物聯(lián)網(wǎng)可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才工程化培養(yǎng)教學(xué)探索

萬雪芬，蔣學(xué)芹，海 涵

(1.華北科技學(xué)院 河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065201；2.東華大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,b.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能服裝、智能手環(huán)、智能徽章、智能紐扣等可穿戴式設(shè)備日益得到重視，對可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才的需求越發(fā)迫切[1-2]。雖然可穿戴式設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域人才需求量大，就業(yè)形勢較好，但是國內(nèi)各院校普遍缺乏專門針對可穿戴式設(shè)備研發(fā)的教學(xué)規(guī)劃和人才培養(yǎng)體系建設(shè)，難以完全匹配該行業(yè)企業(yè)的用人需求。此外在物聯(lián)網(wǎng)可穿戴式設(shè)備研發(fā)中，對人才的工程實踐能力要求較高，需要有較強的創(chuàng)新能力與項目管理能力，這也對該領(lǐng)域的人才培養(yǎng)提出了一定的挑戰(zhàn)。隨著我國大學(xué)本科教育中工程化培養(yǎng)模式的不斷完善，日常教學(xué)中也逐漸深化對學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)[3-5]。如能將對物聯(lián)網(wǎng)可穿戴式設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域的人才需求與大學(xué)工程教學(xué)的實踐動手能力培養(yǎng)相融合，則有望探索出一條新的與產(chǎn)業(yè)結(jié)合的培養(yǎng)道路。本文探討了物聯(lián)網(wǎng)可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才工程化培養(yǎng)教學(xué)體系及相應(yīng)的方式方法。

一、 可穿戴式設(shè)備研發(fā)對人才技術(shù)能力的要求

通過前期對可穿戴式設(shè)備行業(yè)企業(yè)的調(diào)研，并結(jié)合對往屆畢業(yè)生的回訪，了解可穿戴式設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域的人才需求。現(xiàn)階段市場主流可穿戴式設(shè)備的特點是結(jié)構(gòu)精簡，開發(fā)周期短，與市場需求結(jié)合緊密，對成本控制的要求高。可穿戴式設(shè)備研發(fā)企業(yè)既有華為、小米等大型企業(yè)，也有一些小微規(guī)模的初創(chuàng)公司。與以往大型設(shè)備或系統(tǒng)的開發(fā)不同，開發(fā)人員在可穿戴式設(shè)備的研發(fā)過程中往往要涉及多方面的工作。甚至在一些研發(fā)情境中會出現(xiàn)一位研發(fā)人員同時負責多個項目軟硬件的情況，這對其知識結(jié)構(gòu)與工程技術(shù)能力的要求更高。

可穿戴式設(shè)備研發(fā)人員首先應(yīng)該具有嵌入式系統(tǒng)的堅實基礎(chǔ)。近年來，Nordic、TI、Cypress等公司先后推出了面向可穿戴式設(shè)備、高度功能集成化的嵌入式芯片平臺。這些平臺的結(jié)構(gòu)及開發(fā)方法與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中采用的8051平臺有較大不同?？纱┐魇皆O(shè)備往往采用低功耗藍牙技術(shù)與智能手機等移動智能設(shè)備連接。而以往在教學(xué)中缺乏面向該技術(shù)的實踐環(huán)節(jié)，亦未將通信糾錯編碼技術(shù)等相關(guān)課程環(huán)節(jié)與之建立有機聯(lián)系。雖然多數(shù)學(xué)校的電子信息大類課程中都設(shè)置了與Java等有關(guān)的課程，部分學(xué)校也開設(shè)了面向移動端開發(fā)的學(xué)習內(nèi)容，但是這些內(nèi)容與可穿戴式設(shè)備研發(fā)需求的關(guān)聯(lián)度不夠，多數(shù)Java開發(fā)課程也以面向PC端開發(fā)為主。此外在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生多以完成課程實驗等形式進行學(xué)習及考核，難以滿足對其進行項目開發(fā)能力培養(yǎng)的要求。為培養(yǎng)適應(yīng)蓬勃發(fā)展的可穿戴式設(shè)備領(lǐng)域研發(fā)需求的專門人才，需針對以上問題進行改革。

二、 可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才工程化培養(yǎng)教學(xué)體系設(shè)計

可穿戴式設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，在設(shè)計可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才培養(yǎng)的教學(xué)體系時，應(yīng)在兼顧現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程的基礎(chǔ)上進行差異化的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，形成教學(xué)內(nèi)容對可穿戴式工程實踐教學(xué)的有序支撐，進而培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)能力及研發(fā)經(jīng)驗。此外，還應(yīng)注意到由于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域涵蓋眾多方向，在教學(xué)體系的設(shè)計中還應(yīng)不以犧牲其他物聯(lián)網(wǎng)方向的人才培養(yǎng)為前提。由于上述特點，可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才的培養(yǎng)體系設(shè)計具有較大的挑戰(zhàn)性。為解決上述問題，我們在教學(xué)實踐過程中采用了以創(chuàng)新項目等大學(xué)生課題與競賽為指向、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程教學(xué)為基礎(chǔ)、實踐類課程為階梯、畢業(yè)設(shè)計為總結(jié)的教學(xué)思路。

1. 培養(yǎng)對象的選擇

在教學(xué)體系設(shè)計中，首先可通過導(dǎo)入項目機制來確定可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才培養(yǎng)對象。教師設(shè)立基于物聯(lián)網(wǎng)可穿戴式系統(tǒng)的大學(xué)生創(chuàng)新項目等研究課題，由學(xué)生自由選擇或組建面向不同層次可穿戴式系統(tǒng)項目的電子競賽團隊，以有效地選取有志于從事可穿戴式設(shè)備研發(fā)工作的學(xué)生。而依托項目及團隊的模式也具有人員穩(wěn)定、培養(yǎng)目標明確、人員積極性高等優(yōu)點，并有助于在較具真實性的研發(fā)過程中培養(yǎng)學(xué)生的項目操作能力與管理能力。教師擔任對應(yīng)項目的指導(dǎo)教師，并在之后的培養(yǎng)過程中進行全程指導(dǎo)。

2. 教學(xué)和項目有機融合的培養(yǎng)模式

完成培養(yǎng)對象的針對性選擇后，即根據(jù)培養(yǎng)計劃，在相關(guān)課程教學(xué)中強化物聯(lián)網(wǎng)可穿戴式設(shè)備領(lǐng)域的知識。物聯(lián)網(wǎng)大類課程包括“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”“電路分析”“嵌入式原理”“微機原理”“通信原理”“信息論與編碼”“Java程序設(shè)計”等。在這些課程日常教學(xué)的基礎(chǔ)上，由指導(dǎo)教師明確課堂教學(xué)中知識點與前述項目的支撐關(guān)系，并從工程的角度落實各知識點的應(yīng)用邏輯與具體技術(shù)。在這一過程中，指導(dǎo)教師還應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生通過針對性檢索獲得國內(nèi)外相關(guān)文獻，進而掌握該方向的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。在實踐類課程中，鼓勵學(xué)生應(yīng)用項目中學(xué)到的知識解決問題。尤其是在創(chuàng)新性實驗或者自選實驗教學(xué)部分，指導(dǎo)教師將項目相關(guān)的研發(fā)內(nèi)容進行分解，讓學(xué)生在課程實驗的環(huán)境中完成。在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)教師根據(jù)項目完成情況，設(shè)定基于項目內(nèi)容的拓展題目，由學(xué)生參照之前的項目積累完成。在體系構(gòu)成中，形成從依托團隊的選材到工程化拓展訓(xùn)練的逐層遞進。

三、 可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才工程化培養(yǎng)教學(xué)的實踐

在教學(xué)實踐中，團隊組建依托“大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃項目”。根據(jù)可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才培養(yǎng)的需求，分別設(shè)立用于溫濕度感知的智能手環(huán)、低氧監(jiān)測的智能頭盔和人體運動檢測馬甲3個項目。這3個項目都包含硬件設(shè)計與移動端APP設(shè)計的內(nèi)容。依托項目組建3個團隊共計12人，團隊成員的知識與專業(yè)背景覆蓋了計算機、自動化、通信與電子領(lǐng)域。在項目申報前，明確團隊的組成與管理結(jié)構(gòu)，并依照團隊成員的知識背景進行任務(wù)劃分。項目指導(dǎo)教師即為團隊的指導(dǎo)教師。

1. 硬件平臺的構(gòu)建

為了面向可穿戴式設(shè)備在硬件平臺的實際工程需求，在開發(fā)中基于Cypress公司推出的面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的PSoC-4可編程片上系統(tǒng)平臺構(gòu)建硬件結(jié)構(gòu)。PSoC-4基于ARM公司的Cortex-M0型MCU，并在單芯片內(nèi)整合了藍牙、UDB、CapSense等豐富的開發(fā)資源。其結(jié)構(gòu)代表了未來主流的可穿戴式設(shè)備芯片平臺。而其開發(fā)環(huán)境簡單易用，元件功能采用可視化模塊封裝開發(fā)模式。其編程語言可以使用C語言和Verilog語言，可銜接前期基礎(chǔ)課程教學(xué)中的對應(yīng)內(nèi)容，也可作為學(xué)生專業(yè)課程實踐的支撐。因此將其作為學(xué)生的硬件開發(fā)平臺可較好地銜接學(xué)生的知識背景與可穿戴式設(shè)備企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的現(xiàn)實需求。

2. 人才培養(yǎng)和理論教學(xué)的聯(lián)系

在依托課程進行可穿戴式設(shè)備開發(fā)知識構(gòu)建方面，可側(cè)重于以下兩個方面：

(1) 依托PSoC-4平臺構(gòu)建其與現(xiàn)有電子通信類課程的聯(lián)系。電子通信類課程包括“電路分析”“嵌入式原理”“天線原理”“通信原理”“信息論與編碼”等。指導(dǎo)教師根據(jù)相關(guān)課程的教學(xué)體系，利用PSoC-4平臺引導(dǎo)學(xué)生從實踐角度運用UDB等內(nèi)部模塊，深入了解及設(shè)計比較器、PWM、邏輯門電路等數(shù)字電路模塊，用其支撐學(xué)生嵌入式C語言編程能力的提高，并強化對應(yīng)可穿戴式設(shè)備的相關(guān)知識點。如在“天線原理”的課后大作業(yè)中，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計MIFA等結(jié)構(gòu)的可穿戴式設(shè)備天線，學(xué)生不僅較好地完成了課程要求的工作，取得了喜人的課程成績，而且深入認知與實踐了可穿戴式天線的設(shè)計方法，掌握了可穿戴式設(shè)備天線工程設(shè)計所需的知識結(jié)構(gòu)。

(2) 在“先進電子系統(tǒng)分析與設(shè)計”“射頻電子實驗”“Java程序設(shè)計上機實驗”等實踐類課程中，依托課程實驗安排，分別將溫濕度感知智能手環(huán)中的溫濕度傳感器讀寫部分、低氧監(jiān)測智能頭盔中的氧氣檢測部分及人體運動檢測馬甲中的陀螺儀讀取部分等內(nèi)容融入到課程創(chuàng)新實驗中，并由指導(dǎo)教師與任課教師共同協(xié)作，強化對應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)，從工程實現(xiàn)的角度量化實驗考評，提高學(xué)生的實踐能力。

3. 人才培養(yǎng)和實驗教學(xué)的結(jié)合

在上機實驗環(huán)節(jié)，重點設(shè)計了針對Android的eclipse平臺Java語言開發(fā)，最終以APP的形式作為量化考核指標。當學(xué)生完成項目后進入畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師采用指導(dǎo)性內(nèi)容與自選性題目相結(jié)合的方式設(shè)定學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計題目，將一些在項目中沒有覆蓋的知識點加入到畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，進而完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)。由于項目與課程教學(xué)體系的有機融合，學(xué)生不僅在學(xué)習過程中取得了較好的學(xué)習效果及考核成績，而且從理論與實踐角度強化了可穿戴式設(shè)備領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)。

四、 教學(xué)效果

在面向可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才培養(yǎng)過程中，采用項目機制與課堂教學(xué)相融合的方法，通過對學(xué)生的日常考察及項目評價，培養(yǎng)對象在以下幾方面有較為突出的優(yōu)勢。

(1) 學(xué)生通過項目進度規(guī)劃、項目任務(wù)分解、項目工作分配、項目組內(nèi)合作等項目開展必須經(jīng)歷的環(huán)節(jié)，學(xué)到了項目相關(guān)日常管理的體系步驟，為其將來進入相關(guān)企業(yè)獨立地從事產(chǎn)品研發(fā)打下了一定的基礎(chǔ)。在培養(yǎng)結(jié)束后，參與項目的學(xué)生都具有一定的獨立完成項目管理工作的能力。

(2) 通過將項目中各環(huán)節(jié)與課程內(nèi)容有機結(jié)合，學(xué)生在課程學(xué)習過程中獲得了對可穿戴式設(shè)備相關(guān)知識的深入認知，構(gòu)建了對應(yīng)的知識體系，并且在教學(xué)實踐過程中體現(xiàn)了相對于其他學(xué)生的較高水平的動手能力。尤其是對于一些動手能力較強的學(xué)生，項目/課程考評機制的改革更能體現(xiàn)其長處，進而激發(fā)了其動手實踐環(huán)節(jié)的積極性。

(3) 融合項目的教學(xué)機制解決了以往類似項目開展中項目研究與日常教學(xué)脫節(jié)的問題。由于項目與課程的相互促進作用，學(xué)生的學(xué)習熱情高漲，極大地發(fā)揮了他們的主觀能動性，進而優(yōu)化了培養(yǎng)效果。而實踐內(nèi)容也完善了對應(yīng)課程的教學(xué)評估體系，豐富了其內(nèi)容與層次性。通過相關(guān)的學(xué)習，參加可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才培養(yǎng)的12名學(xué)生中除2人考取研究生外，其余10人中有7人進入到了物聯(lián)網(wǎng)可穿戴式設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域工作。通過跟蹤調(diào)查，用人單位對這些畢業(yè)生的工程能力給予好評，他們的崗位薪資也處于同行業(yè)較為上游的水準。

五、 結(jié)語

近年來， 社會上對可穿戴式設(shè)備開發(fā)設(shè)計

人才的需求日益迫切。我們通過前期調(diào)研，在了解可穿戴式設(shè)備開發(fā)對人才技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，進行了可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才工程化培養(yǎng)教學(xué)體系設(shè)計，并進行了可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才工程化培養(yǎng)實踐。通過教學(xué)實踐，在不對現(xiàn)有課程教學(xué)體系進行根本性修改的前提下，探索了一條可穿戴式設(shè)備研發(fā)人才工程化培養(yǎng)的道路，取得了較好的人才培養(yǎng)效果。