以能力為導(dǎo)向構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系

逄德明 羅玉川 陳穎文 胡罡

［摘 要］ 以培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新意識與工程能力為導(dǎo)向，通過分析物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特點，探索物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才實踐能力的培養(yǎng)方法，設(shè)計了涵蓋物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)的五類實踐教學(xué)體系。以國防科技大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)為例，在所構(gòu)建的體系框架下面向畢業(yè)要求能力達(dá)成，有效組織與實施了實踐教學(xué)活動，基于專業(yè)能力與課程內(nèi)容之間的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計了五類實踐教學(xué)相關(guān)內(nèi)容，形成了以核心課程實驗、綜合課程設(shè)計、專業(yè)實習(xí)、課外創(chuàng)新實踐和畢業(yè)設(shè)計為一體的循序漸進(jìn)式實踐教學(xué)體系。

［關(guān)鍵詞］ 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)；實踐教學(xué)體系；能力導(dǎo)向

［基金項目］ 2018年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)用性與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)研究與實踐”；2019年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“大數(shù)據(jù)背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)改革實踐”；2020年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“‘科教融合、訓(xùn)賽一體、平臺支撐的認(rèn)知域安全人才創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)”（HNJG-2020-0008）

［作者簡介］ 逄德明（1984—），男，內(nèi)蒙古興安盟人，博士，國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院副教授，主要從事智能物聯(lián)網(wǎng)與時序數(shù)據(jù)挖掘研究；羅玉川（1990—），男，四川廣安人，博士，國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院講師，主要從事云數(shù)據(jù)安全和隱私計算研究；陳穎文（1979—），男，湖南株洲人，博士，國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）16-0005-04［收稿日期］ 2021-09-27

一、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)概述

自2010年物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)被批準(zhǔn)開設(shè)以來，我國共計五百余所本科院校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，成為近十年院校新增數(shù)量最多的專業(yè)［1］。教育部高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會已于2012年頒布了《高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范（試行）》和《高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系與規(guī)范（試行）》［2-3］，以指導(dǎo)高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的辦學(xué)定位和專業(yè)建設(shè)，在此基礎(chǔ)上國內(nèi)高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)逐步得到完善，但如何開展物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)設(shè)計與實施從而提高學(xué)員的物聯(lián)網(wǎng)實踐創(chuàng)新能力，仍是教育工作者面臨的較大挑戰(zhàn)。因此，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)、實踐教學(xué)改革、物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)及其典型應(yīng)用研發(fā)已成為相關(guān)高校和企業(yè)關(guān)注的新方向［4］。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)具有跨學(xué)科、技術(shù)廣、綜合性強(qiáng)等特點，多學(xué)科知識交叉融合，涉及通信、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、自動控制等領(lǐng)域，致力于培養(yǎng)學(xué)員綜合實踐、應(yīng)用創(chuàng)新等方面的能力，以滿足當(dāng)前社會信息化及智能化環(huán)境下對人才的多樣化需求。其中，物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層。我校自開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以來，經(jīng)過幾年的專業(yè)教學(xué)實踐探索，圍繞物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐能力指標(biāo)點，針對教學(xué)過程中存在的問題，從培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新意識、工程意識、工程能力出發(fā)，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系進(jìn)行了設(shè)計和完善，構(gòu)建了“三層五類”的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系。

二、實踐教學(xué)體系設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)以應(yīng)用為驅(qū)動，明確人才培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)目標(biāo)主要涉及兩個方面：一是要明確培養(yǎng)什么樣的人，即清楚企業(yè)需要什么樣的專業(yè)人才；二是要明確這類人才的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，即學(xué)員畢業(yè)時需要達(dá)到怎樣的基本要求。以新時代人才需求的變化為依據(jù)，通過走訪用人單位、調(diào)研企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，研究物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)畢業(yè)生工作崗位與專業(yè)實踐能力的對應(yīng)關(guān)系，以及專業(yè)實踐能力與課程知識體系的對應(yīng)關(guān)系等，最終按照工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)，形成了包含專業(yè)實踐能力在內(nèi)的33項能力指標(biāo)點的畢業(yè)要求。

為支撐各個實踐能力指標(biāo)點，需要合理設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課內(nèi)實驗與課外實踐項目，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)方向?qū)嵺`教學(xué)的三個轉(zhuǎn)換，即從單一結(jié)構(gòu)型向復(fù)合結(jié)構(gòu)型轉(zhuǎn)換，從以課堂教學(xué)為主向課堂教學(xué)與實踐教學(xué)并重轉(zhuǎn)換，從知識傳授型教學(xué)向能力培養(yǎng)型教學(xué)轉(zhuǎn)換。

在具體進(jìn)行實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計時，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系中的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐教學(xué)，以配合加強(qiáng)學(xué)員對于感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用層理論和技術(shù)的認(rèn)識、理解和應(yīng)用。以物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)體系的設(shè)計原則為指導(dǎo)，圍繞專業(yè)能力培養(yǎng)和專業(yè)規(guī)范，建設(shè)五類實踐教學(xué)體系，包括核心課程實驗、綜合課程設(shè)計、專業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計和學(xué)科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽。

在實踐教學(xué)的具體實施過程中，以工程化項目作為載體，采取項目驅(qū)動式及實施方案反推原則進(jìn)行構(gòu)建，即按照校外實踐基地建設(shè)—實踐教學(xué)師資建設(shè)—校內(nèi)實踐環(huán)境建設(shè)—實踐教學(xué)模式建設(shè)四個階段實施物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系建設(shè)。

（一）核心課程實驗實踐教學(xué)建設(shè)

專業(yè)課程設(shè)置的課內(nèi)實驗以驗證性實驗為主，側(cè)重于訓(xùn)練學(xué)員的基本學(xué)科能力。通過整合計算機(jī)、電子信息和通信等專業(yè)課程，梳理出國防科技大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系，其主要課程設(shè)置如表1所示。

針對專業(yè)核心課程的教學(xué)內(nèi)容，循序漸進(jìn)地按照基本認(rèn)知、基本技術(shù)和綜合實踐三層開展實驗教學(xué)。以“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”課程為例，同步開展課程實驗與課程教學(xué)。針對物聯(lián)網(wǎng)基本系統(tǒng)組成相關(guān)知識，設(shè)計傳感器技術(shù)實驗、RFID技術(shù)實驗和二維碼技術(shù)實驗，使學(xué)員對課程面向的技術(shù)對象有實感上的認(rèn)知，了解傳感器的工作原理、傳感器節(jié)點的功能及傳感器的組成和分類，并能夠通過編程實現(xiàn)傳感器信息采集功能。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用案例，設(shè)計三點定位實驗、Hadoop實驗及MapReduce實驗，鞏固學(xué)員的課程學(xué)習(xí)成果，進(jìn)一步鍛煉學(xué)員綜合運用理論和技術(shù)解決實際問題的能力。

實踐教學(xué)過程突出“三實”，即選取實際案例、使用實際設(shè)備、基于實際數(shù)據(jù)開展實踐教學(xué)。在實踐教學(xué)課程中，設(shè)計貼近實際應(yīng)用的內(nèi)容和項目，如在“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”課程中，設(shè)計人員身體狀態(tài)檢測系統(tǒng)、無人車自動駕駛等在真實應(yīng)用下可能出現(xiàn)的場景；在“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”課程實驗中，使用CAN總線嵌入式平臺開發(fā)CAN總線通信系統(tǒng)；在“物聯(lián)網(wǎng)安全課程設(shè)計”中，使用真實的車載控制數(shù)據(jù)集中完成入侵檢測的設(shè)計與實現(xiàn)。

（二）綜合課程設(shè)計實踐教學(xué)建設(shè)

以應(yīng)用為牽引設(shè)計綜合性實驗，初步訓(xùn)練學(xué)員解決問題的能力，并設(shè)置難度依次遞進(jìn)的若干實驗。綜合課程設(shè)計應(yīng)更強(qiáng)調(diào)綜合性和設(shè)計性，因此，在設(shè)計實踐項目時強(qiáng)調(diào)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的三層模型，并在此基礎(chǔ)上建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設(shè)的綜合課程設(shè)計包括“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”“物聯(lián)網(wǎng)安全綜合實踐”和“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)與系統(tǒng)集成”。

以“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”課程為例，該課程是團(tuán)隊項目，主要面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大學(xué)四年級學(xué)員開設(shè)，涉及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等各方面內(nèi)容。要求學(xué)員能夠運用“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)與系統(tǒng)集成”等課程所學(xué)的知識，設(shè)計并實現(xiàn)具有一定功能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并完成報告的撰寫，模擬真實物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)各個關(guān)鍵部件的設(shè)計與實現(xiàn)過程。

“物聯(lián)網(wǎng)綜合實踐”課程設(shè)計的第一個項目是智能花盆，要求學(xué)員運用課堂所學(xué)知識，自己動手制作一個能夠自動降溫、灌溉、調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境的花盆；第二個項目要求學(xué)員基于藍(lán)牙模塊，設(shè)計一個室內(nèi)定位系統(tǒng)；第三個項目要求學(xué)員通過編寫程序，實現(xiàn)智能小車的自動駕駛，并在賽道上通過比賽結(jié)果評定成績；最后一個項目即要求學(xué)員設(shè)計心率分析系統(tǒng)，通過測量人的心率，利用可視化的方式展現(xiàn)人體健康狀況。

通過上述實踐項目的開展，有利于學(xué)員掌握多傳感器應(yīng)用，能夠通過編程獲取傳感器數(shù)據(jù)；掌握傳感器對環(huán)境的感知，并根據(jù)感知信息進(jìn)行系統(tǒng)反饋；掌握提升室內(nèi)定位精度的經(jīng)典方法；能夠設(shè)計軟硬件系統(tǒng)，實踐完整的開發(fā)流程，并且能夠覆蓋物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)33項能力指標(biāo)點中的12項實踐能力目標(biāo)指標(biāo)點。

（三）建設(shè)院校與用人單位協(xié)同育人體系，聚焦崗位與專業(yè)能力的緊耦合

通過建立實踐基地，能夠使院校更準(zhǔn)確地了解用人單位需求，據(jù)此更新培養(yǎng)方案。在培養(yǎng)過程中實行單位與院校的雙導(dǎo)師制，充分利用社會資源為學(xué)校服務(wù)，充實和完善校內(nèi)實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。通過基地實習(xí)環(huán)節(jié)，有利于形成實習(xí)案例和實習(xí)規(guī)范，有序銜接課程實驗、綜合課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計等校內(nèi)實踐課程學(xué)習(xí)，拓展學(xué)員的綜合能力和綜合素質(zhì)。

校內(nèi)實踐項目與校外基地建設(shè)聚焦學(xué)員的實踐動手能力與綜合應(yīng)用能力的提升。院校要梳理實踐能力生成模型，以此為綱，打造高水平師資隊伍，優(yōu)化實踐教學(xué)環(huán)境，加強(qiáng)實踐基地建設(shè)，最終落實于學(xué)員物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)能力培養(yǎng)這一靶心，促使學(xué)員的專業(yè)能力在新的維度錨定，在實踐全過程中得到錘煉。

（四）畢業(yè)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計是體現(xiàn)本科生各方面能力的總結(jié)性獨立作業(yè)，具體形式是要求學(xué)員針對某一課題，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)有關(guān)課程的理論和技術(shù)，做出能夠解決實際問題的或具有創(chuàng)新意義的設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計是物聯(lián)網(wǎng)工程實踐教學(xué)體系的最后一個環(huán)節(jié)，既可以在學(xué)校完成，也可以在與用人單位共建的實踐基地完成。通過畢業(yè)設(shè)計的實施，學(xué)員可以對某一課題開展深入系統(tǒng)的研究，從而鞏固、擴(kuò)大、加深已有知識，培養(yǎng)綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計課題涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)中的感知、傳輸與應(yīng)用二十余項。其中一些有代表性的畢業(yè)設(shè)計課題，如“電梯疲勞度智能感知與分析系統(tǒng)”的主要內(nèi)容是設(shè)計與實現(xiàn)電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊，通過電梯運行狀態(tài)參數(shù)的采集與智能分析，實現(xiàn)對電梯疲勞度的判定，輔助電梯系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)。通過參與課題研究，可以提高學(xué)員對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集與分析處理能力。另一項課題“云眾包系統(tǒng)的信譽(yù)建模技術(shù)研究”的主要任務(wù)是讓學(xué)員通過獨立調(diào)研，了解基于云平臺的眾包系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建眾包用戶的信譽(yù)評價模型，最后通過仿真實驗驗證信譽(yù)評價模型的合理性。通過該課題的研究，可以讓學(xué)員對云計算的概念及其優(yōu)勢有更深入的理解，學(xué)會基于云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與加工。“無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)”課題的主要內(nèi)容是在USRP開發(fā)平臺實現(xiàn)無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的主要功能，包括頻譜的感知與接入。要求學(xué)員能夠具體完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點對無線信號的能量感知，獲取無線信道狀態(tài)信息后分析判斷信道狀態(tài)，最終能夠選擇合適的多個信道實現(xiàn)信息的傳輸，并測試分析動態(tài)頻譜接入模式下的網(wǎng)絡(luò)性能與服務(wù)質(zhì)量。該項目主要訓(xùn)練和考核學(xué)員對物聯(lián)網(wǎng)中信息傳輸層的設(shè)計與開發(fā)能力。

（五）以學(xué)科競賽為牽引，提高學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)

課外創(chuàng)新實踐活動旨在訓(xùn)練學(xué)員的高層次專業(yè)能力，因此，要將最新的科學(xué)研究成果及時地融入教學(xué)實踐中，有意識地培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)員獨立思考、勇于探索的精神，構(gòu)建創(chuàng)新型教學(xué)平臺。

國防科技大學(xué)充分利用網(wǎng)絡(luò)安全重點實驗室積累的一系列國際先進(jìn)科研成果，面向?qū)W員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，開發(fā)了豐富的教學(xué)資源，并探索了與之相配套的教學(xué)方法，取得了顯著成效。其中NetMagic是國防科技大學(xué)重點實驗室面向下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)而研究開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，該平臺具有硬件可重構(gòu)性和軟件控制可編程性的特點，而且其內(nèi)部具有計算存儲模塊以及豐富的功能擴(kuò)展接口，有助于打破傳統(tǒng)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的封閉性束縛，顯著縮短網(wǎng)絡(luò)技術(shù)科研創(chuàng)新周期，有效減輕學(xué)員的系統(tǒng)設(shè)計和驗證工作，幫助學(xué)員擺脫單純的驗證式實驗方式，避免無法觸及和改變網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部工作機(jī)制的缺憾，為新型傳輸機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究提供有效的驗證手段。

基于NetMagic平臺設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)綜合性實驗環(huán)節(jié)，以現(xiàn)實應(yīng)用為驅(qū)動，助力學(xué)員設(shè)計開發(fā)學(xué)科競賽作品，以更有效地激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新能力，感受物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與改造的成就感。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最新研究熱點、最前沿研究課題和學(xué)員畢業(yè)課題內(nèi)容，將最具有代表性的教學(xué)案例應(yīng)用到課程實驗中。其中典型教學(xué)案例包括：路由器原型、基于規(guī)則的數(shù)據(jù)流鏡像和阻斷工具、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和Trace生成工具等。此外，為進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)員參與課外創(chuàng)新的積極性，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案中設(shè)置課外創(chuàng)新實踐活動的最低學(xué)分要求。創(chuàng)新實踐活動形式可以多種多樣，如參加創(chuàng)新實踐競賽、申報項目、發(fā)表學(xué)術(shù)論文、申請專利等，多舉措鼓勵學(xué)員參加科技創(chuàng)新活動，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

結(jié)語

本文以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)規(guī)范和知識要求、專業(yè)能力要求、專業(yè)素質(zhì)要求為主要設(shè)計依據(jù)，構(gòu)建了支撐畢業(yè)要求能力的“三層五類”物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學(xué)體系。同時以國防科技大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)為例，堅持以能力為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式，組織與實施了“三層五類”實踐教學(xué)體系，將不同能力要求貫穿教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，形成了以核心課程實驗、綜合課程設(shè)計、專業(yè)實習(xí)、課外創(chuàng)新實踐和畢業(yè)設(shè)計為一體的循序漸進(jìn)式實踐教學(xué)體系，以期為國內(nèi)外同類高校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的實驗實踐教學(xué)提供參考與借鑒。

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Abstract： By analyzing the characteristics of Internet of Things （IoT） engineering majors， the practical ability training mode for this major is developed to level up their spirit of innovation and engineering capability. The proposed teaching system includes five parts which covers three tier architecture. The IoT major construction of NUDT is taken as an example to illustrate the organization and implementation of practical teaching which is oriented to fulfill graduation requirements. Based on the relationship between the required capability and contents of each course， the main content for five kinds of practical teaching is proposed， including in-class experiment， course project， professional training course， out-class innovative activity and graduation project.

Key words： internet of things engineering; practical teaching system; capability oriented