基于“卓越計劃”的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系構建

張曉輝 溫顯斌 肖迎元 王 聃

（天津理工大學，天津300384）

基于“卓越計劃”的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系構建

張曉輝 溫顯斌 肖迎元 王 聃

（天津理工大學，天津300384）

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是近年來新興的一個專業(yè)，為配合學院貫徹“卓越計劃”工作，該專業(yè)的培養(yǎng)目標突出對學生工程實踐能力的培養(yǎng)，以期培養(yǎng)出滿足社會需求、具有創(chuàng)新精神和工程實踐能力的人才。本文主要探討該專業(yè)的實踐教學體系構建，給出了實驗教學子系統(tǒng)的相關內容及要求；設計了貫穿學生大二到大四的課程設計及能力培養(yǎng)內容；介紹了校內、校外兩個實習環(huán)節(jié)；闡述了三種不同形式的畢業(yè)設計；最后對課外實踐活動進行了說明。

物聯(lián)網(wǎng)工程；卓越計劃；實踐教學體系

一、引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）是為貫徹落實黨的十七大提出的走中國特色新型工業(yè)化道路、建設創(chuàng)新型國家、建設人力資源強國等戰(zhàn)略部署而提出的高等教育重大改革計劃［1］。2011年天津理工大學正式啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，該計劃為高等院校培養(yǎng)人才指明了方向。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是近幾年新興的一個專業(yè)，教育部對該專業(yè)目前還沒有統(tǒng)一的課程體系要求。從以往該專業(yè)的教學過程及教學效果看，傳統(tǒng)教學模式重理論而輕實踐，課堂講授多，動手實踐少，學生的創(chuàng)新能力和實踐能力欠缺，學生對物聯(lián)網(wǎng)相關技術的掌握與開發(fā)能力距“卓越計劃”的要求還有一定差距。在實踐教學體系中主要表現(xiàn)為以下幾點：一是實踐形式單一，如以往的實驗教學大部分為驗證型實驗。二是缺少整體規(guī)劃，從而導致各實踐環(huán)節(jié)出現(xiàn)實踐內容重復現(xiàn)象；各實踐環(huán)節(jié)相對獨立，內容上不銜接從而導致對學生動手能力培養(yǎng)無遞進式上升。在此背景下，本文主要闡述在“卓越計劃”指導下該專業(yè)的實踐教學體系構建。

二、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)目標介紹

在“卓越計劃”指導下，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展、具備良好的人文素養(yǎng)和職業(yè)道德，具有系統(tǒng)、扎實的計算機理論基礎，較寬廣的物聯(lián)網(wǎng)相關的計算機、通信，傳感器基本理論、基本知識和基本技能與方法的人才。在物聯(lián)網(wǎng)的信息處理、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術、感知層技術等方面具備工程實踐方法，具備從事物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)設計、開發(fā)、調試、運行維護等基本能力。

培養(yǎng)目標中強調了學生的工程實踐能力，工程實踐能力是在實踐教學過程中培養(yǎng)的解決問題的動手能力。實踐能力的培養(yǎng)是一個循序漸進的過程，因此實踐教學也應該在大學四年的過程中逐步深化。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是新開專業(yè)，在“卓越計劃”的指導下，實踐課程體系構建應以社會需求為導向、以工程實際為背景、以專業(yè)技術為主線來進行。［2-3］

三、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系建設

下面分別就實驗、課程設計、實習、畢業(yè)設計以及課外實踐活動這五個實踐教學子系統(tǒng)進行闡述，介紹各子系統(tǒng)的實踐教學體系建設。

1.實驗

實驗是整個實踐教學體系中最根本、最基礎的實踐教學，實驗教學要求學生掌握基本實驗技能和方法，對理論教學知識更加融會貫通。通過實驗，提高學生動手能力，發(fā)展其創(chuàng)新思維。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實驗教學內容主要包含三類：驗證型實驗、設計型實驗和綜合型實驗。下面給出一門專業(yè)課程實驗內容的例子。

表1 專業(yè)課程“RFID與無線傳感器網(wǎng)絡”實驗內容

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實驗教學考核標準與要求包括每門課實驗學時不少于總課時的30%。在專業(yè)課程中，設計型和綜合型實驗不少于實驗總學時的75%。實驗成績占最終結課成績的比重不少于40%，成績主要由實驗過程的教師評分與實驗報告等構成。

2.課程設計

課程設計在實施過程中，以團隊小組的形式實現(xiàn)，4-5人為一組。在教師指導下，小組成員分工合作，通過查閱資料、小組討論，提出合理的實施方案，然后按照分工進行動手實踐，最后調試整合完成題目。課程設計實施過程中以鍛煉和培養(yǎng)學生的自主學習能力、動手實踐能力為主，并鼓勵學生創(chuàng)新。

表2給出了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程設計安排，通過這些課程設計鍛煉了學生上層PC端、底層感知層以及中間層的開發(fā)能力，使學生對物聯(lián)網(wǎng)三層架構都有開發(fā)實踐經歷。

表2 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程設計安排

考核主要由課程設計的設計水平和答辯質量兩個方面給出。課程設計的設計水平占總成績的60%，答辯質量占總成績的40%。答辯由小組長就課程設計給出總體闡述，然后根據(jù)小組成員分工，每個組員就自己完成的功能模塊進行闡述并回答老師問題。

3.實習

物聯(lián)網(wǎng)的架構主要分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。實習的主要目的是讓學生除了建立理論基礎之外，可以通過實際動手來累計實踐經驗，達到理論與實踐相結合的境界。實習涵蓋物聯(lián)網(wǎng)的三層架構，可以讓學生建立對物聯(lián)網(wǎng)應用的完整概念與體驗。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主要有以下兩種形式的實習方式。

（1）校內實習

大三上學期期初進行為期兩周的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)認識實習。主要形式為聘請開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)工程相關實驗設備的企業(yè)技術人員在學院物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室進行相關培訓。該實習的目的是讓學生熟悉、了解并能初步應用物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室的設備。在建設物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)過程中，學院建立了物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室，引進了涵蓋物聯(lián)網(wǎng)三層架構的各類實驗設備。如各類基礎實驗箱，ZigBee實驗箱、RFID實驗箱等以及智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、智能課堂系統(tǒng)、實驗室智能安保系統(tǒng)，等等。

實習形式主要以實驗設備操作為主，由企業(yè)技術人員對各個設備進行介紹講解，學生在技術人員帶領下對實驗設備動手實驗，實驗內容以實驗設備指導說明書中的驗證型實驗為主。實習最后兩天，學生進行分組，并根據(jù)各組興趣，選擇不同的實驗設備完成一套包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建，該系統(tǒng)能夠完成基本的物聯(lián)網(wǎng)應用。最后每個學生給出實習報告并由企業(yè)技術人員給出實習成績。

校內實習在學生大三上學期開學初進行，在學生經歷了兩年的基礎專業(yè)課程學習之后，對本專業(yè)的工程背景、設備、技術有個概括的認知，簡單的應用，為后面學習專業(yè)課程，進行深入的專業(yè)學習、研究和實踐打下基礎。

（2）校外實習

除了校內的專業(yè)認識實習，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生還需在大四上學期進行為期12周的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實習，這個實習主要在校外各相關企業(yè)完成。實習的目的主要使學生了解企業(yè)、接觸實際，增長知識，培養(yǎng)獨立工作以及團隊協(xié)作能力。

在校外實習過程中實行雙導師制，即學校的指導教師和企業(yè)工程師聯(lián)合指導培養(yǎng)學生。企業(yè)工程師主要在學生參與企業(yè)相關實際項目或者開發(fā)工程中給予現(xiàn)場指導，幫助其解決實際的工程開發(fā)問題。與此同時，校內指導教師可以幫助解決學生在實際工程中遇到的理論問題，并引導學生進行相關理論與實踐的科學研究。實習結束后學生需撰寫實習報告，并回學校進行實習答辯。實習最終成績由企業(yè)工程師給出70%，校內指導教師給出30%。

4.畢業(yè)設計

畢業(yè)設計是教學過程的最后一個實踐教學環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設計，學生可以綜合應用所學的各種理論知識和技能，進行全面、系統(tǒng)、嚴格的技術及基本能力的訓練，使學生的綜合素質和各種能力都得到一個提升。畢業(yè)設計的流程包括選題、設計、答辯等。在選題階段要求一人一題，在設計階段以學生設計為主，導師輔導為輔，最終畢業(yè)設計成績由答辯給出。為使畢業(yè)設計的形式多樣化，學院主要提供以下幾種形式的畢業(yè)設計。

（1）課題型畢業(yè)設計

對科研感興趣的學生可以選擇有科研項目的老師作為導師，選擇某一科研課題作為其畢業(yè)設計，在此過程中學到新知識、新方法，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力，進而使學生初步具備科學研究和工程設計能力。

（2）實踐型畢業(yè)設計

為提高學生實踐能力，提供學生實踐場所，已與多家企業(yè)合作。學生可以選擇在相關企業(yè)完成其畢業(yè)設計。學院請企業(yè)相關專業(yè)技術人員擔任指導教師，這種畢業(yè)設計內容聯(lián)系生產實際的畢業(yè)設計形式可以讓學生從企業(yè)的工程技術人員那里學到更多的實用技術，提高解決實際問題的能力。

（3）科研型畢業(yè)設計

學院實驗室實驗設備豐富，也是提供學生進行畢業(yè)設計的一個場所。學生可以選擇感興趣的實驗設備進行畢業(yè)設計研究，有能力者可以在導師指導下自行研制實驗設備、自制實驗儀器、設計相關軟件，加強實驗室建設。

5.課外實踐活動

大學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，不僅需要課堂教學、實驗、課設、實習等，還需要學術講座、科研活動、學科競賽、各類大賽等課外實踐活動。為此，學院每學期舉辦不少于3次的學術講座，鼓勵、帶領學生參加各類比賽。目前學院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生已經在天津大學生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與工程應用設計競賽中獲得一等獎一項、二等獎兩項、三等獎若干項。

通過各類課外實踐活動，可以推動教學改革和建設，促進教學與科研的結合，營造濃厚的工程實踐氛圍，激勵學生的學習積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實際能力等。［4］

四、結束語

在“卓越計劃”指引下，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系的構建以培養(yǎng)學生工程實踐能力為導向，對工程專業(yè)實踐教學系統(tǒng)整體規(guī)劃，設計了五個實踐教學子系統(tǒng)，通過調整實驗教學，將綜合性、設計性實驗比例提高至75%以上；通過課程設計，訓練學生的基本物聯(lián)網(wǎng)工程技術；通過實習，增加企業(yè)工程訓練；通過畢業(yè)設計，培養(yǎng)學生結合工程實際的工程設計能力；通過課外實踐活動，增強產學研合作，營造濃厚的工程實踐氛圍。該實踐教學體系應用于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2012、2013級本科生實踐教學，由于實踐形式多樣化，提高了學生參加實踐的興趣。整個實踐教學體系經過整體規(guī)劃，實踐內容由簡到難，學生實踐能力得到遞進式鍛煉和上升。學生培養(yǎng)取得了不錯的效果，如：學生的實踐類課程平均成績普遍提高，無線傳感器網(wǎng)絡課程設計成績從以往的70分左右提高到80分左右；2012級學生的畢業(yè)設計通過率達到了100%。該實踐教學體系從目前的實施情況看，增加了學生的實踐學時、實踐機會、學生動手能力得到增強，創(chuàng)新能力得到提高，使學生具備了較強的物聯(lián)網(wǎng)技術應用與開發(fā)能力。

［1］林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)培養(yǎng)方案研究［J］.清華大學教育研究，2011，32（2）.

［2］林健.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”通用標準研制［J］.高等工程教育研究，2010（4）.

［3］鄭春龍，邵紅艷.以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目標的高校實踐教學體系的構建與實施［J］.中國高教研究，2007（4）.

［4］張安富，劉興鳳.實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的思考［J］.高等工程教育研究，2010（4）.

（責任編輯：張華凡）

Constructing a Practice Teaching System for Internet of Things Based on“Plan for Outstanding Engineers”

ZHANG Xiaohui，WEN Xianbin，XIAO Yingyuan，WANG Dan
（Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

The Internet of Things is an emerging major in recent years.The students’engineering ability is an important educational objective of the Plan for Outstanding Engineers.The students should have both creativity and engineering ability to meet the social needs.This article discusses the construction of a practice teaching system and the contents of and requirements for the subsystems as well.The teaching contents and the ability training of the students during the sophomore and senior years both in school and outside school are also discussed.Three different kinds of graduation projects and extracurricular practice are also introduced.

internet of things；plan for outstanding engineers；practice teaching system

G642.0

張曉輝（1979—），女，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式系統(tǒng)。

天津市重點教改項目（C03-0809）；天津理工大學教改項目（YB11-41）。