面向新工科的物联网综合应用教学与实践

夏定纯，秦肖臻，邓在辉

（1.武汉纺织大学 计算机与人工智能学院，湖北 武汉 430070；2.华中科技大学 人工智能与自动化学院，湖北 武汉 430074）

0 引 言

随着国家科技振兴战略布局和传统工科专业改革升级，创新驱动发展不断向前推进。为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，加快工程教育改革与创新，2017年教育部大力推进新工科建设，形成“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》。2018年首批612项“新工科”研究与实践项目发布，意味着高校新工科建设浪潮的到来。经过三年多的努力，围绕新工科专业的建设取得了令人瞩目的成绩，教育部批准了物联网、大数据、人工智能、云计算等新工科专业。通过产学研协同育人计划项目，推动了高校人才培养、评价体系与资源配置等多方面的改革。作为国家倡导的新兴战略性产业，物联网备受各界关注，物联网领域急需相关的专业人才。在此背景之下，物联网工程专业建设与人才培养面临着机遇和挑战。如何定位物联网工程专业人才培养目标、完善课程体系、深化教学实践和提升综合能力，成为研究和探讨的重要内容。

物联网工程专业是一个多学科交叉融合专业，涉及网络工程、计算机、自动控制、电子技术、通信工程等专业基础知识。物联网工程专业知识覆盖广、技术跨度大、产业涵盖宽、从业人员要求高、工程应用能力要求强。2018年，教育部颁发了《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》，对物联网专业的知识体系和核心课程提出了建议，应培养学生具有“将基本原理与技术运用于物联网及其应用系统的规划、设计、开发、部署、运行、维护等工作能力”。因此，本文结合物联网工程专业特点，定位我校“应用型专业人才培养”目标，围绕物联网工程专业平台建设和人才培养进行了一点改革和探索。通过构建多层次、多单元的物联网专业教学与实践，将基础知识和专业技能紧密融合；运用以成果为导向的OBE教育理念，对课程体系、培养计划、教学模式及专业综合应用能力培养等方面进行改革和实践；研究和探索TREA教学模式，提高学生的综合应用能力和工程创新能力。

1 培养体系的优化

物联网从功能逻辑上可分为三个层次，分别是感知层、传输层和应用层。感知层完成前端数据的采集、处理和识别；传输层负责感知层和应用层之间的数据交换，实现数据的上传和下发；应用层对接收的数据信息进行处理，实现物与物、物与人的感知、识别和管理。由于物联网工程专业知识涵盖广、内容跨度大、技术方法多，在教学过程中存在着实践环节不足、重基础轻应用、教学形式单一、缺乏创新引导、落后于行业发展等问题。因此，优化培养体系、合理组织教学、有效规划实践显得十分重要。

物联网技术应用范围广、发展速度快、工程特征强，培养合格的物联网工程专业人才，需要与时俱进地更新培养体系、探索新教学模式、加强工程实践、提高教学质量。在课程体系方面，加强课程内容整合和课程之间的衔接，保持专业知识的系统性和连续性，突出专业特点，规划教学内容。在实践教学方面，开展多层次的专业课程实践，避免教学过程的单一化和形式化。以新工科教育思想，强化学生工程应用能力，力求做到“课程精，实验强”。

结合我校物联网专业定位和学生情况，对培养计划、教学内容、教学实践和综合应用等方面进行改革，主要体现在专业课程优化和工程实践加强两个方面。图1为课程类学分安排，在总学分有所增加的基础上，将实践课程由原来的19学分（11.9%）增大到45学分（25%）。图2为实践类学分安排，包括通识实践、课程设计、综合实践、创新实践及企业实践。在2020年培养计划中，加大实践类教学的比重，实践学分由原来的2学分增到16学分。

图1 课程类学分安排

图2 实践类学分安排

在专业综合能力培养过程中，采用逐级递进的“3+2”培养方案。

（1）专业训练一：算法设计与编程能力培养。结合专业特点，强化C/C++编程的基础训练，巩固专业基础知识，面向工程、应用，提高算法设计与应用编程能力。

（2）专业训练二：计算机系统与应用能力培养。理解计算机系统内部的逻辑层次，正确认识计算机内部总线和外部总线，掌握传感器基本原理，以单片机技术为基础平台，完成最小系统设计。

（3）专业训练三：嵌入式应用与组网能力培养。理解计算机系统软/硬件相互关系，了解计算机系统外部特征及人机交互模式，掌握组网通信技术（RFID、WiFi、BLE、ZigBee等），以Cortex-A系列为技术核心，以无线网络模块为支撑，面向行业特点，完成应用系统的设计和实现。

（4）综合应用训练：综合能力与专业素质培养。以物联网技术专项与综合应用为主要内容，针对行业应用特点，完成需求分析、系统设计和作品展示。以3～5人为小组单位，强化团队意识，树立攻关精神，分工协作，面向工程，设计物联网专业综合应用系统。

（5）创新实践训练：专业创新与专业能力的培养。通过科技创新、学科竞赛、社会服务等，培养学生主动学习、勇于创新的专业素质。参照2020年《教育部认可的44项全国大学生学科竞赛》以及次年新增的13项，鼓励学生参加学科竞赛，如《全国“互联网+”大学生创新创业大赛》《中国机器人大赛》《中国机器人及人工智能大赛》《中国高校智能机器人创意赛》等，通过学科竞赛，加强实战能力，提高综合素质。

2 教学模式的探索

专业综合应用能力培养也是物联网工程专业建设中的一项重要内容。结合我校教学环境和实验室状况，主要从专业实验室建设和教学模式改革两个方面入手，开展了改革探索和教学实践。在专业实验室建设方面，加强物联网工程专业综合应用平台建设，建立了智能交通系统实景沙盘、智能家居虚拟系统、物联网专业综合实训系统专业平台。以物联网技术架构为指导，更新和升级专业设备和仪器工具。

在教学模式改革方面，探索新方法、新思路，不断提高教学质量和水平。针对专业应用性强、工程能力要求高的特点，提出一种TREA教学模式，主要包含四个环节：

（1）目标（Target）：首先要明确培养目标、做好专业定位。在专业训练一至三阶段，注重专业基本知识与基本技能，强化基本编程能力、系统设计与组网能力；在专业训练四至五阶段，注重专业综合能力和专业素质的培养和提高。

（2）实施（Realization）：制订切实可行的培养计划和具体实施方案，面向工程应用，规划设计、分工协作、渐次推进，完成系统设计、撰写技术报告、提交专业作品。

（3）评价（Evaluation）：以小组为单位，通过课程答辩形式进行课程考核，由相关教学团队和专业教师对小组设计的思路、技术、性能和创新等方面进行评价打分，给出专业指导意见。

（4）达成（Achievement）：任课教师整理分析教学资料和作品案例，优化教学实践内容，形成课程的教学成果。

TREA教学模式的四个部分相辅相成，形成一种目标定位、逐级递进、反馈优化的闭环机制，有较强的可操作性，在实际教学过程中取得了良好效果。

3 综合能力的提高

以TREA教学模式为基础，针对物联网工程专业的应用特点和技术范畴，通过合理组织教学内容和项目案例，加强和提升学生专业综合应用能力。按照专业课程教学目标和工程认证要求，将专业综合应用课程分两个单元展开，见表1所列。单元一为技术专项应用，结合物联网典型技术，强化技术专项的基本应用能力；单元二为技术综合应用，结合物联网应用领域和行业特点，培养学生以系统化的观点进行工程化应用设计的综合能力。

表1 专业综合应用课程设计

在专业综合应用能力培养的过程中，借鉴企业的激励机制，打破传统的固定模式，调动学生积极性和创造性，形成主动参与、积极思考、团结协作的良好氛围。与此同时，适应时代发展与“新工科”要求，及时跟上物联网技术的发展步伐，搭建“端、管、云”一体化的技术架构。

在实际教学过程中，采用了华为云IoT和小熊派BearPi的技术组合结构。小熊派BearPi是一款为华为打造的物联网开发板，功耗低、覆盖广、成本低、架构优，采用窄带物联网NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）通信模组，通过NB-IoT+MCU运行模式，实现前端采集和云端交互。华为云IoT是强大的云平台，具有海量设备接入、设备与云端双向通信等技术特点，支持图形化配置与端侧开发等，将物联网感知、传输与处理紧密融合，为学生提供了一个良好的专业技术平台。

自2014年我校新建物联网工程专业以来，通过优化培养计划、调整专业课程、建立专业实验室、构建专业实训综合平台，使学生在综合应用能力和专业素质等方面得到了明显的提高，在全国多个学科大赛中获得了奖项，取得了一定成绩。

4 结 语

为提高物联网工程专业学生的综合应用能力和专业素养，在课程体系、教学模式和综合应用等方面进行了改革和探索。通过构建不同层次的技术平台，运用TREA教学模式，开展技术专项应用和技术综合应用的教学与实践。专业课程教学评价主要体现在三个方面：①组织课程公开答辩，采取开放式形式，由专业教师和团队骨干对学生的设计成果进行综合评价打分；②开展科技创新活动，通过课程设计，以申请校基金、大型创新项目等为依托，完成科技创新的设计与训练；③参加全国学科竞赛，以教育部57项学科竞赛排行榜为参照，通过参与学科竞赛提高专业竞争和综合应用能力。通过以上不同手段，考查学生是否真正掌握了专业知识、是否具备了专业综合应用能力，使学生普遍感受到压力和挑战，激发他们主动学习、积极探索的热情，鼓励学生团队协作、积极创新，顺利完成学习任务，达到预期培养目标。