基于工程實踐能力培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)教學(xué)模式研究

吳志剛++張書欽++王海龍

摘 要：鑒于社會對物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用型人才的巨大需求，文中對基于工程實踐能力培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)教學(xué)改革進行了系統(tǒng)、深入的探索。以工程實踐能力培養(yǎng)為核心，并分別從綜合實訓(xùn)的前提條件、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、課程考核和教學(xué)保障等方面進行了分析與論述。五年的實踐經(jīng)驗表明，工程化的綜合實訓(xùn)教學(xué)能夠達到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；工程實踐能力；綜合實訓(xùn)；教學(xué)模式

中圖分類號：TP399；G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-0-03

0 引 言

作為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等多個領(lǐng)域，但目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的技術(shù)人才十分匱乏。作為一門處于初創(chuàng)期的學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式、課程體系建設(shè)、教學(xué)模式等方面都在不斷嘗試和探索[1，2]；在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，企業(yè)需要從業(yè)者具有深厚的理論基礎(chǔ)、較強的工程實踐能力和一定的經(jīng)驗積累[3]。實訓(xùn)作為實踐教學(xué)體系中的重要一環(huán)，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用。通過實訓(xùn)，學(xué)生將所學(xué)的理論知識與社會實際需求結(jié)合起來，真正做到學(xué)以致用。中原工學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)模式、課程體系建設(shè)和實踐教學(xué)等方面經(jīng)過多年研究，摸索了一套基于工程實踐能力培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)教學(xué)模式。

1 綜合實訓(xùn)教學(xué)模式實施的前提條件

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)屬于典型的多領(lǐng)域交叉學(xué)科，涵蓋了計算機科學(xué)、電路與電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)與通信工程等多門專業(yè)的核心知識[4]，物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)涉及十幾門課程，若采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時少，執(zhí)行難度大。為此，教學(xué)團隊經(jīng)過多次調(diào)研，反復(fù)論證，從全局考慮，從以下幾方面入手，進行學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實踐動手能力的進階訓(xùn)練，為有效落實綜合實訓(xùn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1.1 開放綜合實訓(xùn)成果展示室，以學(xué)生帶動學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索激情

“興趣是最好的老師”，一個人一旦對某事物產(chǎn)生了濃厚的興趣，就會主動求知、探索、實踐，并在求知、探索、實踐中產(chǎn)生愉快的情緒和體驗，從而激發(fā)學(xué)生的潛力和創(chuàng)造力，讓學(xué)習(xí)持續(xù)進行。因此，教學(xué)團隊為了讓學(xué)生盡快了解、認識物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)，我院專門設(shè)置了歷屆學(xué)生軟硬件實訓(xùn)成果展示室，并對外開放。每件成果都清晰標(biāo)明成果簡介、設(shè)計理念和團隊成員、成果參賽所獲獎項和獲獎感言等，并安排團隊成員負責(zé)咨詢與解說，以激發(fā)學(xué)生的探索激情。借助實物，其效果遠好于集中給學(xué)生做動員工作。

1.2 從一年級著手學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、算法設(shè)計與編程能力和實踐動手能力的培養(yǎng)

綜合實訓(xùn)的很多課程都無法在課堂上系統(tǒng)學(xué)習(xí)，需要學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)。顯然，學(xué)生的主動性、自主學(xué)習(xí)能力和動手能力是影響其學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵因素[5]。為此，針對我校學(xué)生特點，采用如下措施培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、算法設(shè)計與編程能力和實踐動手能力：

（1）從一年級新生入學(xué)開始就教育、引導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練自主學(xué)習(xí)能力和實踐能力。

（2）積極主動參加各層次的學(xué)科競賽或大學(xué)生科技創(chuàng)新活動，并以此來檢驗學(xué)習(xí)效果，然后進一步提高興趣、促進自主學(xué)習(xí)。

在準備競賽或參與科技創(chuàng)新活動的過程中，學(xué)生或獨立或團隊協(xié)作訓(xùn)練邏輯思維能力、算法設(shè)計與編程能力、團隊協(xié)作能力以及分析問題、解決問題的實踐動手能力，為綜合實訓(xùn)打下堅實基礎(chǔ)。

2 綜合實訓(xùn)的教學(xué)模式

我校物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)是在學(xué)生完成主要專業(yè)課程的理論學(xué)習(xí)和主要技能實訓(xùn)后，綜合運用本專業(yè)的主要知識和技能在?；?qū)嵱?xùn)基地集中完成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的綜合性、整體性、系統(tǒng)化訓(xùn)練的教學(xué)過程。其主要目標(biāo)是以“學(xué)以致用”為基本原則，以能力培養(yǎng)為核心，通過項目化的綜合實訓(xùn)培養(yǎng)學(xué)生綜合運用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)、方法和工具，培養(yǎng)能勝任物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃、分析、設(shè)計、開發(fā)、部署、運行維護等工作，提升學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力和初步職業(yè)能力等，以便學(xué)生能利用較短的時間適應(yīng)社會和企業(yè)要求。通過近5年的沉淀與積累，綜合實訓(xùn)已形成穩(wěn)定、可操作的實踐教學(xué)模式，這種教學(xué)模式包括三個階段，即準備階段、執(zhí)行階段和考核與總結(jié)階段，其中每個階段又涵蓋多個教學(xué)環(huán)節(jié)，如圖1所示。

2.1 綜合實訓(xùn)準備階段

準備階段一般在第5學(xué)期期末，主要完成與實訓(xùn)相關(guān)的開發(fā)技術(shù)培訓(xùn)、實訓(xùn)開展方式和學(xué)生選題與分組說明，目的是讓學(xué)生對綜合實訓(xùn)所涉及的相關(guān)技術(shù)、開發(fā)工具、實訓(xùn)題目、學(xué)時分配、實訓(xùn)管理制度以及階段性的檢查內(nèi)容和考核方式有一個較為清晰的了解和認識。

關(guān)于實訓(xùn)選題的設(shè)計。綜合實訓(xùn)旨在培養(yǎng)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中進行規(guī)劃、設(shè)計和研發(fā)的工程實踐能力。因此，實訓(xùn)教學(xué)采取以項目為核心的組織方式，精心設(shè)計的綜合項目以物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)為核心，覆蓋典型感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的設(shè)計及開發(fā)技術(shù)等典型專業(yè)知識點。為進行針對性訓(xùn)練，我們將實訓(xùn)項目按其涵蓋知識內(nèi)容歸納為無線物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)三大類。在每一大類中選擇5～7個不同類型的實訓(xùn)題目，這些課題主要來自于指導(dǎo)老師的科研項目，或者企業(yè)實際需求，抑或是社會服務(wù)項目。每屆也會適時增加一些緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢的新項目、舍去部分舊題目，以擴充、完善實訓(xùn)項目資源庫。

在準備階段，學(xué)生選題與分組對整個實訓(xùn)的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量將產(chǎn)生重要影響。為避免學(xué)生在自愿選擇項目組時，動手能力強或弱的學(xué)生過度集中在某個項目組，導(dǎo)致實訓(xùn)項目無法正常進行，我們約定每個項目組分配4～6名學(xué)生，動手能力強弱的學(xué)生均衡搭配。由指導(dǎo)教師選擇本組1名動手能力和組織協(xié)調(diào)能力較強的學(xué)生作為組長，并由組長根據(jù)學(xué)生能力均衡原則，選擇本組項目成員，未被選擇的學(xué)生需重新選擇或等待二次分配。

項目組長作為本組項目經(jīng)理，在指導(dǎo)教師的領(lǐng)導(dǎo)下，全權(quán)負責(zé)項目的開發(fā)進度、總體規(guī)劃、成員的角色分配，主持召開每周項目例會，負責(zé)項目組師生之間的溝通與協(xié)調(diào)，以及項目組成員的考核。endprint

2.2 綜合實訓(xùn)執(zhí)行階段

執(zhí)行階段是整個綜合實訓(xùn)教學(xué)的重點，直接決定實訓(xùn)的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。在該階段，學(xué)生在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，嚴格按照物聯(lián)網(wǎng)工程項目展開，涵蓋項目需求分析、方案設(shè)計與實施及項目管理等環(huán)節(jié)，由組長帶領(lǐng)團隊成員按照項目進度和項目分工，分步完成實訓(xùn)項目的設(shè)計與開發(fā)任務(wù)。指導(dǎo)教師僅在項目的技術(shù)線路和關(guān)鍵技術(shù)等方面給予及時引導(dǎo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的項目規(guī)劃與工程實施能力、團隊協(xié)作能力及自主學(xué)習(xí)能力。

為解決綜合實訓(xùn)學(xué)時不足問題，實訓(xùn)時間采用分散與集中相結(jié)合的模式。由于第6學(xué)期學(xué)生還有理論課的學(xué)習(xí)，而1～10周主要利用課余時間分散進行，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，因此項目組長應(yīng)主持每周項目例會、布置階段任務(wù)，組織成員匯報、討論項目方案和撰寫相關(guān)階段性技術(shù)文檔，并隨時與指導(dǎo)教師交流，及時解決存在的問題。集中實訓(xùn)安排在11～14周，集中進行項目完善、驗收和撰寫實訓(xùn)報告。

由于實訓(xùn)大部分時間都在課外，需要執(zhí)行實訓(xùn)過程監(jiān)管、嚴格監(jiān)督才能保證實訓(xùn)任務(wù)順利完成。為此，學(xué)院設(shè)置一名專職的實訓(xùn)督導(dǎo)教師，負責(zé)實訓(xùn)的日常管理，實時跟蹤實訓(xùn)教學(xué)的執(zhí)行過程，及時發(fā)現(xiàn)并解決學(xué)生在實訓(xùn)過程中遇到的各種問題。

2.3 綜合實訓(xùn)考核與總結(jié)階段

考核與總結(jié)是實訓(xùn)教學(xué)的最后階段，在該階段，每個項目組需提交系統(tǒng)設(shè)計文檔和系統(tǒng)源代碼。每一位成員需提交給指導(dǎo)老師一份符合規(guī)范的實訓(xùn)報告，并由指導(dǎo)教師結(jié)合每位學(xué)生的出勤、階段表現(xiàn)和實訓(xùn)成果給予相應(yīng)的考核成績，然后統(tǒng)一參加實訓(xùn)答辯組的系統(tǒng)驗收和答辯。答辯組對每名學(xué)生的實訓(xùn)成果進行驗收和答辯，并參考指導(dǎo)教師給出的成績對該名學(xué)生給出實訓(xùn)總評成績。

實訓(xùn)結(jié)束后，每位指導(dǎo)教師組需要完成一份實訓(xùn)總結(jié)匯報，對本次實訓(xùn)中存在的問題進行分析和反思，總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，以便改進。為了全面評價綜合實訓(xùn)教學(xué)效果，在實訓(xùn)結(jié)束后一周內(nèi)，我們會組織學(xué)生對實訓(xùn)效果和教學(xué)質(zhì)量進行綜合評價，包括指導(dǎo)教師的責(zé)任心、教學(xué)水平、指導(dǎo)質(zhì)量、學(xué)術(shù)水平以及實訓(xùn)項目內(nèi)容、個人在本次實訓(xùn)中知識和能力方面的收獲等各項指標(biāo)進行綜合評價。通過綜合評價發(fā)現(xiàn)問題，查找不足，及時改進。

3 綜合實訓(xùn)教學(xué)的保障條件

再好的教學(xué)模式如果沒有完備的保障體系來支撐也無法實施。因此，我們從實驗室、師資、教學(xué)監(jiān)督與評價和師生管理等方面建立有效的保障體系。

3.1 整合原有硬件實驗室的優(yōu)勢和經(jīng)驗，構(gòu)建滿足不同需求的綜合實訓(xùn)平臺

從2009年始，學(xué)校陸續(xù)購買了一批應(yīng)用廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)設(shè)備和3G移動互聯(lián)終端開發(fā)設(shè)備，在整合原有嵌入式系統(tǒng)實驗室、EDA實驗室等基礎(chǔ)上，新建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗室、物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實驗室等，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件綜合實踐平臺和綜合應(yīng)用實踐平臺全覆蓋，可搭建包括傳感器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和RFID的完整物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。目前基本滿足學(xué)生的課程實驗和各類實訓(xùn)需求。

3.2 建立結(jié)構(gòu)合理的指導(dǎo)教師隊伍

為保障綜合實訓(xùn)教學(xué)的順利實施，我們廣泛吸收了具有實際應(yīng)用背景的教師參與到物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)教學(xué)中來，并聘請2名實踐經(jīng)驗豐富的企業(yè)技術(shù)人員組成教學(xué)團隊，該團隊中教授占7%，副教授占26%，講師占56%，助教占11%，其中擁有雙師素質(zhì)的人才占89%，碩士占83%。對現(xiàn)有教師通過課程培訓(xùn)和下廠實踐鍛煉，以滿足其理論知識和實踐技能教學(xué)需要。

3.3 建立完善的管理制度

為保障綜合實訓(xùn)的各項教學(xué)活動有序推進，學(xué)院制定多項政策予以支持，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)課程設(shè)置有6個學(xué)分，并制定計算機學(xué)院“物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”學(xué)生考勤辦法和學(xué)生成績考核辦法，要求學(xué)生足夠重視這門課，認真按照要求完成綜合實訓(xùn)任務(wù)。

（2）制定計算機學(xué)院“物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”選題與評審管理辦法，要求所有的選題必須符合綜合實訓(xùn)的選題要求，并且通過選題評審小組答辯，才能正式確定為實訓(xùn)題目。

（3）制定計算機學(xué)院“物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”指導(dǎo)教師管理與考核方法，設(shè)置一名實訓(xùn)督導(dǎo)教師，專門負責(zé)實訓(xùn)的日常管理、實訓(xùn)教學(xué)安排和指導(dǎo)教師考核等。

（4）制定計算機學(xué)院“物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”教學(xué)評價辦法和信息反饋機制，組織學(xué)生對實訓(xùn)教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量進行綜合評價，多渠道及時反饋存在的問題，監(jiān)督指導(dǎo)老師認真履行職責(zé)。

4 結(jié) 語

我校物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)綜合實訓(xùn)從2010級開始，至今已執(zhí)行完5屆。從歷屆學(xué)生到校外實習(xí)和就業(yè)情況看，越來越多的學(xué)生選擇到北京、上海、廣州、杭州和南京等大城市從事本專業(yè)的研發(fā)工作，說明學(xué)生對專業(yè)能力更加自信，就業(yè)面更寬，敢于挑戰(zhàn)的勇氣源于學(xué)生自身扎實的專業(yè)知識、熟練的技能以及較強的綜合實踐能力和實踐經(jīng)驗。后續(xù)需要對實訓(xùn)教學(xué)模式進行深入研究，給學(xué)生提供更多的社會實踐機會，使我們的綜合實訓(xùn)更接近企業(yè)生產(chǎn)實際，在強化學(xué)生工程實踐能力的同時，積累寶貴的實踐經(jīng)驗，以便盡快適應(yīng)工作。

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