工程實踐與科技創(chuàng)新的物聯網開放實驗室建設

安　健, 桂小林, 楊麥順

(西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安　710049)

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工程實踐與科技創(chuàng)新的物聯網開放實驗室建設

安健, 桂小林, 楊麥順

(西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安710049)

針對傳統(tǒng)物聯網實驗教學在學生思維自主能力的培養(yǎng)、課程體系銜接、設備實用性等方面的不足,以學生工程實踐和科技創(chuàng)新為立足點,介紹了物聯網開放實驗室的建設情況,通過構建軟硬件一體化的實踐創(chuàng)新平臺、開設基于專業(yè)融合和系統(tǒng)能力培養(yǎng)的開放課題、建立大學生科技創(chuàng)新培養(yǎng)基金、探討多元化的人才培養(yǎng)模式和科學有效的管理機制等措施,實現以專業(yè)融合為特征、工程實踐和科技創(chuàng)新為目標、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導向的新型實踐教學模式。

物聯網； 開放實驗室； 工程實踐； 科技創(chuàng)新

工程實踐與科技創(chuàng)新是物聯網專業(yè)人才應具備的基本能力。面向物聯網專業(yè)學生開展的系統(tǒng)能力訓練與工程實踐活動將成為該專業(yè)人才培養(yǎng)和學科建設中的一項重要內容,也是踐行“雙實雙創(chuàng)”,推動人才應用能力提升與就業(yè)保障的重要手段。

物聯網專業(yè)是近幾年為響應國家號召,實現復合型人才培養(yǎng)理念,在國內多所高校設立的一個新興專業(yè)。無論從專業(yè)教師、課程體系、知識架構等方面還處于起步階段,而如何提高專業(yè)學生的實踐和動手能力等更是處于探索階段[1-2]。當前,專題實驗課程是物聯網專業(yè)學生實現工程實踐和科技創(chuàng)新的主要方法之一,而常規(guī)的實驗教學內容設置都是基于特定的知識單元和專業(yè)領域,具有一定的封閉性和獨立性,往往不能充分提高學生的創(chuàng)新能力和解決問題的系統(tǒng)思維能力[3]。物聯網開放實驗室的建設有助于培養(yǎng)學生工程意識、創(chuàng)新精神。通過開設以專業(yè)知識融合為特征、綜合系統(tǒng)設計為任務、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導向的系列開放實驗課題,達到激發(fā)學生實踐創(chuàng)新興趣、提高工程實踐能力、增加工程實踐經驗的目標。在實驗中,讓學生理解工程問題、解決實際問題、體驗成功樂趣,培養(yǎng)學生查閱資料能力、綜合設計能力、科技論文寫作能力,培養(yǎng)學生理論聯系實際能力、團結協(xié)作精神和創(chuàng)新意識,并為拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)打好堅實的基礎。因此,培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質人才、充分利用實驗室資源、建立除傳統(tǒng)實驗教學以外的第二實踐平臺、積極發(fā)揮學生的主觀能動性，是開放實驗室建設的核心目標。

1　目前存在的主要問題

1.1缺乏學生自主思維能力的鍛煉

物聯網專業(yè)的實踐訓練目標是培養(yǎng)學生的分析問題和解決問題能力。雖然傳統(tǒng)實驗教學能夠鍛煉學生的實驗技能,但是學生只是被動地操作,往往缺少`自己的思考,無法充分發(fā)揮學生的主觀能動性、積極參與性,不利于對學生科研好奇心的引導和科研靈感的激發(fā)。而常規(guī)死板地按照書本知識的實驗教學體系,容易割裂實驗的整體性、系統(tǒng)性和關聯性,無法滿足學生對于先進知識的渴求和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求,極大地限制了學生獨立發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力[4]。因此在著力提高設計性、綜合性物聯網實驗比重的同時,允許學生根據個人興趣、愛好和特長自主設計,增加個性化內容,建設開放式、創(chuàng)新性的實驗教學模式,給學生提供獨立實驗、實踐的機會。

1.2不同課程之間的關聯性問題

物聯網專業(yè)是一門涉及知識面較廣的學科,包含了計算機、自動化、通信等方向。一個方向都有許多各自獨立的課程體系。傳統(tǒng)專題實驗采取的是一課一實驗制度,學生根據所學的知識在固定時間內進行實踐訓練。這種單一的教學模式必然使得課程之間失去相應的關聯性,使學生無法系統(tǒng)地、整體地去提升自己的動手創(chuàng)新能力[4]。例如,嵌入式接口技術和自動檢測技術是掌握物聯網感知技術的核心課程,兩者相輔相成、聯系緊密,但是在具體的實踐訓練環(huán)節(jié)中又將其分為不同部分,這將導致學生在使用傳感器過程中無法徹底了解其技術原理和使用方法,無法系統(tǒng)地提升自己的水平。因此,突破傳統(tǒng)實驗課程之間的隔閡、建立一種加強課程間關聯度的開放實驗室則顯得至關重要[5-6]。

1.3實驗設備與實際應用脫節(jié)問題

現有物聯網實驗設備都是采用集成度較高的一體化實訓裝置,學生在工程實踐過程中更多的是按步驟完成一些基礎性和驗證性實驗,對其實驗現象和實驗結果的產生原理往往是一知半解[7]。此外,物聯網實驗設備通常都是面向特定的知識單元設計,很難真正體現物聯網專業(yè)所具有的系統(tǒng)性、工程性、先進性和實用性等需求。例如,在物體感知與標志實驗課程中,絕大部分高校都是采用封裝度較高的實驗箱,通過不同傳感模塊和通信協(xié)議的組合來達到工程訓練的目的。這種固有和特定的實驗裝置不僅會限制學生的思維創(chuàng)新,同時也與實際接觸的真正設備有較大差異性,會產生教學與實際脫節(jié)的現象。當學生在有思維靈感時卻無法及時使用有效的實驗設備進行操作,阻礙了學生科研創(chuàng)新的積極性,這不僅給學生造成了不必要的損失,而且造成了教育資源的浪費,從而影響了高校整體的教學、科研進展[8]。

2　物聯網開放實驗室的建設

西安交通大學是國內最早開設物聯網專業(yè)的“985工程”高校之一,在物聯網課程體系設置、人才培養(yǎng)理念和工程實踐訓練方面都進行了大量的探索和研究。如圖1所示,以物聯網專業(yè)為背景,以實踐教學和科技創(chuàng)新為立足點,通過介紹學校在物聯網開放實驗室建設方面的一些想法和措施,希望能達到拋磚引玉和舉一反三的效果。

圖1　多元化培養(yǎng)模式的物聯網開放實驗室

2.1構建軟硬件一體化的實踐創(chuàng)新平臺

實踐平臺是學生從事工程實踐與科技創(chuàng)新的基礎條件,基于物聯網具有知識與應用涉及面廣泛、技術發(fā)展與更新速度快的特點,因此所培養(yǎng)的畢業(yè)生應具備工程、技術、研發(fā)等多種能力。這種能力的培養(yǎng)需要在計劃教學基礎上的多方位、多層次的平臺上實現。因此,物聯網實踐創(chuàng)新平臺的建設應與學科實驗室建設有所區(qū)別,在實驗設備的配置上應避免采用集成式、一體化的封閉的實驗設備,而是遵循開放性、模塊化、實用性等原則。為此，依托不同學科的教學資源及學生綜合能力培養(yǎng)的需要,構建了集硬件設備和軟件資源于一體的綜合實踐創(chuàng)新平臺。首先,配置了邏輯分析儀、信號發(fā)生器、數字萬用表、直流電源、數字頻率計、直流穩(wěn)壓電源、數字示波器等基本硬件測試設備,滿足了硬件設計、調試、制作等對常規(guī)工具需求。其次,配置了CC2530、RFID、Crossbow等多元化的物聯網感控模塊,并以西安交通大學大數據應用平臺為載體,實現感知數據的綜合分析和決策。最后,與Ti、Intel等國際知名芯片企業(yè)建立了聯合實驗室,獲捐MSP430、Galileo等最新物聯網開發(fā)板500余套,為教師及學生提供了一個開放式創(chuàng)作、創(chuàng)新的實驗公共平臺。

軟硬件一體化的實踐創(chuàng)新平臺主要以計算機、電子通信、物聯網、自動化等多學科的相關技術和應用為方向,作為本科生課內和課外創(chuàng)新實踐活動的平臺?；谒ㄔO的平臺,學生可完成多種技術、多行業(yè)的產品研發(fā)、項目規(guī)劃、項目設計、項目實施等多方位的綜合性訓練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),為課程設計、畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)提供技術支持,為相關競賽提供技術保障。

2.2基于專業(yè)融合與系統(tǒng)能力培養(yǎng)的開放課題

開放實驗課題設置應結合物聯網的專業(yè)特點,在提高實驗內容質量和激發(fā)學生創(chuàng)造性上找到平衡點[9]。實驗室將著重強化學生的基本技能和動手能力,培養(yǎng)學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力,促進學生創(chuàng)新意識、合作精神和科研能力的協(xié)調發(fā)展,激發(fā)學生的科學探索精神。

在實驗內容設置上,將著重體現學科交叉性、工作系統(tǒng)性和內容針對性等，側重物聯網在數據全面感知、可靠傳輸、有效分析、綜合應用等核心知識點,拓寬計算機、信通、自動化等專業(yè)的知識面。具體實驗內容可歸為“3階段4模塊”,即基礎性、綜合性、工程性3個階段和科技活動類、自選實驗類、定向培訓類和科學研究類4個模塊。其中,基礎性實驗主要解決儀器使用、編程設計、電路設計的能力培養(yǎng)。綜合性應用通過圍繞“系統(tǒng)能力培養(yǎng)”這個基本點,設計一些集成性和系統(tǒng)性的開放實驗,對專業(yè)需要解決的問題和能夠解決什么問題更加清楚,增強專業(yè)認同感。工程實踐階段則讓學生理解工程問題,將知識用于實際工程問題,提高學生的團隊協(xié)作和實踐創(chuàng)新能力。同時,通過設立科技活動類、自選實驗類和科學研究類等模塊,對不同模塊的實驗任務、完成要素、結構、功能等進行規(guī)范,其目的是使學生可以根據自身特點、條件和能力,做到合理分類、循序漸進、科學發(fā)展。

實驗室針對不同學生群體的能力素質和實驗需求,根據其特點和背景設立多層次、遞階式的課程體系[10]。在實驗過程中,學生通過不同類型和模塊的開放課題逐層掌握工程實踐能力,由簡單到復雜、由易到難,力求學生在學、研、創(chuàng)等不同環(huán)節(jié)有所收獲,體會成功的喜悅,進一步激發(fā)學習興趣和創(chuàng)新能力,從而更好地進行學習和實驗。

2.3設立大學生培養(yǎng)基金和多元化的培養(yǎng)模式

必要的資金投入是保障學生從事工程實踐和科技創(chuàng)新活動的重要前提。通過學校資助、校企合作、校友捐贈等渠道成立了大學生開放創(chuàng)新平臺培育基金?；谶@些培育基金,可以進一步鼓勵學生積極申報在國際、國內具有較高影響力的各類學科競賽和各級創(chuàng)新課題。通過“以競促學、以賽驗果”的教學方式,建立多元化的社會實踐活動,逐步從單純的學術研究轉向解決生產、生活中的具體問題和關注經濟社會發(fā)展的現實需要,使學生在更大的平臺上得到鍛煉。

為了實現多元化的人才培養(yǎng)理念,以開放實驗室為切入點,以大學生培養(yǎng)基金為資金保障,積極探索以學生為主體、個性化、多元化的實踐教學模式。在培養(yǎng)模式方面,采取請進來走出去的人才培養(yǎng)方式,聘請企業(yè)優(yōu)秀導師為學生做專題講座,開展暑期定制班,針對當下社會熱點問題開展學術講座和技能培訓,進一步提高學生的實踐動手能力。同時,基于卓越工程師計劃、項目設計、校企聯合培訓、生產實習等多種社會實踐活動,讓學生充分了解企業(yè)對人才的需求,更好地保證學生學習內容的針對性和有效性。通過與Ti、360、華為、百度、西安軟件園、易培德等企業(yè)建立良好的校企合作平臺,使學生在工程實踐和科技創(chuàng)新方面有更大的發(fā)揮,進一步激發(fā)學生的學習熱情。此外,在人才培養(yǎng)方法上,避免傳統(tǒng)實驗課題上的灌輸式、驗證式的教學方法,而是充分發(fā)揮學生的主觀能動性和團隊協(xié)作能力,通過國家級、省級、校級創(chuàng)新訓練項目,開展持續(xù)性的開放實驗、創(chuàng)新課題等。同時,積極鼓勵學生參加ACM程序設計大賽、電子設計競賽、物聯網大賽、高校計算機大賽等國內外具有較高影響力的科技競賽,提高學生的學習動力、創(chuàng)新能力和動手能力。

近3年來,通過大學生培養(yǎng)基金的投入,物聯網開放實驗室在學生社會實踐、科技競賽、校企合作等方面都取得了較好的成果,多次在物聯網設計競賽、挑戰(zhàn)杯等全國大賽上獲得獎勵,相關專業(yè)學生的就業(yè)率達到100%,得到企業(yè)的廣泛認可。這些階段性成果都說明了該人才培養(yǎng)機制和人才培養(yǎng)方法的正確性。

2.4建立科學、有效的實驗導師制和激勵機制

開放實驗室是對傳統(tǒng)實踐教學模式的改革與探索。除了完備的實踐教學體系外,良好的管理措施和激勵機制也是實踐教學改革成功與否的關鍵[11-12]。開放實驗室在滿足已有的管理制度以外,還需結合自身特點,建立科學、有效的實驗室導師制。通過為每個學生團隊配備相應的指導教師,在課題設立、問題討論、項目申報、學科競賽等環(huán)節(jié)進行全程指導和有效把控,使得學生實踐活動在較高層次上開展,保證實驗課題的完成效率和成果產出。同時,引入適當的激勵機制,通過項目報告、實習報告、項目答辯、競賽結果等各環(huán)節(jié)的表現,對學生任務完成情況和指導教師的工作績效進行合理考核和激勵,進一步提高學生的參與積極性和教師的工作熱情。

3　結語

針對物聯網專業(yè)在實踐教學中的不足,分別從實踐創(chuàng)新平臺、開放實驗課題、創(chuàng)新培育基金的、人才培養(yǎng)模式、實驗管理體系等幾個方面介紹了西安交通大學物聯網開放實驗室的建設情況。通過工程實踐和科技創(chuàng)新引導與培養(yǎng),使學生在開放課題、項目設計、科技競賽等多元化和層次化的實踐環(huán)境中得到鍛煉,進一步培養(yǎng)了學生理論聯系實際、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新意識,激發(fā)了學生的學習熱情,擴大了學生的知識面和深度。

References)

[1] 安健,桂小林,楊麥順,等.物聯網工程專業(yè)實驗教學初探[J].實驗室研究與探索,2014,33(10):151-155.

[2] 桂小林.物聯網技術專業(yè)課程體系探索[J].計算機教育,2010(16):1-3.

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[4] 王志英,周興社,袁春風，等.計算機專業(yè)學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設置研究[J] .計算機教育,2013(9):1-6.

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[12] 劉穎,郭娜,張兵,等.《物聯網技術導論》課程實驗教學初探[J].物聯網技術,2014(3):91-92.

Construction of open laboratory of Internet of things for engineering practice and technological innovation

An Jian, Gui Xiaolin, Yang Maishun

(School of Electronics and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

Regarding the deficiencies in the traditional experimental teaching of Internet of things such as less efficient training of independent thinking,poor linking of curriculum and impracticability of equipment,and based on the needs for engineering practice and technological innovation as a core objective,the construction situation on an open laboratory of Internet of things is introduced. Through building a practical innovative platform for integration of software and hardware,offering open projects based on professional integration and systematic ability cultivation,establishing the science and technology innovation fund for college students,and exploring the diversified talent training mode and scientific and effective management mechanism,the innovation-oriented practical teaching mode is completed,which is characterized by taking the professional integration of the engineering practice and technological innovation as the goal and innovation ability training as the guidance.

Internet of things; open laboratory; engineering practice; technological innovation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.061

實驗室建設與管理

2016-05-16修改日期：2016-06-12

國家自然科學基金項目(61502380)；陜西省自然科學基金項目(2014JQ8322)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目(2013SZS16-K01)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目(xjj2014049)

安健(1983—),男,山西晉中,博士,工程師,主要研究方向為物聯網實驗教學、服務計算與群智計算.E-mail：anjian@mail.xjtu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2016)10-0245-04