物聯網工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力和科研能力培養(yǎng)方式探討

李華瑋　彭紅梅　程媛

摘要：隨著物聯網技術的不斷推廣和應用，社會對物聯網人才的素質要求逐步提高，而物聯網工程專業(yè)學科建設仍處于發(fā)展階段。文章在分析這一現狀的基礎上，對物聯網工程專業(yè)人才創(chuàng)新實踐能力和科研能力培養(yǎng)方式進行探討，為培養(yǎng)能夠從事物聯網工程應用相關工作的高層次、高素質的復合型和創(chuàng)新型技術人才提供思路。

關鍵詞：物聯網；智慧地球；創(chuàng)新能力；科研能力

0、引言

物聯網技術在世界范圍內被關注才只有十幾年時間，而引起重視并獲得快速發(fā)展也只是近幾年的事情，卻已經開始在軍事、工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、建筑、醫(yī)療、空問和海洋探索等領域投入應用。隨著教育部批準各高校開設物聯網工程專業(yè)課程以來，國內具有一定教學和科研基礎的高校陸續(xù)響應，積極投入師資力量和硬件資源。物聯網工程專業(yè)屬于計算機、通信、電子等多領域的交叉學科，各院校物聯網工程專業(yè)的培養(yǎng)目標基本是培養(yǎng)具有多領域基礎理論知識和創(chuàng)新實踐能力的復合型人才。

根據當前國內物聯網技術以應用為先導的特點，大部分高校在注重物聯網理論知識體系架構的同時，還加強對學生工程實踐能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)為我國工業(yè)化和信息化融合、為信息產業(yè)服務的高層次、高素質的復合型和創(chuàng)新型技術人才。顯然，物聯網技術的不斷推廣和應用使得社會對物聯網人才素質的要求逐步提高。面對21世紀信息化時代的挑戰(zhàn)，如何培養(yǎng)面向廣大應用市場需求的物聯網工程專業(yè)人才和科研人才，成為現階段物聯網教育領域的一項研究課題。

1、物聯網工程專業(yè)人才培養(yǎng)的基本要求

物聯網的技術架構可以概括為C3SD，即建立在傳感網絡fsensor network）之上的通訊（communication）、計算（computation）、控制（control）、數據海（Data Ocean）集成的架構。物聯網由通訊系統、計算系統、控制系統、感知系統和數據海5大技術系統支撐。

物聯網工程專業(yè)的實踐課程必須是以物聯網體系結構為核心進行設計和技術開發(fā)。相應地，我們在學生培養(yǎng)的不同時期設置不同的物聯網專業(yè)實踐課程，使學生循序漸進地學習和運用物聯網5大技術的不同層次的開發(fā)和集成應用，具有較強的物聯網技術綜合應用和工程實踐能力，能夠從事物聯網應用系統規(guī)劃、設計、實施、管理和維護等相關工作。

2、物聯網工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式

以物聯網專業(yè)的需求為引導，學生針對不同的應用方向和已有物聯網領域知識進行創(chuàng)新，通過技術創(chuàng)新鞏固已有的物聯網專業(yè)理論知識，形成將理論學習與運用創(chuàng)新相結合的良性循環(huán)，在注重物聯網理論知識體系架構的同時，也加強對工程實踐能力的培養(yǎng)。

2.1 物聯網工程專業(yè)知識學習

物聯網工程專業(yè)學生培養(yǎng)方式的側重點在于全方位的計算機硬件、軟件以及物聯網理論知識的學習，而不局限于單一行業(yè)的知識運用需求。區(qū)別于計算機專業(yè)學習，物聯網工程專業(yè)知識學習更加注重學生的專業(yè)應用實踐能力培養(yǎng)，將計算機知識如數據結構和算法、編程語言設計、數據庫等運用到物聯網實際應用領域中，通過數據處理、算法分析、系統開發(fā)等實際應用驗證計算機和物聯網理論知識。

學生可以通過算法和理論進一步理解物聯網技術原理，尤其是通過相關實訓應用程序開發(fā)（傳感器原理及應用、REID原理及應用、傳感器網絡原理及應用、數據處理與智能決策、物聯網通信技術、物聯網控制、物聯網信息安全等）進行物聯網理論和方法相關課程的創(chuàng)新思維培養(yǎng)，達到創(chuàng)新性學習。

2.2 以工程應用需求作為創(chuàng)新性培養(yǎng)方向

基于工程應用需求的物聯網工程專業(yè)學生培養(yǎng)模式建立在市場對物聯網工程專業(yè)學生有較高的物聯網發(fā)展洞察力、解決特殊問題的創(chuàng)新能力等要求基礎上。學生需要結合自身專業(yè)特色對當前物聯網工程應用需求進行深入分析，找到切入物聯網的興趣點，將物聯網理論和技術運用到實際問題中，如智能交通、智能倉儲，進入運用理論解決問題以及利用問題促進理論創(chuàng)新的良性循環(huán)。

將計算機、物聯網理論和工程應用相結合，為物聯網理論創(chuàng)新性教學提供了一個方向。目前，計算機學院已建設智能交通、智能倉儲等實訓綜合平臺，基于工程應用需求不斷更新和優(yōu)化實驗教學內容，強化學生實訓和實踐能力鍛煉，采用項目案例庫的方式培養(yǎng)學生物聯網工程設計能力和開發(fā)創(chuàng)新能力。

2.3 以學生為中心的自主創(chuàng)新

在培養(yǎng)物聯網工程專業(yè)學生創(chuàng)新能力的過程中，我們更需要注重學生的自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)，允許學生自主選題并自主研究，將自身興趣、專業(yè)知識和研究方向緊密結合，尊重學生的思想獨立性，引導學生根據已有的計算機和物聯網工程專業(yè)知識和自身的興趣愛好，結合物聯網技術具體應用，選擇自主研究領域。同時，為學生提供開發(fā)資源如開發(fā)平臺、數據庫系統、RFID+GPS物流管理系統（利用RFID技術、GPS定位技術、自動控制技術以及網絡通信設備等搭建物流管理實驗平臺）等，讓學生從實際應用中體會物聯網的體系結構，針對不同的物聯網技術應用方向開展具體的研究并不斷創(chuàng)新。

在此基礎上，引導學生從計算機技術的角度思考物聯網技術問題，鼓勵學生從計算系統以外的角度進行系統創(chuàng)新，將計算機和物聯網理論知識與實際的工程運用需求相結合，培養(yǎng)物聯網工程專業(yè)學生的專業(yè)素養(yǎng)和實踐能力。

3、物聯網工程專業(yè)人才自主科研能力培養(yǎng)方式

面對物聯網技術和計算機學科的不斷發(fā)展以及科研成果的不斷涌現，如何將學科的新理論、新技術、新方法引入實驗教學，使實驗教學真正緊跟學科發(fā)展，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和自主科研能力的高級專業(yè)人才，成為物聯網專業(yè)教育工作者面臨的新問題。

武漢大學計算機學院有豐富的科研成果，尤其在計算機軟件體系結構、軟件工程、計算機網絡技術、計算機應用、物聯網技術、虛擬現實技術等研究領域具有鮮明的科研特色和優(yōu)勢。在物聯網專業(yè)實驗教學體系建設中，計算機學院充分利用科學研究、合作交流等方面的資源和成果，打造具有自身特色和優(yōu)勢的實驗體系品牌，促進科學研究與教學實驗體系建設之間形成良性互動，構建通暢的教學與科研互動渠道，實現資源全面共享，同時將當前的科研成果融入實驗教學，以培養(yǎng)物聯網工程專業(yè)學生的自主科研能力。endprint

我們以移動三維虛擬地球軟件平臺為例詳細說明。智慧城市作為一種熱門應用，涵蓋了云計算、物聯網、TD-LTE、高端軟件、集成電路、下一代網絡（NGN）等多種前沿技術。近些年來，物聯網與智慧城市也從起初的兩個新鮮概念，在技術進步和應用需求的潛在推動下越走越近。物聯網是智慧城市建設的途徑，智慧城市建設又為物聯網技術和產業(yè)的發(fā)展提供廣闊的空間。目前，三維虛擬地球是智慧城市的主要依托平臺，是結合計算機仿真、物聯網、地理空間信息、數據庫、智能分析等前沿技術構建的數字地球模型，能夠實現對全球地理數據無縫、多尺度地瀏覽和互操作。

三維虛擬地球軟件平臺是當前相關技術領域的研究和應用熱點，是計算機技術、物聯網技術與GIS理論技術緊密結合的產物，也是信息化社會的建設需求，因而更具有前沿性和應用性。隨著計算機硬件技術的發(fā)展，平板電腦以靈活、方便攜帶等特點，在移動操作系統的支持下得到廣泛應用。與此同時，物聯網技術近幾年的快速發(fā)展，也積極推動了移動三維虛擬地球軟件平臺的研究和應用。移動三維虛擬地球軟件平臺和傳統虛擬現實系統平臺主要有以下幾個方面的典型差異：（1）平臺硬件限制；（2）應用方向明確；（3）服務器需求更高。對此，我們從物聯網技術運用的角度出發(fā)，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。移動三維虛擬地球軟件平臺使用先進技術，可與社會需求無縫銜接。這些科研成果在實驗教學中的使用有效地增強了學生綜合運用知識、解決實際問題的能力，更重要的是激發(fā)了學生的學習興趣，增強了自信心，開拓了思維能力。

結合工程應用的需求和該平臺可擴展的特點，為物聯網工程專業(yè)的學生提供廣闊空間，不僅讓學生掌握虛擬平臺中軟、硬件系統各個部件的原理，而且讓學生系統地理解多種部件的集成。我們從工程應用角度、用戶體驗、發(fā)展前沿3個方面進行理論和應用創(chuàng)新，在學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)上取得了重大突破。

3.1 針對終端硬件的創(chuàng)新實踐

移動終端有CPU、GPU、管線等硬件性能差異，傳統的虛擬現實系統平臺軟件無法高效運行，單一地從GIS算法方面進行創(chuàng)新改進，不能從根本上改善這一現狀。我們引導對嵌入式開發(fā)感興趣的物聯網工程專業(yè)學生，結合已有的計算機硬件理論知識，從嵌入式設備軟件設計原則的角度出發(fā)，設計針對移動終端的三維虛擬地球軟件框架，改善傳統GIS算法性能。同時，針對移動終端的硬件特性鞏固計算機嵌入式設備CPU、網絡等方面基礎知識，在傳統虛擬現實交互方法的基礎上進行創(chuàng)新，改進虛擬現實的人機交互算法。

3.2 針對不同行業(yè)應用的創(chuàng)新研究

移動三維虛擬地球的應用方向非常明確，即針對電力、農林、漁牧、地下管線、物流倉儲、等方面的不同需求，要求移動三維虛擬地球平臺實現移動數據采集、快速空間分析、高效三維顯示等功能；針對不同的功能特性設計相應算法，如數據采集要求低精度移動設備相機拍攝的數據能夠在后期的數據加工處理中實現影像還原，學生必須在傳統圖像處理算法的基礎上進行創(chuàng)新，實現這一特定功能。我們引導對圖形圖像和傳感器感興趣的物聯網工程專業(yè)學生設計相應的數據處理算法，并在此基礎上進行應用創(chuàng)新實踐。

3.3 針對數據服務器的創(chuàng)新研究

移動設備通過移動互聯網提供面向大眾化的信息服務，但由于受到硬件性能限制，使得用戶在終端無法對海量空間數據進行快速處理，傳統的商業(yè)數據庫如Oracle、sqlserver無法滿足數據預處理的需求，但是服務器端要求能夠針對移動終端的特定數據請求提前進行數據預處理。針對移動三維虛擬地球對數據服務器的特定要求，我們必須采取新型的后臺服務器，對新型數據服務器設計地理空間數據的存儲架構，對數據處理算法進行創(chuàng)新，以滿足移動虛擬地球的數據服務需求；引導對數據庫系統感興趣的物聯網工程專業(yè)學生設計相應的數據庫存儲方法，并在此基礎上進行應用創(chuàng)新和科研實踐。

總之，移動三維虛擬地球軟件平臺這一科研成果轉換為創(chuàng)新實驗平臺，極大地提高了學生學習與實踐的積極性，尤其是促進了學生科學研究能力與創(chuàng)新能力的提高?？蒲泻徒虒W是相輔相成的關系，將科研成果融入教學，加強了實踐環(huán)節(jié)教學，對于提高創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質量具有深遠意義。

4、結語

我們在物聯網工程專業(yè)的實踐教學過程中突出體現知識應用能力、科研素質提高以及創(chuàng)新意識培養(yǎng)，在鞏固學生已掌握知識的同時，注重培養(yǎng)學生在實際應用過程中分析和解決實際問題的能力、自主探索和自主創(chuàng)新意識。針對物聯網工程專業(yè)學生的特點、特長和興趣，我們在計算機和物聯網工程專業(yè)基礎理論基礎上，進一步優(yōu)化物聯網工程專業(yè)不同研究方向的培養(yǎng)模式，利用物聯網應用軟件平臺的科研實踐引導學生提高動手能力和獨立思考能力，使學生具有物聯網工程應用的開闊思維，具備一定的物聯網技術應用創(chuàng)新能力，從而為培養(yǎng)具有知識基礎、創(chuàng)新精神、實踐能力和科研能力的物聯網技術創(chuàng)新人才提供一種教學模式。endprint