校企合作物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐訓練營的探索與實踐

王超 劉麗萍 于赫洋

[摘 要] 物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速，針對課程和實踐內(nèi)容與本行業(yè)的最新技術存在脫節(jié)、知識講授與項目實踐存在脫節(jié)等問題，通過校企合作，對物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐訓練營的技術平臺和組織形式進行了探索和實踐，提出并實踐了基于問題引導的“四段式”教學組織方式，提高學生工程項目開發(fā)應用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效率，實踐結果表明達到了預期的效果。

[關鍵詞] 校企合作;物聯(lián)網(wǎng);工程項目

[基金項目] 2019年度自動化類專業(yè)教學指導委員會專業(yè)教育教學改革研究課題“校企合作創(chuàng)新實踐課（營）與平臺的建設”（2019A01）

[作者簡介] 王 超（1973—），男，河北唐山人，工學博士，天津大學電氣自動化與信息工程學院副院長，教授，博士生導師，主要從事多相流機理與檢測技術研究。

[中圖分類號] G640? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）07-0093-04? ? [收稿日期] 2020-12-07

物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速，已成為世界新一輪經(jīng)濟和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一。針對高校教學內(nèi)容與行業(yè)最新技術相脫節(jié)的問題，我們與物聯(lián)網(wǎng)技術的領軍企業(yè)華為公司在校企協(xié)同育人方面進行了全面的合作，2018年創(chuàng)辦了物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐訓練營。訓練營在整合企業(yè)和高校的教育資源基礎上，不斷創(chuàng)新教學模式，在培養(yǎng)學生自主學習意識，提高解決復雜工程問題、創(chuàng)新實踐能力方面獲得了比傳統(tǒng)教學模式更好的效果。本文從存在問題與改革思路、技術平臺建設和教學組織三方面對該項教學改革工作進行介紹。

一、存在問題與改革思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用場景而設計的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）應運而生。NB-IoT（Narrow Band-Internet of Things）作為一項被廣泛認可的LPWAN技術標準，已被納入國家的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[1，2]。但是，已有的物聯(lián)網(wǎng)相關課程和實驗內(nèi)容對NB-IoT還少有涉及。同時，當前LPWAN的開發(fā)和應用需要使用貫穿終端、協(xié)議和云平臺的解決方案和工具，這也是已有教學內(nèi)容欠缺的。學生不掌握最新的技術、工具和開發(fā)體系，也就難以提出符合行業(yè)需求的創(chuàng)新解決方案[3，4]。

華為公司是NB-IoT國際標準的主要貢獻企業(yè)，其建立了完整的NB-IoT解決方案，處于該技術的領軍地位，因此，物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐營與華為公司合作，將主流的協(xié)議、最新的技術和工具引入教學環(huán)節(jié)。

在引進技術和平臺的同時，為了達到更好的教學效果，也要對教學組織進行改革。在常規(guī)的培養(yǎng)模式下，和專業(yè)、產(chǎn)業(yè)相關的項目式實踐活動一般都安排大學三、四年級。雖然這一模式非常成熟，但是，由于學生在前期的知識學習過程中沒有清晰的應用目標，且知識學習與實踐相隔時間較長，知識的遺忘率很高。針對該問題，借鑒UCL（University College London）將知識學習與項目設計集中組織的工程教育改革經(jīng)驗[5]，在物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐訓練營中，將知識學習、技術集訓和項目開發(fā)進行了整合，形成了基于問題引導的“四段式”教學組織方式。

二、技術平臺建設

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐訓練營的技術平臺引入了華為公司的整套解決方案，拓撲結構如圖1所示。終端設備使用LiteOS開發(fā)板，網(wǎng)絡通信協(xié)議采用NB-IoT，物聯(lián)網(wǎng)連接管理平臺采用華為的OceanConnect。

LiteOS是華為公司開發(fā)的一款開源輕量級的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，包括任務管理、內(nèi)存管理、時間管理、通信機制、中斷管理、隊列管理、事件管理、定時器、異常管理等操作系統(tǒng)基礎組件，可有效降低開發(fā)門檻，縮短開發(fā)周期。本課程選購了LiteOS開發(fā)板，該開發(fā)板使用STM32L431微處理器，并配有溫濕度、光強度、GPS、煙感和WiFi等擴展版，可進行很多應用場景的方案設計和驗證。

OceanConnect是華為公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)連接管理平臺，具有大數(shù)據(jù)分析與實時智能功能，可簡化終端接入，加速應用上線，已在智慧家庭、車聯(lián)網(wǎng)、智能抄表、智能停車和平安城市等很多實際項目中獲得成功應用。

整個技術平臺貫穿“端—管—云”，幫助學生高效系統(tǒng)地構建物聯(lián)網(wǎng)的知識構架，并以此為基礎，通過調(diào)研實際的行業(yè)應用需求，開發(fā)項目應用平臺，進行創(chuàng)新實訓。

三、基于問題引導的“四段式”教學組織

課程的組織如圖2所示，包括自主學習、集中實訓、項目開發(fā)和展示交流四個階段。問題啟發(fā)式（PBL，Problem-Based Learning）教學是1969年美國Howard Barrows創(chuàng)立的一種開放式教學模式，借鑒該模式，針對不同課程階段的教學目標和支撐的畢業(yè)要求，設計了引導問題和對應的考核方式。

（一）課程支撐的畢業(yè)要求

課程目標支撐6項畢業(yè)要求包括：（1）設計/開發(fā)解決方案：能夠根據(jù)工程問題，利用華為相應設備，設計和開發(fā)解決方案，掌握全過程生命周期，以及各類影響因素;（2）使用現(xiàn)代工具：熟悉并掌握NB-IoT開發(fā)平臺、LiteOS操作系統(tǒng)、OceanConnect平臺的使用，并應用到解決復雜工程問題當中;（3）工程與社會：能夠理解、評價開發(fā)項目/工程問題的社會價值、影響范圍，以及市場兼容性;（4）個人和團隊：理解在項目開發(fā)過程中，個人在團隊中承擔的具體工作與責任，掌握與其他成員的團隊協(xié)作能力;（5）溝通與表達：了解并掌握在解決復雜工程問題/項目開發(fā)過程中的溝通能力，掌握口頭與文字的溝通形式;（6）終身學習：建立自主學習與終身學習意識，具備終身學習的思維和行動能力。

（二）“自主學習”階段的設計

“自主學習”階段，以四個問題（物聯(lián)網(wǎng)是什么？你準備做什么？工程與社會的關系是什么？你能為團隊貢獻什么？）為引導。

表1給出了學生自主學習的綱要，學生可以通過各種途徑自主完成，如學校開設的物聯(lián)網(wǎng)通識課程、華為公司錄制的“玩轉物聯(lián)網(wǎng)”視頻課程等。學生在學習物聯(lián)網(wǎng)知識的基礎上，以3人為一組，通過需求調(diào)研，確定準備利用物聯(lián)網(wǎng)技術解決的實際問題，完成項目計劃和人員分工，形成報告。

（三）“集中實訓”階段的設計

在集中實訓中，為每組學生提供LiteOS開發(fā)板、支持NB-IoT的SIM卡和OceanConnect賬號。為期2天的集中實訓由華為企業(yè)專家與學校教師聯(lián)合指導，完成NB模組端側開發(fā)及數(shù)據(jù)上報、IoT連接管理平臺下發(fā)命令及設備響應、基于開發(fā)板移植與運行LiteOS，以及搭建應用服務器與平臺進行鑒權等四項實驗，授課內(nèi)容如表2所示。通過集中實訓，使學生掌握貫穿“端—管—云”開發(fā)方法。

（四）項目開發(fā)與展示交流

“項目開發(fā)”階段為3周。在這期間，學生利用LiteOS開發(fā)板完成設計的項目，由企業(yè)專家與學校教師提供指導。在項目開發(fā)最后階段，安排了項目“展示交流”環(huán)節(jié)，各組需提交答辯PPT和演示視頻，并進行現(xiàn)場答辯。由教師和企業(yè)專家組成的評審專家組進行提問和評分，同時也要求每位同學對各組的項目完成情況進行評分，將兩個成績共同構成各組的答辯成績。在答辯環(huán)節(jié)鼓勵學生提問，通過記錄學生提問和回答過程，配合評選優(yōu)秀講解和提問，評價學生思考的深入性和溝通表達能力。

（五）課程的形成性考核

在課程開展過程中，以問題為抓手，對設計過程進行形成性考核。形成性考核依據(jù)與畢業(yè)要求對應關系如表3所示。

四、結語

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐訓練營主要進行了三方面的改革：一方面，通過校企合作，將物聯(lián)網(wǎng)領域最新的技術和工具引入課程，且企業(yè)專家參與了課程的全過程，解決了學生所學知識和實踐內(nèi)容與本行業(yè)的最新技術相脫節(jié)問題;另一方面，課程內(nèi)容貫穿“端—管—云”，使學生更高效地形成系統(tǒng)的知識構架;最后，基于問題引導的“四段式”教學組織方式解決了知識講授和項目實踐間隔長、學生培養(yǎng)效率較低的問題，并對學生的畢業(yè)要求達成形成清晰的支撐。

在訓練營第一期課程中，參加課程的30名學生中，20余名通過了華為HCNA-IoT認證，華為公司在搜狐網(wǎng)上進行了報道[6]。選拔出的兩支隊伍參加2019年華為中國區(qū)大學生ICT大賽創(chuàng)新賽，全部成功晉級總決賽，其中一支隊伍在總決賽中獲得二等獎。由于該課程不限年級，其中一組為大一學生，難能可貴的是他們在課程的最后期限內(nèi)完成了項目，并進行了展示。這一事例說明了學生學習的巨大潛力，通過改革課程的組織方式，可有效調(diào)動學生學習的積極性。

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實踐訓練營的建立和組織方式也可借鑒到其他校企合作協(xié)同育人項目中。目前，我們采用同樣的課程組織方式，與NI公司合作開設的訓練營課程也已獲得教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目支持，在2020—2021學年第1學期正式開課。

參考文獻

[1]Kais Mekki， Eddy Bajic， Frederic Chaxel， Fernand Meyer. A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment [J].ICT Express，2019，5（1）：1-7.

[2]國務院. 國務院關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見[EB/OL].（2017-11-27） [2020-08-19]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-11/

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[3]鄭征，李偉偉.創(chuàng)新實踐教學體系 提升工科大學生創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2015，34（7）：195-198.

[4]高淑貞，胡亮，蔡印，等.基于創(chuàng)新實踐的探究性學習模式環(huán)境設計的思考[J].實驗技術與管理，2018，35（5）：183-185.

[5]D. R. Graham. The global state of the art in engineering education [M]. Massachusetts Institute of Technology， 2018.

[6]天津大學-華為物聯(lián)網(wǎng)精英實訓營圓滿落幕，全營29名學生悉數(shù)通過華為物聯(lián)網(wǎng)認證[EB/OL].（2018-12-25）[2020-08-19].https：//www.sohu.com/a/284420659_12005470

1.

Exploration and Practice of Innovation Practice Training Camp of Internet of Things in School-Enterprise Cooperation

WANG Chao， LIU Li-ping， YU He-yang

（School of Electrical and Information Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： With the rapid development of Internet of Things （IoT） technology， there are some problems such as the disconnection between the course and practice content and the latest technology of the industry， and the disconnection between knowledge teaching and project practice. Through school-enterprise cooperation， the technical platform and organization form of the IoT innovation practice training camp are explored in this paper. The “four-stage” teaching organization model based on problem-based learning is put forward， which improves the training efficiency of students engineering project development and application ability and innovation ability. The practice results show that the expected results have been achieved.

Key words： school-enterprise cooperation; Internet of Things （IoT）; engineering project