新工科建设背景下物联网工程实践教学研究与改革

黄 伟，刘三民，赵森严

(安徽工程大学 计算机与信息学院,安徽 芜湖241000)

1 概述

在新经济快速发展的背景下，工程教育迫切需要培养专业化、创新型人才，新工科研究日趋成为工程教育创新改革的主流。2016年中国加入《华盛顿协议》，2017年教育部号召新工科研究与实践，从“复旦共识”到“天大行动”，继而到“北京指南”[1]，新工科建设和教育模式探索与创新成为当前工科专业教学研究与改革的热点。在新工科建设大背景下，如何提高工程教育人才培养质量，融合云计算、大数据、互联网等新技术推进传统工科专业改造，突破关键核心技术抢滩战略制高点[2]，改造传统专业及课程、重构课程知识体系、改革教学模式及评价体系、深化产教融合、加强协同创新，业已成为教学改革与实践要面对的主要课题。本文结合我校物联网工程实践教学现状和建设实践，提出一种新型实践教学模式，以求提高物联网工程课程教学质量，满足新工科建设的背景要求。

2 现有教学模式的分析

目前物联网技术体系可归纳为感知层、网络通信层和应用层。感知层涉及到无线传感器网络、无线通信技术（Wi-Fi、ZigBee）、RFID技术、传感器技术、底层执行、微处理器技术、物联网网关、IPv6技术等内容；网络通信层涉及到移动通信技术（3G/4G/5G数据通信、无线通信模组开发、GPRS通信）、In⁃ternet技术、移动互联网技术（Android嵌入式编程、移动互联应用开发、移动硬件开发）、物联网中间件（标准化设计、Web service开发）、数据库（数据库编程及安全、物联网数据库服务）等内容；应用层还涉及到物联网安全及云计算等技术。物联网技术体系复杂，牵涉到网络、通信、软硬件设计开发等很多层面，需要自顶向下、由点及面的理解和把握。

当前物联网工程专业实践课程教学基本围绕着技术和产业发展的架构，物联网工程专业主干课程主要有物联网通信技术、传感检测与RFID技术、无线传感器网络原理与应用、物联网控制、物联网安全、物联网应用与开发等[3]，其主要实践教学环节包括学科基础课程设计和实验，专业课程设计，专业认识实习，专业生产实习，毕业设计（论文）、科技创新实践等。虽然形式不一，但主要目的是通过全方位多层次的实践教学提高学生的工程素养和解决问题的能力。

物联网工程专业课程实验和设计是实践教学的基础环节，也是易于被忽视的重要一环，主要培养学生物联网技术、基本理论方法、工程开发与实践应用的能力；专业实习和毕业实习是检验实践教学效果良好与否的关键。以上教学环节由于多种因素影响，目前还存在一些问题和不足：教学模式陈旧、教学方式和手段单一；在课内实验、实习、毕业设计等实践环节建设及实际教学过程中，教学内容和质量不能很好地满足和适应物联网产业发展需求和技术发展趋势；教学评价主要还是关注于实践报告的书面完成情况，仍不能很好评价和反馈课内实验、专业实习等实践教学的效果。

综上所述，现有的物联网工程实践教学水平不高，实践教学平台亟待建设，实践教学与新工科建设的目标要求还有较大差距，实验教学的效果评价体系尚需进一步完善。因此亟需加快建设物联网工程课程实践实训系统平台，对软、硬件和涉及的教学知识点进行标准化教学，并对授课效果及时评价和监测。为了全面提高物联网工程实践教学的质量，本文结合当前实践教学实际，借力移动智慧教学资源平台，研究并考虑构建物联网技术的实践实训综合平台，实现优化的“一中心、一平台、三终端”的物联网工程实践教学模式。

3 基于“一中心、一平台、三终端”的新型实践教学模式

随着移动互联的发展和成熟，手机、平板电脑等移动设备的应用大量被高校师生所使用，因此在教学过程中，可以有效借助移动平台和云平台，整合相关课程资源、文档，构建和打造智慧课堂，提升师生课堂体验和教学效果，为物联网实践教学模式的改革注入新活力。针对目前的实践教学现状，本文提出一种新的实践教学模式，即“一中心、一平台、三终端”。一中心指的是以新工科建设要求和学生实践应用能力培养为核心；一平台即基于物联网技术体系和课程架构建设完善的实践教学平台设备和环境；三终端指的是围绕实践教学，在实践教学平台的支撑下，学生、企业和教师作为3个终端因素，三者相辅相成，合力协作助推教学模式落在实处。

物联网工程专业的实践教学过程中学生终端是主体，教师侧主要承担辅助指导作用，为实现教学内容与产业实际相结合，企业作为一个重要终端也要融合到实践教学环节中去。例如在课程实验和专业实习及毕业设计环节中，可以在相关物联网技术企业遴选技术专家或工程师团队参与到教学环节，将主流产品、先进技术、优质的设备和方法直接带到实践教学环境中，同时与课程教学团队中的教师也可形成良性协作关系，只有这样才能促进学生工程能力和创新思维的培养。

要实现三终端的高效融入，体现和符合新工科建设的背景要求，最佳的策略是构建一个实践教学体系平台环境，且平台要体现分层多样性的教学特征，将物联网技术体系和课程架构与产品技术、开发流程和问题解决方案相互融合，满足实践教学分层的需要。基于此，可以构建包含基础实验平台、实习实训平台及行业应用平台3个方面的分层实践教学环境，实践平台结构如图1所示。

图1 实践平台结构

第一方面，基础实验平台主要着眼于物联网技术基础理论的核心知识点开展实验教学，重在围绕课程实验夯实学生的实践理论基础，开展针对性实践环节教学，实验平台和环境要与物联网技术体系3个层面上的每个知识点全面有效贯通，培养学生的基础能力，其平台设备环境的设置和选择要具备简单性，便于教学，使学生快速领会相关知识点。同时平台还要具备一定开放性，预留相关软硬件接口，方便学生进行自定义开发设计，为后续更深层次的实践教学做好准备。例如，感知层是物联网的底层，传感器是其中重要的基础部件，可集成压力、温湿度、气体、红外等传感器以及ZigBee无线通信、蜂鸣器、指示灯、伺服电机等设计基于感知层的基础实验平台便于学生学习掌握。

第二方面，实习实训平台定位专业实习和实训教学，在学生掌握一定的基础能力后，综合运用相关课程的若干知识点和各种物联网技术，解决实际应用场景中的问题，通过实例教学让学生感受到物联网的强大应用，这也是实习实训平台与基础实验平台相异之处。实习实训平台环境要依托项目案例为主要载体，提炼实际工程案例丰富教学资源，教学时可将学生分组（group），每个组在企业工程师和教师两端的共同指导下，完成一个小型综合项目。例如在RFID基础实验的基础上，设置RFID综合实验平台，基于各种RFID频段（125K、13.56MHz、915MHz、2.4GHz），模拟利用RFID技术及安全协议[4]，综合实现1个小型资产设备管理系统、文档信息管理系统和小商品标签智能导购应用等。

第三方面，针对毕业设计等实践教学的较高层次，构建成熟的基于行业应用的实践教学应用系统，这是实践教学的最终目标。例如可以选择智能家居物联网系统作为案例切入点以构建一个完整的基于家居控制系统、无线通信子系统、传感器子系统和执行子系统的大平台，实现智能家电、灯光控制、家居环境监测、视频安防监控应用等功能。

4 教学实践

基于本文提出的“一中心、一平台、三终端”的实践教学平台体系，可以有效整合课程群资源，将实践教学目标、内容、方法和产业技术需求、特征和工程相结合。为了进一步放大“一平台”的优势，要大力借助先进的教学手段提升“三终端”的协作效能，此时，作为实践教学的主要参与者，教师终端要起关键性指导作用，目前移动互联和应用无处不在，在实践教学过程中，可以考虑运用移动智慧课堂环境（例如学习通等）有效完成教学内容整合[5]、流程再造和效果评价，与理论教学相似，让学生充分参与实践教学过程。

在实习实训平台层次的教学中，让企业端和教师端共同发挥作用，如邀请一些企业一线的技术工程师和教师共同来完成物联网工程专业的教学过程，二者根据实际应用，设计优化实践环节的教学内容。如利用一些小型综合项目或大案例的子项目，工程师加入到移动课堂中并进行课程指导和管理，就综合问题或项目的具体场景和实现步骤进行详细介绍和指导，同时利用学习通的班级分组功能，将学生进行动态分组，教师团队和工程师可以加入到指导组，这样使得学生能全方位投入到实践教学课堂，实现实践课堂和移动网络课堂的互联对接。

5 结论

基于新工科建设的总体背景和细化要求，针对物联网工程专业实践教学的现状及存在的不足，提出了基于“一中心、一平台、三终端”实践教学平台体系的新型实践教学模式，将物联网分层技术体系融合到整个教学过程中，使课程知识点与技术特征及要点相契合，实践教学能够依托不同应用场景解决实际问题，同时借助移动智慧课程平台，将课内与课外相结合、理论与实际相结合，提升了实践教学的质量和效果，逐步培养学生的工科素养和工程实践能力。