物联网工程专业实践教学体系构建研究

陈 辉，刘向举，蒋社想，刘唤唤

（安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

为应对以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济形态的快速发展，强化创新驱动，支撑服务“中国制造2025”等一系列国家战略，自2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，为新工科建设和工程教育改革指明了方向。新工科建设一方面需要建设一批针对新兴产业的新工科专业，包括大数据、云计算、人工智能、区块链、物联网等，另一方面需要利用新兴技术，如人工智能、大数据等对传统工科专业进行改造升级，以满足经济发展的需求。新工科建设对工科人才培养提出了更高要求，尤其是实践能力、创新能力、国际竞争力方面。物联网作为新兴产业和传统工科专业改造升级的支撑技术，在新工科建设过程中具有重要地位。

物联网工程属于典型的新工科专业，自2010年开设以来为我国物联网领域培养了大量专门技术人才，但由于其涉及多学科知识、涵盖内容广泛，在人才培养方面仍然面临着诸多难题和挑战。首先是专业定位和特色方面存在定位不准确、专业特色不明显、与依托专业区分度不大等问题；其次是大多数高校物联网专业的教师都是从其他相关专业调整而来，对物联网相关理论和应用研究不够深入，尤其是实践应用能力欠缺；此外是人才培养方面存在教学体系不切合实际、实验模式死板、缺少实战技能训练等问题，尤其是缺少有效的实践创新能力培养机制。诸多因素导致学生毕业要求达成度偏低、就业竞争力不强，与培养目标有一定差距。

1 相关研究

针对上述问题，高等院校相关专业教育和管理人员对物联网工程专业的实践教学进行了一些探索和研究，起到了积极的推动作用。例如，文献［5］［6］［9］针对物联网工程专业特色不明显问题，研究了构建专业特色课程体系的方法，指出应结合学校行业背景、地方经济发展特点以及物联网应用领域的特点形成办学特色，避免物联网专业人才培养同质化；文献［7］［8］针对物联网工程专业实践教学存在的问题，基于CDIO 理念构建了由公共基础课、学科基础课、专业基础课、专业课程、创新实践教育组成的课程体系，但没有明确各门课程间的联系和支撑关系，只是简单罗列了各组成部分所涉及的课程；文献［10］针对传统实践教学体系中存在的问题，研究了新工科背景下物联网工程专业的实践教学体系，构建了由实验教学内容改革、竞赛和项目驱动、强化导师指导、校企联合实践基地建设以及激励保障措施构成的实践教学体系框架，但未对课程实践环节进行探讨；文献［11］针对物联网专业实验教学的特点建设模块化实验教学案例，实现了跨专业教学，满足了新工科背景下人才培养的需求，提升了物联网实验教学效果。

物联网工程专业作为适应新兴产业和新技术需求而设立的新工科专业，大多以计算机科学与技术专业为主要依托专业，部分高校以电子信息工程、通信工程等专业为办学基础。不同依托专业导致其专业培养目标存在一定差异，课程体系设置也会有所不同。从工程教育专业认证和国家一流专业建设的角度来看，物联网工程专业应被纳入计算机科学与技术学科。因此，本文以安徽理工大学计算机科学与技术专业为依托，针对目前物联网工程专业实践教学中存在的主要问题，系统梳理专业课程之间的关系，构建了多层次的物联网工程专业实践教学新体系，形成了3 个主要专业方向，为培养具有较强实践能力和创新能力、满足新经济发展需求的物联网专业人才提供支撑。

2 实践教学中存在的主要问题

物联网工程专业课程体系包括理论课程和实践课程，前者培养学生掌握基础理论知识和专业知识，后者培养学生运用知识解决问题和创新实践的能力，与理论教学相互支撑。一般而言，理论课程的设置应具有良好的系统性和连贯性，包括通识课程、专业基础课程和专业课程，相对应的实践课程也应由易到难，循序渐进。物联网工程专业涉及多学科领域，教学内容涉及面广，与依托专业的交叉度高，然而目前其课程设置没有很好地体现实践课程体系的相对独立性、连续性和完整性，实践环节仍然沿用传统的教学模式，具体体现在以下几个方面：①实践课程之间的关系不明晰，没有针对物联网专业的特点和培养目标进行系统构建，导致教学和培养目标不明确；②实践课程设置没有体现物联网体系架构的特点，课程设置跳跃性较大，实践环节之间孤立、缺乏连续性，导致学生学习困难；③实验和实践平台没有针对专业方向和特点进行建设，不能有效发挥作用；④开放实验和综合实验环节设置不足，大多是实验箱层面的知识点重现，没有对相关专业知识进行综合运用；⑤实践教学仍然停留在实验室层面，与工程实践相结合的环节偏少，尤其是企业参与的实践教学环节严重不足，导致学生的工程应用和实践能力不强。上述问题在一定程度上影响了实践教学效果和学生创新能力的培养，是物联网工程专业建设过程中亟需解决的问题。

3 物联网工程专业实践课程体系构建

实践课程教学新体系由课程实验、课程设计、实习和实训、科技创新实践等部分组成，形成了从点到线、从线到面、从面到体逐层递进的实践过程。其中，课程实验以知识点的形式锻炼学生的动手能力，使其打牢课程的理论基础并掌握重要知识点；课程设计环节以综合运用某门课程的知识点解决问题为目标，实现核心知识的融会贯通；实习实训环节针对某一复杂问题或应用案例，训练学生综合运用多门专业课程知识解决问题的能力，同时加强学生对企业需求的了解，达到校企之间的有效对接；在科技创新实践部分，通过学科竞赛、创新创业项目、科研训练和企业项目等环节实现一定程度的理论和技术创新；最后通过毕业设计环节全面检验学生综合运用专业知识的能力，培养其独立分析问题、查阅文献和资料、提出模型和方案、搭建和实现系统、解决实际复杂工程问题的实战能力。

3.1 课程实验

物联网工程专业的培养目标是使学生在毕业后5 年内具备物联网工程师的专业技能，胜任物联网应用系统软硬件的设计开发、系统测试、数据处理和项目管理等工作。因此，本文专业课程设置了3 条主线和专业方向，分别为物联网感知控制（嵌入式）、物联网应用端软件开发和物联网大数据处理。每个方向对应的主要课程为：①物联网感知控制（嵌入式）：C 语言→汇编语言→单片机技术→传感器技术→RFID 射频识别技术→ZigBee 无线传感器网络（短距离通信技术）→嵌入式系统→物联网控制；②物联网应用端软件开发：Java 语言→数据库→WEB 应用开发→Android 应用开发；③物联网大数据处理：Python 语言→数据库→大数据技术→数据挖掘。

此外，相关专业基础理论课程应包括数字逻辑、电路与电子技术、数据结构、计算机组成原理、操作系统、计算机网络等。基于理论课程之间的关系构建出物联网工程专业的实验教学体系，其围绕3 条主线展开，主线之间可以交叉，但应保证每条主线课程以及基础理论课程之间的前后关系。构建的课程实验教学体系如图1 所示。可以看出，3 条主线对应实验课程的前后衔接关系以及3 条主线之间的联系，避免了课程实验之间出现较大的跳跃性和不连续性。同时，课程体系体现了物联网的3 层架构，即物联网感知层（传感器技术、RFID 技术、单片机技术等）、网络传输层（计算机网络、无线传感器网络等）、综合应用层（数据库、大数据技术、数据挖掘、WEB 应用开发、移动应用开发等），有利于学生在学习过程中循序渐进，系统掌握专业基础知识与技能。

3.2 课程设计

课程设计是进一步加强专业基础课程和核心课程理论知识教学的重要环节，是强化学生综合应用能力的重要手段。以专业培养目标为出发点，对C 语言程序设计、数据结构、操作系统、计算机组成原理、数据库等课程进行设计。此外，根据专业方向，以课程设计或大作业的形式开展嵌入式系统、物联网控制、WEB 应用开发、移动应用开发、大数据技术、数据挖掘等课程教学，并设置物联网综合应用设计实践课。课程设计教学体系如图2所示。

Fig.1 Course experiment teaching system图1 课程实验教学体系

Fig.2 Course design teaching system图2 课程设计教学体系

新课程体系既突出专业基础课程和核心课程的重要性，又重视学生专业技能的训练。其中，物联网综合应用设计实践课程综合运用物联网感知层、传输层、应用层知识，结合专业特色和学校行业背景，有针对性地开展应用设计，如针对矿山人员进行定位、矿山安全监测和预警、矿山设备健康状态监测、煤炭高效精准开采等开展物联网综合应用设计，使设计内容尽可能接近工程应用，有利于提高学生的工程实践能力，也为后续毕业设计打下了坚实基础。

3.3 实习和实训

实习和实训教学涵盖从专业认知到专业技能应用的多个环节，包括认识实习、专业实习、毕业实习、校内实训、企业实训、科研训练等。其中，认识实习环节主要针对低年级学生，使其对专业现状有基本了解，具体包括物联网在不同行业和领域的应用现状，存在的问题以及发展前景。专业实习和毕业实习针对高年级学生展开，使其进一步将课本上学到的知识与生产实践相结合，真正做到学以致用，在实践中发现问题和解决问题，实现校园学习与企业需求的有机结合；同时，为了打牢专业知识基础，通过校内实训平台开展为期2～4 周的实训，对智能交通系统、智能农业系统、智能货架系统、智能照明系统和人员定位系统等模拟项目进行开发和测试等。此外，通过开展企业实训进一步打破学校与企业之间的壁垒，采用线上与线下相结合的方式对学生进行专业培训，采用真实案例作为实训内容，使学生以项目工程师的角色参加项目开发，并进行项目验收和考核。该环节通过多途径培养学生的团结协作能力、组织能力和动手实践能力等。

3.4 科技创新实践

为了培养学生的创新实践能力和科研精神，需要通过多渠道、多平台为学生提供锻炼机会。一方面，专业课程体系中需设置科研训练实践课程和毕业设计环节；另一方面，学生必须完成一定的创新实践学分，例如可通过参加学科竞赛、学术报告或讲座、创新创业项目、教师科研项目、企业合作项目等获得相应学分，成果形式包括学科竞赛获奖、发表科研论文、授权实用新型专利、发明专利或软件著作权、大学生创新创业项目结题报告、学术报告体会和总结等。

企业深入参与是科技创新实践教学的重要途径，通过深化校企合作和产教融合，共同建立实践教学平台，形成校企合作实践创新教学的长效机制，为科技创新实践教学提供强有力的保障。学生可根据实际情况选择最合适自身的创新实践活动，充分发挥特长和优势，提高创新创业能力、科研能力以及独立处理专业技术问题的能力。

4 实践教学体系实施及其效果

针对物联网工程专业构建的实践教学体系形成了课内与课外、校内与校外不同形式的实践教学环节。课程实验严格按照课程大纲和实验大纲执行，并在每一轮教学后通过课程组讨论的形式对实验内容进行修订和完善。实验成绩按照学生课前准备、课堂表现和实验报告质量综合评定。课程设计内容按照教学目标设定，原则上一人一题，对于分组进行的课程设计必须明确小组成员的分工和设计内容，避免出现部分同学坐享其成的现象。课程设计成绩按照完成质量评定，包括综合运用知识能力、系统功能或算法创新性、答辩情况、设计报告质量等方面。实习和实训环节采用校内、校外相结合的方式，一方面通过校内和校外的实习基地开展各类实习，另一方面通过校内实训平台和企业教育培训机构进行项目开发实训，也可以通过聘请企业导师进行线上项目实训。目前，安徽理工大学已与多家企业和培训机构建立合作关系，如新华三技术有限公司、富士电机（杭州）软件有限公司、中软国际、达内教育、云思教育等。大学生创新创业项目主要针对大二和大三年级学生开展，其可根据自身兴趣点，在教师指导下自主申报不同级别的创新创业项目。学科竞赛是提高学生创新实践能力的重要抓手，教师从大一开始就引导学生积极参加各类学科竞赛，营造全员参与创新实践的氛围，尤其是挑战杯、互联网+以及全国大学生物联网应用设计大赛等，并制定相应的激励措施。企业合作项目和教师科研项目主要针对学习成绩突出、对科学研究有浓厚兴趣的同学，实施精英培养模式，使该部分学生尽早接触科学研究，为进一步学习和深造打下坚实基础。例如，通过与新华三公司共建数字学院，与富士电机软件公司共建联合实验室等实践平台，为学生提供更多参与企业项目开发和实践的机会，其中与企业深度合作开发的基于物联网技术的饮料售卖系统、基于云端的智能家电设备监控系统等使学生对物联网架构、物联网技术应用、企业项目开发流程有了更为深入的理解；通过参与教师科研项目，如矿山灾害监测和云计算管理平台，使学生在数据采集、传输和智能处理等方面的能力均得到较好的锻炼和提升。

通过实施形式多样、逐层递进的立体式实践环节，学生的实践能力明显提高，尤其在创新创业项目申请和获批数量、学科竞赛获奖人数和等级、考研升学率、就业率以及对物联网工程专业的满意度等方面均有较大提高。近3年来，物联网工程专业学生在实践创新能力培养成果方面的数据统计如表1所示。

Table 1 Statistical data of practical teaching achievements in recent three years表1 近3年实践教学成果统计数据

通过表1 可以看出，近3 年来安徽理工大学在大学生创新创业项目、学科竞赛获奖数量、研究生升学人数方面均处于较高水平，2018 年和2019 年本科就业率均为100%；2020 年由于受新冠肺炎疫情的影响，升学率和就业率均有所降低。此外，毕业生问卷调查结果显示，连续3年专业满意度均在97%以上。由此可见，构建的实践教学体系合理有效，能够很好地支撑物联网工程专业学生创新实践能力的培养。

5 结语

通过对物联网工程专业实践教学中存在的问题进行剖析，系统梳理了课程间的支撑关系，明确了专业方向和特色，构建了多层次的实践教学体系。实践结果表明，该教学体系可行性强、有效性高，能够很好地支撑物联网工程专业学生创新实践能力的培养，可为其他高校物联网工程及相关专业的实践教学体系构建提供有益参考。为进一步验证该实践教学体系的有效性，未来需要加强实践课程达成度的评价和分析，为持续改进提供依据。随着新工科建设的不断推进，实践教学体系也应不断调整和完善，在培养学生实践创新能力和解决复杂工程问题能力的同时坚持立德树人理念，为国家培养德智体美劳全面发展、适应新兴技术产业和新经济形态发展需求的高素质专业技术人才。