 所高校之一， 该校物联网工程专业于2010年开始招生，并于2011年获批为国家级特色专业。 该专业开办后，通过调研、交流、研讨，该校依托计算机与信息学院的学科和专业优势以及科研积累，制订了“通识教育+交叉学科基础+专业知识+能力训练+创新创业实践”的结合自动控制模型的人才培养模式，以课程教学为基础、学科竞赛为载体、能力训练为手段。 该模式从培养目标与特色出发并结合现有资源和条件， 首先构架多学科交叉课程、校内外综合实训、产学研应用示范训练体系，同时实施管理、服务、保障举措；其次组建多层高维竞赛训练机制， 为学生提供阶梯形能力提升手段，从而在各类竞赛奖项产出的成果中，极大激励学生学习热情、为其创业积累经验、激发其深造兴趣直至产生新的科研思想； 最后通过科学的质量评估方法分析学生、教师、学校、社会各实体的反馈结果，持续改进前述三个环节。 最终形成一套动态修正、 良性循环的“以赛促改，以赛促教，以赛促练，以赛促学”物联网创新创业人才培养体系（如图1 表示）。

2 建立宽基础、重实践、多学科交叉的物联网人才培养体系

2.1 多学科交叉的课程培养体系

（1）制订科学的教学计划。

以转变教育思想和观念为先导，以培养专业人才为目标，以构筑各类人才知识结构为依据，以优化课程体系为手段，科学制定与优化人才培养方案，明确体现先进科学的专业教育思想， 从而切实保证人才培养目标的实现。 具体地，根据专业定位和培养模式，构建专业知识结构，优化现有的专业课程体系和实践环节。在广泛听取行业和用人单位意见的基础上， 综合考虑该专业的师资力量、教学条件等因素，制定与生产实践、社会经济发展需求相结合的培养方案和课程体系， 制订科学合理的教学计划。 人才培养方案的制定与优化过程中，注重学生学科基本理论和思维方法的培养，以及创新意识、创新能力的培养和挖掘，建立创新型人才培养模式。努力实现“三个结合”，即素质教育与专业教育结合，课堂教学与实践教学结合，个性发展与共性提高结合，构建由通识教育平台课程、物联网专业基础平台课程、 实验平台课程和物联网专业特色方向模块课程群组成的多位一体的课程体系。

图1 系统整体方案

图2 专业课程结构

（2）加强课程建设与改革。

以教育部、 安徽省和学校实施的本科教学质量工程为契机，以精品课程和教学团队建设为龙头，以改革教学内容、教学方法和教学手段为保证，带动专业师资队伍建设和课程教学质量建设。一方面，从专业主干课程中遴选若干门专业特色课作为精品课程建设， 以精品课程建设带动专业师资队伍建设和课程质量、教风、学风建设。另一方面，根据教学计划，成立相关的课程小组和教学团队， 由课程组长或团队领头人负责课程调研、课程内容更新、整合，编写和修订课程教学大纲、实验大纲、课程设计大纲、实验指导书、课程设计指导书。

（3）实施“3＋1”和“4＋1＋1”的课程培养方式。

“3+1”模式即在校学习3年公共基础、专业基础课程和专业方向课程， 在企业学习实践和毕业设计累计1年。 在整个四年的学习过程中循序渐进地掌握专业基础必修、专业基础选修、专业方向必修、专业方向选修等层次的专业课程。 多层次的课程体系能够全面地建立学生的专业知识结构，同时突出强调了工程锻炼、工程设计，培养学生的大工程观。课程体系中的实践与课外科技活动类包括：专业基础平台类、专业课程类、大学生课外科技活动、竞赛类、认证与培训类、实践基地实习、毕业设计等多种类型，覆盖从大学第一学期的程序设计一直到毕业设计。这些丰富的课程、课外实践锻炼能够为毕业后的计算机工程实践奠定良好的基础。“4+1+1”模式是指“四年大学本科教育、一年工程一线挂职、一年工程硕士阶段学习”的6年校企联合培养模式。

2.2 知识结构与课程体系的制定与完善

（1）明确物联网知识结构。

物联网的关键技术包括传感器技术、识别技术、计算技术、软件技术、纳米技术、嵌入式智能技术等。物联网知识结构可以分为三个层次，如图2 所示。感知技术通过多种传感器、RFID、二维码、定位、地理识别系统、多媒体信息等数据采集技术， 实现外部世界信息的感知和识别；网络技术通过广泛的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性进行传送，包括各种有线和无线传输技术、交换技术、组网技术、网关技术等；应用技术通过应用中间件提供跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同及共享和互通的功能， 包括数据存储、 并行计算、数据挖掘、平台服务、信息呈现、服务体系架构、软件和算法技术等。

（2）搭建课程体系。

结合该院学科发展的特点和实际情况， 并综合考虑社会对物联网人才的需求情况， 科学合理地制定并实施了物联网工程专业的课程体系（如图2 表示）。

3 理实兼修的校内外实习实训体系

物联网专业的实训内容选题将围绕这些技术展开，具体说明如下（如图3 表示）。

在物联网工程系统理论与方法方面， 重点以重点领域内的物联网工程系统为对象， 以数学方法和计算机技术为主要工具，对物联网工程系统的体系结构、控制策略以及和系统建模、分析、设计、实现相关的理论与方法等方面进行选题。

图3 校内外实习实训体系

在接入网络与通信网络方面，主要从物联网工程的接入层、传输层方面进行选题，包括传统的现场总线/工业以太网，以及多级异构无线网络等。

在嵌入式系统技术方面， 主要从智能终端设备及其协同工作方面选题，包括如何现终端设备多功能、高可靠、小体积、低功耗等要求，还有越来越丰富的物联网服务定制需求。

在展示区方面，主要提供样机系统和体验区，如智能家居场馆、温室大棚物联网、车联网终端、建筑结构健康监测平台等。

4 多要素协同的竞赛参与机制

学生主体：学生既是参与竞赛的主体，又是竞赛的最大受益者。多渠道向学生宣传学科竞赛的意义，动员广大学生积极参加各类学科竞赛， 鼓励组建专业科技社团吸纳更多学生参与， 培养骨干分子发挥带头和示范作用，采取同学教同学、老队员带新队员的方式形成梯队，有计划、有步骤地进行普及性训练，极大地调动学生群体参与学科竞赛的积极性， 以主人翁的态度积极主动地投身到学科竞赛活动中去。

教师主导：教师是学科竞赛引导者。从选手培训到赛前指导，从丰富理论知识到训练逻辑思维，教师有着不可或缺的作用。广大教师积极担任学科竞赛的导师，把课程教学活动与学科竞赛活动紧密结合起来， 建立课内与课外的互动。 许多教授以其丰富的经验将参赛选手带入新技术的应用和科研开发的殿堂， 重视学生的兴趣爱好和特长的培养。

企业参与： 社会力量的参与和支持不仅是教育改革与发展的基础，也是开展竞赛的必要经济基础之一。学科竞赛逐渐为社会认可， 许多企业以不同形式赞助学校的学科竞赛，不仅资助学校的创新型人才培养，极大地激发了学生参加学科竞赛活动的积极性， 有力地支持了学科竞赛活动。

文化熏陶：学校全面构建创新文化体系，形成适合学生创新的校园文化环境和学术氛围。 课外学术科技活动与校园文化活动、社会实践活动有机结合，丰富校园文化的新内涵，培育创新文化。营造一个民主、开放、进取的文化环境， 尊重学生的兴趣、 爱好以及能力趋向， 对学生的创新思想和创新行为给予充分的理解和支持，为学生个性自由发展创造充分的空间，使学生的主体性和个体性得以充分发挥。

品牌引领：结合学科特色和专业特点，集中优势办好各种具有广泛参与度的学科竞赛（如挑战杯、物联网大赛、双百大赛、Robocup、ICPC 等赛事），发挥品牌的示范、带动和辐射作用。不断延展科技竞赛平台的宽度和深度，从而引导和催生学生对学习重要性的认同、对学习知识的兴趣， 形成一种共同的价值取向和努力进取的良好氛围。

5 基于学科竞赛的物联网创新创业人才培养质量评价体系

依据科学的评价标准和客观准确的评价信息，通过对人才培养的创新创业特性进行定性和定量分析，进而对物联网人才的培养过程和培养质量给予客观评价的综合体系。 其基本评价原则为培养的人才是否适应国家和地方经济社会发展、 是否适应国际竞争和经济结构调整需要、是否具有多领域基础理论知识、是否具备“工程基础厚、工作作风实、创业能力强”工程实践特质，是否具备创新创业精神。

基于学科竞赛的物联网创新创业人才培养质量评价体系，采用包括学生评价、教师评价、学校评价和社会评价等多种评价方法， 从不同侧面对竞赛在物联网创新创业人才培养过程中的作用进行科学评价， 进而优化人才培养体系、管理保障措施和多层次竞赛机制，为进一步完善创新创业人才培养模式提供依据。

（1）学生评价。

包括在校学生评价和已毕业学生评价两类， 主要从竞赛活动激励学习热情、具备创新创业基本素质、积累经验进行创业、激发深造兴趣和引发科研思想火花五个维度进行评价，采用的评价形式为问卷调查（见表1）。

（2）教师评价。

教师评价主要是竞赛指导教师和授课教师从竞赛活动激励学习热情、 具备创新创业基本素质两方面对在校学生进行评价（见表2）。

表1 学生评价

表2 教师评价

表3 学校评价

（3）学校评价。

学校评价主要从竞赛活动激励学习热情、 具备创新创业基本素质、毕业去向三个方面进行评价（见表3）。

结合自动控制模型的物联网人才创新创业能力培养体系。 首先构架多学科交叉课程、校内外综合实训、产学研应用示范训练体系，同时实施管理、服务、保障举措；其次组建多层高维竞赛训练机制，为学生提供阶梯形能力提升手段； 从而在各类竞赛奖项产出的成果中，极大激励学生学习热情、为其创业积累经验、激发其深造兴趣直至产生新的科研思想； 最后通过科学的质量评估方法分析学生、教师、学校、社会各实体的反馈结果，持续改进前述三个环节。该方法应用于合肥工业大学物联网相关专业效果斐然， 为物联网创新创业人才培养模式的改革提供了成功经验。