新工科建設(shè)背景下物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐教學(xué)研究與改革

黃 偉，劉三民，趙森嚴(yán)

(安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 蕪湖241000)

1 概述

在新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，工程教育迫切需要培養(yǎng)專業(yè)化、創(chuàng)新型人才，新工科研究日趨成為工程教育創(chuàng)新改革的主流。2016年中國加入《華盛頓協(xié)議》，2017年教育部號召新工科研究與實(shí)踐，從“復(fù)旦共識”到“天大行動”，繼而到“北京指南”[1]，新工科建設(shè)和教育模式探索與創(chuàng)新成為當(dāng)前工科專業(yè)教學(xué)研究與改革的熱點(diǎn)。在新工科建設(shè)大背景下，如何提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)推進(jìn)傳統(tǒng)工科專業(yè)改造，突破關(guān)鍵核心技術(shù)搶灘戰(zhàn)略制高點(diǎn)[2]，改造傳統(tǒng)專業(yè)及課程、重構(gòu)課程知識體系、改革教學(xué)模式及評價體系、深化產(chǎn)教融合、加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新，業(yè)已成為教學(xué)改革與實(shí)踐要面對的主要課題。本文結(jié)合我校物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀和建設(shè)實(shí)踐，提出一種新型實(shí)踐教學(xué)模式，以求提高物聯(lián)網(wǎng)工程課程教學(xué)質(zhì)量，滿足新工科建設(shè)的背景要求。

2 現(xiàn)有教學(xué)模式的分析

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系可歸納為感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層和應(yīng)用層。感知層涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)（Wi-Fi、ZigBee）、RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、底層執(zhí)行、微處理器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、IPv6技術(shù)等內(nèi)容；網(wǎng)絡(luò)通信層涉及到移動通信技術(shù)（3G/4G/5G數(shù)據(jù)通信、無線通信模組開發(fā)、GPRS通信）、In?ternet技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Android嵌入式編程、移動互聯(lián)應(yīng)用開發(fā)、移動硬件開發(fā)）、物聯(lián)網(wǎng)中間件（標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、Web service開發(fā)）、數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)庫編程及安全、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)）等內(nèi)容；應(yīng)用層還涉及到物聯(lián)網(wǎng)安全及云計(jì)算等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系復(fù)雜，牽涉到網(wǎng)絡(luò)、通信、軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)等很多層面，需要自頂向下、由點(diǎn)及面的理解和把握。

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)基本圍繞著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的架構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主干課程主要有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、傳感檢測與RFID技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)控制、物聯(lián)網(wǎng)安全、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與開發(fā)等[3]，其主要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括學(xué)科基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，專業(yè)課程設(shè)計(jì)，專業(yè)認(rèn)識實(shí)習(xí)，專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）、科技創(chuàng)新實(shí)踐等。雖然形式不一，但主要目的是通過全方位多層次的實(shí)踐教學(xué)提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決問題的能力。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)是實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是易于被忽視的重要一環(huán)，主要培養(yǎng)學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、基本理論方法、工程開發(fā)與實(shí)踐應(yīng)用的能力；專業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)是檢驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)效果良好與否的關(guān)鍵。以上教學(xué)環(huán)節(jié)由于多種因素影響，目前還存在一些問題和不足：教學(xué)模式陳舊、教學(xué)方式和手段單一；在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè)及實(shí)際教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容和質(zhì)量不能很好地滿足和適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和技術(shù)發(fā)展趨勢；教學(xué)評價主要還是關(guān)注于實(shí)踐報(bào)告的書面完成情況，仍不能很好評價和反饋課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)的效果。

綜上所述，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐教學(xué)水平不高，實(shí)踐教學(xué)平臺亟待建設(shè)，實(shí)踐教學(xué)與新工科建設(shè)的目標(biāo)要求還有較大差距，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果評價體系尚需進(jìn)一步完善。因此亟需加快建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程課程實(shí)踐實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺，對軟、硬件和涉及的教學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)，并對授課效果及時評價和監(jiān)測。為了全面提高物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，本文結(jié)合當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)實(shí)際，借力移動智慧教學(xué)資源平臺，研究并考慮構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)綜合平臺，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的“一中心、一平臺、三終端”的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐教學(xué)模式。

3 基于“一中心、一平臺、三終端”的新型實(shí)踐教學(xué)模式

隨著移動互聯(lián)的發(fā)展和成熟，手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備的應(yīng)用大量被高校師生所使用，因此在教學(xué)過程中，可以有效借助移動平臺和云平臺，整合相關(guān)課程資源、文檔，構(gòu)建和打造智慧課堂，提升師生課堂體驗(yàn)和教學(xué)效果，為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式的改革注入新活力。針對目前的實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出一種新的實(shí)踐教學(xué)模式，即“一中心、一平臺、三終端”。一中心指的是以新工科建設(shè)要求和學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心；一平臺即基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系和課程架構(gòu)建設(shè)完善的實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)備和環(huán)境；三終端指的是圍繞實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)踐教學(xué)平臺的支撐下，學(xué)生、企業(yè)和教師作為3個終端因素，三者相輔相成，合力協(xié)作助推教學(xué)模式落在實(shí)處。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)過程中學(xué)生終端是主體，教師側(cè)主要承擔(dān)輔助指導(dǎo)作用，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)實(shí)際相結(jié)合，企業(yè)作為一個重要終端也要融合到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中去。例如在課程實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，可以在相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)企業(yè)遴選技術(shù)專家或工程師團(tuán)隊(duì)參與到教學(xué)環(huán)節(jié)，將主流產(chǎn)品、先進(jìn)技術(shù)、優(yōu)質(zhì)的設(shè)備和方法直接帶到實(shí)踐教學(xué)環(huán)境中，同時與課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)中的教師也可形成良性協(xié)作關(guān)系，只有這樣才能促進(jìn)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

要實(shí)現(xiàn)三終端的高效融入，體現(xiàn)和符合新工科建設(shè)的背景要求，最佳的策略是構(gòu)建一個實(shí)踐教學(xué)體系平臺環(huán)境，且平臺要體現(xiàn)分層多樣性的教學(xué)特征，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系和課程架構(gòu)與產(chǎn)品技術(shù)、開發(fā)流程和問題解決方案相互融合，滿足實(shí)踐教學(xué)分層的需要?；诖?，可以構(gòu)建包含基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺及行業(yè)應(yīng)用平臺3個方面的分層實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，實(shí)踐平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)踐平臺結(jié)構(gòu)

第一方面，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺主要著眼于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)理論的核心知識點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重在圍繞課程實(shí)驗(yàn)夯實(shí)學(xué)生的實(shí)踐理論基礎(chǔ)，開展針對性實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)平臺和環(huán)境要與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系3個層面上的每個知識點(diǎn)全面有效貫通，培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)能力，其平臺設(shè)備環(huán)境的設(shè)置和選擇要具備簡單性，便于教學(xué)，使學(xué)生快速領(lǐng)會相關(guān)知識點(diǎn)。同時平臺還要具備一定開放性，預(yù)留相關(guān)軟硬件接口，方便學(xué)生進(jìn)行自定義開發(fā)設(shè)計(jì)，為后續(xù)更深層次的實(shí)踐教學(xué)做好準(zhǔn)備。例如，感知層是物聯(lián)網(wǎng)的底層，傳感器是其中重要的基礎(chǔ)部件，可集成壓力、溫濕度、氣體、紅外等傳感器以及ZigBee無線通信、蜂鳴器、指示燈、伺服電機(jī)等設(shè)計(jì)基于感知層的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握。

第二方面，實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺定位專業(yè)實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)，在學(xué)生掌握一定的基礎(chǔ)能力后，綜合運(yùn)用相關(guān)課程的若干知識點(diǎn)和各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決實(shí)際應(yīng)用場景中的問題，通過實(shí)例教學(xué)讓學(xué)生感受到物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大應(yīng)用，這也是實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺相異之處。實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺環(huán)境要依托項(xiàng)目案例為主要載體，提煉實(shí)際工程案例豐富教學(xué)資源，教學(xué)時可將學(xué)生分組（group），每個組在企業(yè)工程師和教師兩端的共同指導(dǎo)下，完成一個小型綜合項(xiàng)目。例如在RFID基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置RFID綜合實(shí)驗(yàn)平臺，基于各種RFID頻段（125K、13.56MHz、915MHz、2.4GHz），模擬利用RFID技術(shù)及安全協(xié)議[4]，綜合實(shí)現(xiàn)1個小型資產(chǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)、文檔信息管理系統(tǒng)和小商品標(biāo)簽智能導(dǎo)購應(yīng)用等。

第三方面，針對畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)的較高層次，構(gòu)建成熟的基于行業(yè)應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，這是實(shí)踐教學(xué)的最終目標(biāo)。例如可以選擇智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為案例切入點(diǎn)以構(gòu)建一個完整的基于家居控制系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)和執(zhí)行子系統(tǒng)的大平臺，實(shí)現(xiàn)智能家電、燈光控制、家居環(huán)境監(jiān)測、視頻安防監(jiān)控應(yīng)用等功能。

4 教學(xué)實(shí)踐

基于本文提出的“一中心、一平臺、三終端”的實(shí)踐教學(xué)平臺體系，可以有效整合課程群資源，將實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法和產(chǎn)業(yè)技術(shù)需求、特征和工程相結(jié)合。為了進(jìn)一步放大“一平臺”的優(yōu)勢，要大力借助先進(jìn)的教學(xué)手段提升“三終端”的協(xié)作效能，此時，作為實(shí)踐教學(xué)的主要參與者，教師終端要起關(guān)鍵性指導(dǎo)作用，目前移動互聯(lián)和應(yīng)用無處不在，在實(shí)踐教學(xué)過程中，可以考慮運(yùn)用移動智慧課堂環(huán)境（例如學(xué)習(xí)通等）有效完成教學(xué)內(nèi)容整合[5]、流程再造和效果評價，與理論教學(xué)相似，讓學(xué)生充分參與實(shí)踐教學(xué)過程。

在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺層次的教學(xué)中，讓企業(yè)端和教師端共同發(fā)揮作用，如邀請一些企業(yè)一線的技術(shù)工程師和教師共同來完成物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學(xué)過程，二者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。如利用一些小型綜合項(xiàng)目或大案例的子項(xiàng)目，工程師加入到移動課堂中并進(jìn)行課程指導(dǎo)和管理，就綜合問題或項(xiàng)目的具體場景和實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹和指導(dǎo)，同時利用學(xué)習(xí)通的班級分組功能，將學(xué)生進(jìn)行動態(tài)分組，教師團(tuán)隊(duì)和工程師可以加入到指導(dǎo)組，這樣使得學(xué)生能全方位投入到實(shí)踐教學(xué)課堂，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐課堂和移動網(wǎng)絡(luò)課堂的互聯(lián)對接。

5 結(jié)論

基于新工科建設(shè)的總體背景和細(xì)化要求，針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的不足，提出了基于“一中心、一平臺、三終端”實(shí)踐教學(xué)平臺體系的新型實(shí)踐教學(xué)模式，將物聯(lián)網(wǎng)分層技術(shù)體系融合到整個教學(xué)過程中，使課程知識點(diǎn)與技術(shù)特征及要點(diǎn)相契合，實(shí)踐教學(xué)能夠依托不同應(yīng)用場景解決實(shí)際問題，同時借助移動智慧課程平臺，將課內(nèi)與課外相結(jié)合、理論與實(shí)際相結(jié)合，提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和效果，逐步培養(yǎng)學(xué)生的工科素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力。