面向提高专业素养的“物联网应用系统设计”课程实践教学改革的研究

花季伟?姜丽芬?夏玮?刘洋

摘要：由于物联网专业具有多学科交叉融合，物联网技术更新快，社会需求变化快的特点，以及目前高校在物联网人才培养中普遍存在的专业课脱节、实践环节不足等问题，通过“物联网应用系统设计”课程平台，在教学内容、教学过程开展以及课程评价三个方面进行针对性的教学改革，使得学生具有更加完整的专业知识体系结构，明确了学习目标，全面提升了学生的专业素养，为不断完善高校物联网专业人才培养方案提供了有益的探索。

关键词：物联网; 实践教学; 教学改革

一、前言

物联网被誉为继计算机和移动通信之后，第三种社会变革性技术，因此被国务院规划为战略性新兴产业[1-2]。物联网工程是一门综合性交叉学科，涉及计算机、电子、自动化、信息安全等诸多学科，在工农业生产、交通物流、医疗健康、智慧城市等多个领域具有极为广泛的应用前景[3]。

特别是近年来，随着人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展，物联网技术更是呈现出与这些新技术不断融合的趋势[4]。因此，社会对于物联网工程技术人才的需求逐年增加，特别是对掌握全面技术知识，而且具有较高动手实践能力的物联网专业人才的需求极为迫切[5]。

但目前高校在专业人才培养方面，普遍存在重理论、轻实践的问题，课程的设置中对于动手实践环节投入不足，缺少将理论知识与动手实践相结合的环节，而且专业课程内容难以应对社会快速变化的需求，各个专业课程独立开设，这就极易造成课程之间缺少沟通、脱节，内容重复等现象的出现[6]。

同时，物联网专业学生普遍存在对于专业知识的学习目标不明确，不知道自己该学什么、朝哪个方向学习，进而导致学习兴趣不高；对于专业课程知识不能真正理解、灵活运用，融会贯通、形成知识体系，应用到系统实践当中；缺乏系统设计思想、缺乏系统性、整体性、顶层设计思维；缺乏创新性思维；实践动手能力不高，缺乏将专业理论知识运用到实际的能力。

因此，如何根据社会对于物联网专业人才的需求变化，及时调整、更新专业知识教学内容，突出各个专业课程内容的融合，强化实践教学环节，重点提升工程创新能力，培养掌握全面物联网相关知识、高素质的物联网工程技术人才，是当前高校物联网专业人才培养中亟待解决的问题。

二、物联网应用系统设计课程改革方案

针对目前高校在物联网专业人才培养中存在的上述问题，本次课程实践教学改革的目的是将学生已经学习过的专业知识，能够加深理解、融会贯通、灵活运用，相互串联衔接起来；同时通过基于项目开发的课程设计与开发，一方面能够综合应用所学过的各类专业知识，培养实践工作能力，另一方面能够了解物联网行业的最新发展，明确学习目标，激发学生自主创新的能力，锻炼自主学习能力。

本次课程实践教学改革从三个方面进行调整，具体内容如下：

（1）在教学内容中增加人工智能、云计算、物联网系统设计等最新的信息技术，使得学生具备较为完整物联网相关知识体系，同时增加动手实践环节，包括软件编程、硬件设计、焊接等内容。（2）增加企业实践实训环节，让学生真正感受企业实际的工作流程，明确学习目标，提高学习的兴趣。（3）基于项目驱动的课程设计考核方式，通过系统性、综合性和创新性的项目设计与开发，全面提升学生专业素养。

（一）教学内容更新

随着人工智能、大数据、边缘计算等技术的快速发展，物联网也必将向智能物联网（AIoT）方向发展。为了适应社会对于物联网人才的需求变化，本次教改在物联网应用系统设计课程中增加了人工智能深度学习、云计算、智能物联网硬件等内容。

增加人工智能、机器学习、深度学习基本概念，重点通过Python和Tensor Flow框架的编程实践来加深上述知识与理论的理解应用，使学生掌握人工智能深度学习的基本概念、主要技术与方法，为后续能够智能化分析和处理物联网系统产生的海量数据做好准备。

增加并行计算、分布式计算、云计算，大数据处理平台等知识内容，重点通过虚拟环境的搭建与实践，使学生能够掌握物联网计算模式、物联网计算平台的技术与方法，为后续设计物联网计算平台，实现物联网数据的处理做好准备。

增加智能物联网开发板、传感器、无线通信协议以及物联网系统设计等知识，重点通过Arduino物联网开发板以及各类传感器搭建综合性物联网应用系统的实践操作，使学生掌握物联网工程设计的基本方法，能够根据需求快速搭建涵盖多种物联网智能设备的应用系统，为后续毕业设计及就业工作打好基础。

在物联网应用系统设计课程中实践环节，我们设计了三类实验内容，分别是认知实验、验证实验和综合实验。其中认知实验以掌握物联网基本概念、基本理论为主，学生通过实验课程能够对理论讲授内容加深理解，为后续理论与技术的进一步学习打好基础。验证实验应通过实验环节让学生进一步掌握物联网应用系统的设计、开发、调试以及维护等各个步骤，加深对于理论知识的理解与掌握，培养学生在工程实践中，发现问题、分析问题和解决问题的能力。综合实验培养学生综合运用所学物联网相关的理论与技术，解决实际问题的能力。

其中物联网应用系统设计课程中所涉及的实验，应该从认知实验、验证实验到综合实验的原则来进行设计开设，其相对应的实验目的为：熟悉物联网智能硬件、掌握物联网应用系统结构及数据处理到能够进行物联网应用系统的设计与开发。

（二）基于项目开发的课程设计

在正常开展课堂教学的同时，并行开展基于项目开发的课程设计工作。课程设计的总体要求在开学之初就布置给所有同学，然后依次进行项目组队、项目选题、分工、研发、撰写研究报告，最后是现场实物展示答辩。这样可以充分调动大家参与课程设计开发的主动性、积极性，激发学生的创造性、创新性，同时又可以锻炼大家的团队协助能力，组长的领导能力、协调能力。项目开发的总体流程如图1所示。

项目组队：全班同学按每3—5人组成一个小队，进行项目开发，这样既可以进行课程设计的项目研发，又为后续参加各类竞赛做好准备。每组选举一人做为项目组长，负责项目整体管理、协调组员分工、监督开发进度以及最终为组员打分等工作。

项目选题：每组队员充分发挥各自创新、创造活力，以国家近期的发展战略为导向，结合各自熟悉的领域，以及技术特长确定课程设计题目。

项目分工：确定好题目后，进行需求分析、确定系统具体功能、技术路线，然后组长进行具体研发工作划分，包括完成的时间进度。

项目研发：全体项目成员要服从组长安排，严格根据项目进度，倒排工期，确定自己的工作内容、工作目标，制定自己的工作计划，对于尚未掌握知识要自主进行学习。每周组长要进行老师汇报进度，及时沟通调整工作计划。

研究报告：项目研发后期要撰写研究报告，具体内容包括：摘要、需求分析、系统功能、创新点、开发环境要求、硬件设计、软件设计、传输技术、总结、参考文献。

现场展示答辩：项目组最后要调试好系统的软硬件，制作PPT，现场实物展示，PPT讲解，进行答辩。

将物联网应用系统设计的课程设计工作以项目研发的形式开展，首先不占用课堂时间，与课堂教学并行开展，因此可以充分利用学生的课余时间，调动学习的学习积极性；通过项目组成员之间的沟通，不仅可以激发学生的创造性、创新性，而且可以充分锻炼学生的团队协作能力，沟通能力。

其次，项目从构思、设计、研发一直到最终实现的过程紧密衔接，顶层设计没有做好就会导致项目的反复，甚至最终失败，因此要先做好系统的整体设计、顶层设计，所以这就可以很好的锻炼学生的系统设计能力，自主学习能力以及综合分析能力。

（三）企业实践

企业实训环节的目的是要学生真实来到企业现场，感受真实生产实践环境，了解当前社会主流发展的物联网平台产品体系。

企业实训环节也是要以项目组的形式，实际模拟研发公司工作组的管理、协作与协调的工作模式。在企业实践生产过程中，进一步加深了解物联网平台的整体架构和各环节的技术要素。首先要建立“物联网”思维；其次更要培养研发中的自我学习能力；最后以项目为目标，完成产品化平台的整个从研发到生产全过程，以此来帮助学生快速了解、熟悉、适应企业生产研发需求。

企业实训内容主要包括两部分。一是以企业生产车间为基础，实地开展标准焊接步骤及工艺、实验室焊接设备使用、电路调试、故障分析调试、整机组装等生产活动；学习物联网开发板的主要功能、原理和编程技术。二是参观企业智能楼宇实训室，了解智能楼宇实训室视频监控、消防联动、入侵报警、可视对讲系统基本原理与实际应用。

上述实践活动，可以很好地将学生已经学习过电路原理、数字电路、嵌入式系统设计和单片机等专业课知识应用于实践，能够调试解决常见的硬件故障，提高了学生动手实践的能力，同时通过理论指导实践工作，又可以加深对于电路原理、数字电路、嵌入式系统以及物联网系统等理论知识的理解与掌握，达到培养学生综合运用所学理论知识，理论和实践相结合的能力。

同时，在企业实践过程中，要让学生充分锻炼以项目组为单位的协同模式，能够让学生在毕业工作后，快速而顺利的融入企业的工作氛围、掌握实际工作中，跨部门协同研发的技巧和意识。

（四）评价机制

物联网应用系统设计课程的最终成绩根据各个项目组的物联网应用系统完成情况给定，其中教师评价占80%，项目组长评价组员占20%。这样既可以满足最终评价的公平性，又可以锻炼项目组长领导能力，充分调动每个组员完成日常的分工协助。项目完成情况具体包括，物联网应用系统实物展示、现场讲解以及项目研究报告三部分组成。

教师根据每个项目组在这三个环节的表现给出评价，作为期末最终成绩，具体依据为：需求分析（10%）、功能描述（5%）、应用价值（5%）、设计方案（10%）、创新点（10%）、创意独创性（20%）、软硬件设计（20%）、数据传输（10%）、其他物联网技术（5%）、格式符合标准（5%）。教师在课程设计的评价过程中，要重点突出项目的创新性、原创性、独立性；要根据系统最终的完成情况，以及与课程设计报告的匹配程度，同时还要考虑项目组长根据组员对于项目完成的贡献，为每个组员按百分制来打分，最终做出客观、公正的评价。

三、改革成效

天津师范大学计算机与信息工程学院物联网工程专业自2017年在物联网应用系统设计课程教学过程中，实施了上述实践教学改革，取得了较好的成效。

一是学生的学习目标明确了，学习热情有了显著提高，积极参加教师科研项目、各类竞赛以及大创项目，并取得了较好成绩，其中获得全国“互联网+”大赛总决赛金奖一项、铜奖三项，计算机设计竞赛全国一等奖二项，物联网设计竞赛全国二等奖五项、各类省部级竞赛一等二十余项，大学生创新创业项目三十余项。

二是学生通过物联网应用系统设计课程的学习，能够将以前学过的各类专业课程知识真正理解、融会贯通、形成了完整的物联网专业知识体系，将这些知识应用到系统的研发实践当中，进一步提高了实践动手能力，全面提升了专业素养，突出反映在毕业设计质量有了显著提高，毕业生就业与本专业的契合度逐年提升，硕士研究生升学率从2017年不足10%，至2021年已经达到了21%。

四、结语

物联网应用系统设计是物联网工程专业一门重要的专业必须课程，针对目前高校在物联网人才培养过程中存在的问题，以提升学生专业素养为目标，通过在课程中融合人工智能、云计算等最新信息技术，引入基于项目驱动的机制，从教学组织、过程开展、课程评价等多个方面，完善课程设置，系统地培养了学生综合运用多领域知识解决实际问题的能力，激发了学生自主学习和独立创新的热情，后续将进一步进行深入研究，不断探索更加符合新时代特色的物联网专业人才培养实践教学改革方案。

参考文献

[1]教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会编制.高等学校物联网工程专业规范[M].北京：机械工业出版社，2021.

[2]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2017.

[3]吴功宜，吴英.物联网技术与应用[M]，北京：机械工业出版社，2018.

[4]余发军，王双红，林漫漫.基于CDIO理念的物联网课程教学改革与实践[J]，实验室研究与探索，2020，41（10）：172-178.

[5]郭晓然，张总，许燕.物联网综合性创新性项目驱动的实验教学改革[J]，物联网技术，2021，22（06）：16-18.

[6]史学梅，陈宝国.物联网应用系统开发应用型人才培养教学改革探索[J]，北京印刷学院学报，2020，32（11）：56-58.

基金项目：天津师范大学教改项目（No.JGYB01217048）资助

作者单位：天津师范大学计算机与信息工程学院