應(yīng)用型人才培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系改革

趙翠芹 韋麗娟 馮太琴 覃立福

摘 要：因物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對應(yīng)用型本科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生提出了更高的要求。分析物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程內(nèi)容復(fù)雜、知識體系沒有融會貫通和師資力量匱乏等問題，提出課程體系改革的目標(biāo)和措施。從項目驅(qū)動、充分利用實驗室資源、強(qiáng)化實踐教學(xué)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的校企合作培養(yǎng)模式等方面對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系進(jìn)行改革。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程;課程體系改革;人才培養(yǎng)質(zhì)量;實驗室資源;51單片機(jī);課堂改革

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-0-03

0 引 言

1999年提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）概念，到2009年IoT被正式列為中國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。作為新工科的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，其課程內(nèi)容包括“感知-傳輸-應(yīng)用”三個層次相關(guān)的技術(shù)[1]。感知層包括傳感器、嵌入式技術(shù)、射頻識別等，網(wǎng)絡(luò)層包括傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等[2-3]，應(yīng)用層主要是工程應(yīng)用、行業(yè)產(chǎn)業(yè)相關(guān)應(yīng)用[4]。經(jīng)過了近10年的發(fā)展，IoT的應(yīng)用越來越廣泛，已覆蓋智能家居、智能交通、智慧醫(yī)療、可穿戴設(shè)備、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，如圖1所示，都在引領(lǐng)行業(yè)創(chuàng)新與變革。

高校作為專業(yè)人才的發(fā)源地，人才培養(yǎng)應(yīng)以社會需求為導(dǎo)向，特別是對實踐性和創(chuàng)新性要求很強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)[2]，從學(xué)生大一入校開始，就灌輸給學(xué)生IoT技術(shù)的應(yīng)用前景，使他們有意識地愛上IoT技術(shù)，激發(fā)他們的動力和明確學(xué)習(xí)的方向[4-5]。再通過后期專業(yè)課程層層遞進(jìn)、循序漸進(jìn)地培養(yǎng)，使學(xué)生具有較強(qiáng)的應(yīng)用能力，能跟上物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的步伐。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)存在的問題

河池學(xué)院于2014年開始招收物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生。在學(xué)科建設(shè)上沒什么經(jīng)驗可借鑒，摸著石頭過河地走了一遍流程。經(jīng)過近5年的積淀，尤其在應(yīng)用型和新工科的理念推動下，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)取得了不少進(jìn)步。2018年11月順利地通過了新設(shè)本科新專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)評估。但是物聯(lián)網(wǎng)工程畢竟是一門新專業(yè)，具有很強(qiáng)的學(xué)科性[1]，整個課程內(nèi)容、課程建設(shè)、師資力量等方面還是存在以下一些問題和

不足。

1.1 IoT技術(shù)內(nèi)容多且雜

IoT技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，包括軟件和硬件技術(shù)。老師給學(xué)生上物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論課時，就給學(xué)生打過“預(yù)防針”，告訴學(xué)生課程有點多、內(nèi)容有點雜，叫學(xué)生做好心理準(zhǔn)備。隨著專業(yè)課的深入，發(fā)現(xiàn)這些課程不僅有點雜，而且還有點亂。學(xué)生4年內(nèi)需要掌握硬件和軟件兩個方面的知識。

硬件方面主要是常見電子測量工具的使用、簡單電路的調(diào)試、PCB電路原理圖設(shè)計與焊接、主流單片機(jī)（51，CC2530，CC2420，STM32，Arduino，F(xiàn)PGA）最小系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、傳感器和RFID數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)能力、短距離（藍(lán)牙，WiFi，ZigBee）和長距離（NB-IoT，LoRa 3G、4G和5G）無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能力、各種下載工具的調(diào)試安裝能力。

軟件方面包括軟件開發(fā)環(huán)境和編程語言。IoT技術(shù)經(jīng)常使用到的軟件環(huán)境有VC++，Visual Studio 2015，Keil μVision，QuartusⅡ（包括仿真工具M(jìn)odelSim、插件Qsys和NiosⅡ），IAR Embedded，Linux操作系統(tǒng)，Android操作系統(tǒng)，μC/OS操作系統(tǒng)，TinyOS操作系統(tǒng)，ZigBee協(xié)議棧，Arduino和Ecilpse等。編程語言有C語言、C++語言、nesC語言、Java語言、Python和Verilog HDL語言等。

這些內(nèi)容就像一座座大山，老師和學(xué)生都感覺壓力山大，苦不堪言，迫切地需要教學(xué)改革，將這些內(nèi)容糅合到一起，形成教師易于傳授知識和學(xué)生容易理解和掌握的體系。

就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門實驗課程而言，目前使用的開發(fā)平臺有CC2420，CC2430和CC2530。CC2420和CC2430運(yùn)行的開發(fā)環(huán)境是TinyOS系統(tǒng)，采用的語言是nesC語言。但是這兩個芯片也有差別，CC2420只是一個射頻收發(fā)模塊，不帶處理功能，需要結(jié)合51內(nèi)核單片機(jī)（MSP430）才能用;而CC2430是集成了51處理器和射頻模塊。引腳和RF的變化使得CC2420的設(shè)計不能在CC2430平臺上使用。CC2530是CC2430升級版，但是運(yùn)行環(huán)境是在IAR環(huán)境下進(jìn)行。同樣的CC2430和CC2530的設(shè)計也是不兼容的。這三個平臺可以選擇一個來開發(fā)就可以，但筆者所在學(xué)校，這幾個平臺都采購了，需要將這些平臺充分利用起來，這無疑增加了教學(xué)的難度。

1.2 知識體系沒有形成一種融合貫通的思路

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個比較新的專業(yè)，這幾年教材出版物確實不少。有些比較經(jīng)典的教材，為保證知識點的完整性，不同課程的教材內(nèi)容之間會有部分重疊，比如C語言、Java語言和C#等程序設(shè)計語言的前幾個章節(jié)都會講述數(shù)據(jù)類型、變量和函數(shù)的定義等。這無可厚非，因為有很多學(xué)者可以不學(xué)習(xí)C語言直接開啟面向?qū)ο蟮膶W(xué)習(xí)。數(shù)字電路和計算機(jī)組成原理等課程，前面的章節(jié)也會介紹數(shù)制、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換和編碼等知識;計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的物理層技術(shù)和通信原理課程內(nèi)容也有部分重疊。

也有些教材都是介紹性的，比如很多物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)這門課程的教材，包括物聯(lián)網(wǎng)概述、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、感知層通信技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。這一門課就涵蓋太多的技術(shù)，盤根錯節(jié)地羅列出讓人眼花繚亂的知識，似乎面面俱到，其實很多知識在物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論課程上就已經(jīng)介紹過，知識體系沒有融會貫通。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)師資力量匱乏

物聯(lián)網(wǎng)屬于新工程專業(yè)，前期基礎(chǔ)比較薄弱，師資力量嚴(yán)重匱乏，在制定培養(yǎng)方案和教學(xué)計劃時，專業(yè)總學(xué)時數(shù)和專業(yè)核心課程的安排受到了相應(yīng)的限制，經(jīng)常會出現(xiàn)從現(xiàn)有師資力量、團(tuán)隊和知識能力結(jié)構(gòu)的實際情況出發(fā)，形成對長遠(yuǎn)發(fā)展和建設(shè)不太有利的情況。

2 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系改革目標(biāo)

在“井噴式”的IoT技術(shù)發(fā)展下，為了追趕上IoT發(fā)展的步伐，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力、提升學(xué)生就業(yè)水平為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、研究能力、實踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、課堂教學(xué)深度改革，延續(xù)深度校企合作，采用“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的課內(nèi)+課外的實踐教學(xué)模式，把課程體系改革、科研訓(xùn)練和課程設(shè)計融為一體，著重學(xué)生“研究能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力”的培養(yǎng)，同時解答培養(yǎng)目標(biāo)和課程體系的確定、破除專業(yè)藩籬、確定專業(yè)建設(shè)的核心、解答實驗與實踐環(huán)節(jié)怎么開展等的專業(yè)謎思。

3 應(yīng)用型課程體系改革的措施

3.1 項目驅(qū)動，突出應(yīng)用

針對IoT技術(shù)內(nèi)容多且雜的問題，課程教學(xué)中，以實際應(yīng)用為背景，整合跨課程、跨章節(jié)的知識點，采用項目驅(qū)動化方式的案例教學(xué)模式。

在學(xué)習(xí)嵌入式STM32開發(fā)時，可以使用具有ARM內(nèi)核的STM32系列CPU、配合圖形化操作的STM32CubeMX使用，就能構(gòu)建如智慧農(nóng)業(yè)、遠(yuǎn)程抄表、公交系統(tǒng)、智慧路燈、智慧垃圾桶等項目的教學(xué)案例項目。再結(jié)合ZigBee、藍(lán)牙或WiFi技術(shù)，通過串口與STM32進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或組網(wǎng)。這種跨平臺、跨系統(tǒng)、跨課程的開發(fā)，整合了大量信息，有利于學(xué)生的快速成長。

在學(xué)習(xí)數(shù)字電路FPGA開發(fā)基本實驗課程后，可以適當(dāng)?shù)亟柚鶴sys，SOPC Builder插件和NiosⅡ軟件來設(shè)計綜合項目。SOPC Builder可以實現(xiàn)IP核的硬件框架。NiosⅡ提供軟核處理過程，采用C語言編寫實現(xiàn)，降低了開發(fā)的難度;同時提供尋址方式、讀寫時序和總線，總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線[6-7]。這些擴(kuò)展的項目對后續(xù)計算機(jī)組成原理課程有很好的導(dǎo)入作用，保證課程的延續(xù)性[6]。

采用項目式的案例教學(xué)，讓學(xué)生樹立項目開發(fā)的整體過程思維，將理論與實踐有機(jī)融合，結(jié)合豐富的教學(xué)案例，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性。

3.2 知識體系的融合

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)從2014年開始招生，人才培養(yǎng)方案已經(jīng)進(jìn)行了2014版、2016版和2018版的3次修訂，幾乎每兩年一次大改，期間每個學(xué)期都會有微小的調(diào)整，在課程體系上做了銜接。針對教材內(nèi)容重疊的問題，以人才培養(yǎng)方案和專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量為依據(jù)，以教研室為單位開展課程內(nèi)容的銜接，將整個專業(yè)的課程形成一個完整的體系，減少大量重復(fù)內(nèi)容所占課時，把課時集中在核心內(nèi)容上，以提高整體效果。

3.3 充分利用實驗室資源，強(qiáng)化實踐教學(xué)

從2014年增設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開始，學(xué)校就在廣州飛瑞敖、武漢創(chuàng)維特、北京凌陽愛普、北科融創(chuàng)和桂林華智等幾家公司采購過教學(xué)設(shè)備。這些設(shè)備主要包括物聯(lián)網(wǎng)綜合試驗箱、射頻識別試驗箱、智能交通沙盤、智慧教室系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、TinyOS實驗床、NB-IoT、Arduino和FPGA開發(fā)板等。這些實驗設(shè)備幾乎覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)計劃，應(yīng)當(dāng)充分利用起來，并探索“實驗室授課模式”，建設(shè)新型實驗教學(xué)平臺。將課堂搬到實驗室中，隨時隨地讓學(xué)生可以動手進(jìn)行實踐操作，主動進(jìn)行學(xué)習(xí)，更好地掌握課程中相互聯(lián)系的知識點，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實踐技能的目的。

3.4 改革課堂教學(xué)

為了培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)W習(xí)和掌握物聯(lián)網(wǎng)的基本原理和思想、發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢、核心內(nèi)容、典型應(yīng)用和應(yīng)用熱點，需要進(jìn)行課堂教學(xué)模式改革，打破章節(jié)之間界限，把邏輯相關(guān)的多個知識點進(jìn)行整合，為在物聯(lián)網(wǎng)課程的系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用中，深入利用關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

3.5 設(shè)置理論、應(yīng)用和綜合實踐階段的內(nèi)容

重新梳理和整合課程知識點，按照應(yīng)用要求和使用前景，分別設(shè)置理論基礎(chǔ)部分、工程應(yīng)用部分和綜合工程實踐三個學(xué)習(xí)內(nèi)容，對每個知識點要有明確的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點、教學(xué)難點以及教學(xué)思考。同時引入一些仿真工具軟件輔助教學(xué)，如NS，Protel，LabVIEW，Proteus，Multisim，ModelSim以及TOSSIM等，以工程實踐性很強(qiáng)的案例形式有機(jī)地整合到課程體系中。在軟件仿真環(huán)境中進(jìn)行案例教學(xué)，實現(xiàn)起來比較方便，教師易于傳授知識，學(xué)生容易理解和掌握，使學(xué)生知識體系融合了理論和實踐，并向應(yīng)用型

轉(zhuǎn)變。

3.6 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合

建立校企聯(lián)合育人機(jī)制，與相關(guān)企業(yè)制定相關(guān)方向的課程體系。圍繞前沿應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行課程規(guī)劃和設(shè)計，注重理論與實踐相結(jié)合。改革授課方法：邀請企業(yè)專家及高級工程師授課，采用啟發(fā)式、討論式、參與式的教學(xué)方法，避免理論灌輸式的教學(xué)，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力。2018年，河池學(xué)院曾邀請凌陽愛普和華清遠(yuǎn)見的工程師給2015級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生講授嵌入式開發(fā)的課程，從工程應(yīng)用的角度給學(xué)生上課，受到學(xué)生的一致好評。也可以采用教師參加企業(yè)培訓(xùn)，通過案例講解和動手實踐，使教師能夠深入了解當(dāng)前真實業(yè)務(wù)生產(chǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)的處理流程和工程實踐的

開發(fā)。

3.7 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源緩解師資力量的匱乏

為了有效緩解物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)師資和教學(xué)資源匱乏等問題，建立課程MOOC網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺。建立和完善教學(xué)網(wǎng)站，將國內(nèi)比較知名的相關(guān)IoT課程網(wǎng)站鏈接到教學(xué)網(wǎng)站上，使學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺學(xué)習(xí)知識、探討問題、設(shè)計開發(fā)實際項目。在課堂教學(xué)中融入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，將“雨課堂”和“微助教”兩個平臺引入課堂教學(xué)中，增進(jìn)教與學(xué)的互動性，實現(xiàn)課程網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，加快信息交流，提高課程學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié) 語

針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)存在的問題，提出課程體系改革目標(biāo)，給出改革措施。從項目驅(qū)動、強(qiáng)化實踐教學(xué)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的校企合作培養(yǎng)模式等方面對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系進(jìn)行改革。在此基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整和改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案和質(zhì)量，使之更好地滿足IoT技術(shù)的發(fā)展，更好地適應(yīng)應(yīng)用型技術(shù)的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]譚艷萍，陳顯祥，羅永.新工科背景下的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)問題及對策探究[J].計算機(jī)教育，2019（2）：74-77.

[2]王毅，張滬寅，黃建忠，等.新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗教學(xué)體系探討[J].軟件工程，2018，21（8）：57-59.

[3]黃旭，蔣云良，顧永跟.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)中多學(xué)科融合的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2016（2）：86-90.

[4]張烈平，李海俠，王文成.地方高校自動化專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力提升途徑的探索與實踐[J].高教論壇，2018（10）：18-20.

[5]姚信威，李賽，王萬良，等.面向國際化人才培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系改革[J].計算機(jī)教育，2019（2）：82-85.

[6]趙翠芹，黃星壽.應(yīng)用型人才培養(yǎng)視域下數(shù)字電路課程教學(xué)改革[J].軟件導(dǎo)刊，2017，16（6）：214-216.

[7]吳厚航.勇敢的芯伴你玩轉(zhuǎn)NiosⅡ[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[8]何潔，羅興宇.基于應(yīng)用型本科的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索[J].電腦迷，2018（9）：206.

[9]桂小林，王東，黃傳河，等.基于新工科理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018（7）：25-30.

[10]郭瑛.以專業(yè)認(rèn)證為導(dǎo)向的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程設(shè)置探討[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（5）：115-117.