面向高師院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略研究

王楊　殷曉斌　陳付龍　趙傳信　陳少軍

[摘 要]近年來，計(jì)算學(xué)科中的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)受到教育界的廣泛關(guān)注，但是師范院校的自身特點(diǎn)制約了高師院校在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方面的發(fā)展。針對(duì)這一現(xiàn)狀，借助CDIO的教育理念，以安徽師范大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)分層實(shí)驗(yàn)策略與“安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院——中軟國際物聯(lián)網(wǎng)CDIO實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”實(shí)習(xí)中心建設(shè)項(xiàng)目為案例，提出了如何在高等師范院校引入分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)與項(xiàng)目嵌入式教育環(huán)境構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，以增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)能力。

[關(guān)鍵詞]高師院校 CDIO 中軟國際 物聯(lián)網(wǎng)工程

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2014）14-0132-03

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是教育部為服務(wù)國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)而開辦的新型專業(yè)，覆蓋計(jì)算機(jī)、控制、通信技術(shù)、信息安全、系統(tǒng)工程等領(lǐng)域，是計(jì)算學(xué)科發(fā)展的必然。[1]由于其強(qiáng)勁的社會(huì)需求與學(xué)科發(fā)展的需要受到了高等院校和企業(yè)界的共同關(guān)注。近年來，部分高校、高職、高專院校以及獨(dú)立學(xué)院紛紛設(shè)立了“物聯(lián)網(wǎng)工程”、“傳感網(wǎng)技術(shù)”等相關(guān)專業(yè)。從產(chǎn)業(yè)的未來需求來看，由于物聯(lián)網(wǎng)在交通、物流、水電等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，相關(guān)企業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)方面的人才需求十分迫切。從物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)來看，本科生人才的培養(yǎng)類型可以分為理論創(chuàng)新型、工程應(yīng)用型和綜合技術(shù)型。其中工程應(yīng)用型是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的主流。[2]從國內(nèi)當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀來看，面向高師院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的長效機(jī)制尚未形成。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，因此面向高師院校的計(jì)算學(xué)科的物聯(lián)網(wǎng)工程化教育面臨三大挑戰(zhàn)：（1）如何把計(jì)算機(jī)科學(xué)作為工具學(xué)科的教育潛在觀點(diǎn)轉(zhuǎn)化為計(jì)算類的系統(tǒng)學(xué)科教育觀點(diǎn)；（2）如何在保持計(jì)算學(xué)科核心課程的前提下，擴(kuò)展計(jì)算學(xué)科的外延課程，增強(qiáng)計(jì)算學(xué)科的社會(huì)服務(wù)能力；（3）如何在增強(qiáng)計(jì)算專業(yè)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，開展計(jì)算學(xué)科與其他學(xué)科之間的交叉性研究工作。上述三大挑戰(zhàn)在高等師范院校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)方面表現(xiàn)得尤為明顯。因此如何在高等師范院校構(gòu)建有效的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)機(jī)制是一個(gè)迫切需要解決的計(jì)算學(xué)科教育重大問題之一。[3] [4]本文主要探討在面向高師院校如何實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略問題。

一、高師院校物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及分析

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)工程實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容主要涉及控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程。相比于工科院校，高等師范院校培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才在實(shí)踐方面有很大的不足。[4]具體表現(xiàn)在畢業(yè)生的工程實(shí)踐能力偏弱、行業(yè)應(yīng)用背景知識(shí)匱乏、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不足等問題。這些問題的存在嚴(yán)重地影響了高師院校計(jì)算學(xué)科快速發(fā)展。根據(jù)我們的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的高師院校的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在以下三個(gè)方面的問題：（1）實(shí)驗(yàn)教材強(qiáng)調(diào)課程的完整性，忽視了相關(guān)課程之間的融通性。先前的實(shí)驗(yàn)教材通常是一個(gè)獨(dú)立的知識(shí)體，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的全面性，忽略課程之間的相關(guān)性。學(xué)生難以系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)體系。（2）強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)原理性知識(shí)的學(xué)習(xí)，缺乏工程性方法的系統(tǒng)訓(xùn)練。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)往往突出原理性知識(shí)的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)，往往沒有融入一套有效的工程性構(gòu)建方法。學(xué)生雖然知道了基本概念，卻難于實(shí)現(xiàn)具有一定規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。（3）強(qiáng)調(diào)分析式教學(xué)，忽視了系統(tǒng)綜合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容主要采用分析性教學(xué)方法，往往缺乏工程性的方法。進(jìn)一步結(jié)合相關(guān)畢業(yè)生的訴求和ACM/IEEE-CSJointTaskForce的觀點(diǎn)[2]，我們認(rèn)為產(chǎn)生這些問題的原因是多方面的，具體的原因主要包括：（1）高師院校長期辦學(xué)的傳統(tǒng)理念的制約；（2）高師院校的非師范計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的行業(yè)視野受限；（3）課程設(shè)置與教學(xué)方法缺乏針對(duì)性；（4）工程應(yīng)用背景知識(shí)匱乏；（5）教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)相對(duì)較弱。[3]工程技術(shù)人才的培養(yǎng)除了必要的基礎(chǔ)理論知識(shí)之外，更重要的是通過實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力。而計(jì)算學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)需要具備二個(gè)條件：一是熟悉實(shí)踐操作的教師；二是實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的設(shè)備、基地。目前真正具備這兩個(gè)條件的師范院校較少，這導(dǎo)致高質(zhì)量的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)難以開展，以致教學(xué)質(zhì)量偏低。上述5點(diǎn)主要原因?qū)е赂邘熢盒Ｔ谖锫?lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量與工科院校相比，在人才規(guī)格上具有一定的差距，并進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)展空間受到一定的限制。根據(jù)著名軟件TheodoreY的觀點(diǎn)，“科學(xué)家發(fā)現(xiàn)世界上已經(jīng)存在的事物，而工程師創(chuàng)造世界上從未存在的事物”，這一觀點(diǎn)與當(dāng)前國際上最新的工程項(xiàng)目成果CDIO工程教育理念是一致的。[7]我們認(rèn)為，面向高師院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)尤為需要引入CDIO的工程教育理念。CDIO包含構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）幾個(gè)方面的內(nèi)容，它以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。其教學(xué)大綱滿足美國、加拿大和其他華盛頓協(xié)議國家職業(yè)工程師組織對(duì)工科教育的要求，其教學(xué)框架體現(xiàn)了創(chuàng)新的教育思想。面向高師院校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)的CDIO能力培養(yǎng)內(nèi)容如圖1。

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圖1 物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐中的CDIO能力培養(yǎng)內(nèi)容

二、高師院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的分層策略

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是基于當(dāng)前通用的軟件硬件技術(shù)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)全面地展現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。由于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境受限，以及時(shí)間、成本、復(fù)雜度等方面的限制，物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能在物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層相關(guān)技術(shù)中進(jìn)行篩選。我們將物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)歸入三類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之上，具體內(nèi)容如表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)三類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及內(nèi)容

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在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為保證每個(gè)學(xué)生都能更好地理解物聯(lián)網(wǎng)課程知識(shí)，兼顧不同層次學(xué)生的求知需求，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，我們采用了層次化的實(shí)踐教學(xué)策略，分別為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、課程延伸實(shí)驗(yàn)。下面以物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)為案例進(jìn)行介紹。

（一）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)使用EL-JY-II型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱，以“基板+開放式CPU板”的形式構(gòu)成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要求學(xué)生根據(jù)功能結(jié)構(gòu)圖和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，分析概括實(shí)驗(yàn)步驟，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，寫實(shí)驗(yàn)小結(jié)。在實(shí)驗(yàn)箱上完成的主要是原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)箱上是難以進(jìn)行的。

（二）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

為降低設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)難度，可使用FPGA進(jìn)行嵌入式的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用硬件描述語言進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。首先在PC機(jī)上利用EDA工具進(jìn)行功能仿真，最后下載到芯片中進(jìn)行功能測(cè)試。整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，不僅使同學(xué)們初步了解硬件芯片的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)的過程及相關(guān)技巧，更增強(qiáng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。對(duì)于這類實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的興趣較大，不僅完成既定設(shè)計(jì)目標(biāo)，有的學(xué)生還提出了獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和科研工作奠定基礎(chǔ)。

（三）拓展實(shí)驗(yàn)

在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，微程序控制是課程設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，由于微程序控制單元看不見、摸不著，學(xué)生對(duì)涉及的許多概念如：微程序入口地址、微指令格式、下址等概念難以理解，通過設(shè)計(jì)、調(diào)試、下載和驗(yàn)證過程，可以深刻理解微程序控制嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)，了解軟硬件協(xié)同工作的原理，建立整機(jī)的概念，可以培養(yǎng)學(xué)生完成工程項(xiàng)目的能力。我們的做法是將此內(nèi)容與畢業(yè)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合在一起。

在上述的分層實(shí)驗(yàn)策略中，我們一方面將課程的基礎(chǔ)知識(shí)借助實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行鞏固，另一方面將CDIO實(shí)驗(yàn)理念分別融入設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與拓展實(shí)驗(yàn)中。由于物聯(lián)網(wǎng)課程內(nèi)容的系統(tǒng)化與復(fù)雜性，因此后兩類實(shí)驗(yàn)更具實(shí)效性。

三、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程教育環(huán)境構(gòu)建策略

根據(jù)全國高等師范學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)提出的教育創(chuàng)新的需求[6]，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程教育環(huán)境需要采用新的視角加以構(gòu)建。下面以安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院與中軟國際公司的合作項(xiàng)目為案例，介紹高師院校如何依托企業(yè)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教育環(huán)境。中軟國際是中國大型綜合性軟件與信息服務(wù)企業(yè)，提供從IT咨詢服務(wù)、IT技術(shù)服務(wù)、IT外包服務(wù)到IT培訓(xùn)的“端到端”軟件及信息服務(wù)。

因此，為了有效實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)，我們與中軟國際合作，共同構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)CDIO實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)基地，雙方以項(xiàng)目的形式加以實(shí)施。這種合作方式有效解決了高等師范院校的工程教育環(huán)境的建設(shè)問題。將CDIO的教學(xué)理念既融入學(xué)科課程體系安排和整體教學(xué)實(shí)施上，還滲透在具體專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐中。

在構(gòu)建了基本的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，我們還引入了基于物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用背景的項(xiàng)目教學(xué)法。指導(dǎo)學(xué)生主持創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)類實(shí)踐課題，進(jìn)行“實(shí)戰(zhàn)性的項(xiàng)目開發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生參加各項(xiàng)設(shè)計(jì)類競(jìng)賽”，以賽促學(xué)，學(xué)以致用，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維的訓(xùn)練，養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣和工作作風(fēng)；充分利用各種平臺(tái)，開展學(xué)科前沿交流，拓展學(xué)生視野，鼓勵(lì)學(xué)生探索學(xué)科前沿領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的探索意識(shí)和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生的主體意識(shí)，提高學(xué)生獨(dú)立解決現(xiàn)實(shí)問題的能力，使之成為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的實(shí)用型人才。這些具體舉措使得CDIO的內(nèi)容全方位地融入物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)中來。從已有實(shí)際效果來看，本文提出的教學(xué)策略具有較好的成效。

四、結(jié)語

如何構(gòu)建面向高師院校的計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人才培養(yǎng)體系是目前高等師范院校學(xué)科建設(shè)與專業(yè)發(fā)展過程中所面臨的重大課題之一。這需要改變師范院校以往理論強(qiáng)、實(shí)踐弱的局面，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。我們針對(duì)高等師范院校在工程技術(shù)人才培養(yǎng)方面的不足，結(jié)合安徽師范大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)的具體實(shí)際，借鑒CDIO教育理念進(jìn)行了面向高師院校的工程教育改革的有益嘗試，并進(jìn)行了具體實(shí)踐，取得了一定的效果。今后我們將進(jìn)一步深化加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程教育環(huán)境的建設(shè)，吸收新的工程教育理念，培養(yǎng)社會(huì)需求的，與國際接軌的現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)綜合性工程技術(shù)人才。

[ 注 釋 ]

[1] 周曉聰，衣楊，賴劍煌.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合實(shí)踐課程教學(xué)模式探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（1）：60-63.

[2] 王楊，許勇.高師院校非師范計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)新途徑[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（8）：4-10.

[3] ComputerScienceCurricula2013FinalReporthttp：//robotics.st？鄄anford.edu/users/sahami/CS2013/.

[4] 陳付龍，齊學(xué)梅，羅永龍等.創(chuàng)新能力驅(qū)動(dòng)的層次化計(jì)算機(jī)硬件課程群構(gòu)建與實(shí)施[J].大學(xué)教育，2014（2）：39-42.

[5] 吳恭興，劉文白，張寶吉等.基于CDIO模式的卓越工程師培養(yǎng)方案的探索與實(shí)踐研究[J].大學(xué)教育，2013（9）：7-10.

[6] 教育部，高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).忠于使命積極努力承上啟下改革創(chuàng)新[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（21）：1-9.

[7] EdwardF.Crawley，查建中，JohanMalmqvist，DorisR.Brod？鄄

eur.工程教育的環(huán)境[J].高等工程教育研究，2008（4）：13-21.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]