“101計劃”物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)全棧式人才培養(yǎng)新探

摘 要：針對“101計劃”實施以來物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀與不足，提出對本專業(yè)人才進行“全棧式”培養(yǎng)探索，即在人才培養(yǎng)方案的指導(dǎo)下，聚焦核心課程，并精心打造多門課程知識迭代、多種開發(fā)板訓練迭代，逐步提升學生的實踐能力，并以實驗仿真、案例實踐和項目綜合應(yīng)用為核心，與合作企業(yè)持續(xù)探索新的教學內(nèi)容和項目，以增強學生運用已有知識解決實際問題的思維模式和創(chuàng)新能力；主要策略是以人才培養(yǎng)方案為指導(dǎo)，形成多核心課程聯(lián)動，配合課程實訓，與合作企業(yè)一起多角度、多層次、多系列地培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)人才。為驗證該培養(yǎng)方案的有效性，對2020—2023年間3門專業(yè)課程的平時成績與綜合成績等數(shù)據(jù)進行了單因素、雙因素方差分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LM算法比較分析，結(jié)果顯示，這種培養(yǎng)方案有利于學生鞏固基礎(chǔ)知識，提升學生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：“101計劃”；教學改革；對比教學法；迭代教學法；LM算法；創(chuàng)新能力

中圖分類號：TP39；G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.034

0 引 言

2021年以來，隨著國家教育部啟動的“101計劃”不斷推進，大學新一輪教學改革也逐漸走入人們的視野[1]，計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)從過去強調(diào)“程序性開發(fā)”能力轉(zhuǎn)向更重要的“系統(tǒng)性思維”與“系統(tǒng)性設(shè)計”能力[2]，通過建設(shè)一流核心課程、核心教材、核心師資和核心實踐項目等，用課程改革的小風口帶動人才培養(yǎng)模式的大變革[3]。然而現(xiàn)實中，大多專業(yè)課程的授課存在以下問題[4-5]：

（1）存在教學與科研時間分配不均的問題，表現(xiàn)為重科研、輕教學，導(dǎo)致授課任務(wù)化、形式化；

（2）專業(yè)課程教學內(nèi)容更新快，陳述抽象，缺少專業(yè)教師指導(dǎo)，學生難以深入理解；

（3）課程實踐難度較大，導(dǎo)致學生預(yù)習、復(fù)習缺乏動力；

（4）由于課時限制，實驗環(huán)節(jié)嚴重不足，導(dǎo)致實踐環(huán)節(jié)嚴重缺失。

針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學存在的問題，本團隊在原“雙輪閉環(huán)”教學體系[6]下，提出“全棧式”人才培養(yǎng)方案，即：以重新修訂的本專業(yè)人才培養(yǎng)方案為指導(dǎo)，以專業(yè)基礎(chǔ)課程為輔助，專注專業(yè)核心課程的引導(dǎo)，以精心打造的與專業(yè)相關(guān)聯(lián)的多課程知識迭代、多開發(fā)板訓練迭代為特色，逐步提升學生實踐能力，與合作企業(yè)不斷探索新穎的教學方案與實踐項目，多系列培養(yǎng)學生靈活運用知識解決實際問題的思維模式。

這種方式與當前中小企業(yè)開展“專精特新”[7-8]研究相似，通過借鑒這一新的理念[9]，進一步激發(fā)計算機類課程的建設(shè)活力和發(fā)展動力，推動高校計算機類專業(yè)的教學改革計劃—“101計劃”，探索物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學改革的實踐路徑，著力推動本專業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

“101計劃”旨在通過教材、教案和課堂三方面的工作，解決“教什么”和“怎么教”這兩個問題，促進教學的改進與創(chuàng)新，這方面國內(nèi)教育工作者針對計算機類課程教學問題也在不斷探索，最早從綜合設(shè)計實驗入手[10]，著重學科的課堂觀察[11]與課程仿真實驗[12]，特別是“101計劃”實施以來，更注重對課堂觀察、提升課堂質(zhì)量[13]與混合式教學模式的探索[14-15]。

1 “全棧式”培養(yǎng)設(shè)計理念及實施

何為“全棧式”人才，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才而言，不僅要求其掌握各種開發(fā)板EDA設(shè)計，而且要掌握傳感器集成系統(tǒng)開發(fā)技能，即要勝任上位機與下位機的開發(fā)，也要利用多種技能獨立開發(fā)功能完善的處理系統(tǒng)。

1.1 修訂專業(yè)人才培養(yǎng)方案，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)“雙輪閉環(huán)”教學體系

為了打通與計算機科學技術(shù)與電子信息工程專業(yè)的壁壘，特將相同或相近專業(yè)課程采用相同課程編號，便于學生選課與專業(yè)混合教學。同時針對社會需求變化，在原有人才培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，新增了EDA電路設(shè)計、FPGA技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)與人工智能等課程的協(xié)同訓練，突出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特色課程與“雙輪閉環(huán)”教學體系，如圖1所示。以EDA技術(shù)、電路分析、模擬電路、數(shù)字電路為基礎(chǔ)，硬件方面首先從Gduino開發(fā)板開始學習傳感器，再由單片機C51→STM32→S5P6818→FPGA→小熊派Hi3861逐次學習各類傳感器驅(qū)動編程，形成硬件學習系列閉環(huán)；軟件方面，首先從KRobot軟件編程開始，再按照Linux→Keil→STM32cubemx→Qt→Quartus→VSCode+DevEco"Studio的順序，掌握配套的軟件開發(fā)環(huán)境。在實施過程中，不斷迭代相應(yīng)課件與實驗代碼，完善“全棧式”教學體系模式。

1.2 引入對比教學法與迭代教學法，不斷迭代教學課件，豐富實驗系列

為了更好地實現(xiàn)“雙輪閉環(huán)”教學體系，在教學過程中，將講授的各課程串聯(lián)起來，如Linux系統(tǒng)管理-信息論基礎(chǔ)-信號與系統(tǒng)-通信原理-傳感器原理-無線傳感網(wǎng)絡(luò)-嵌入式系統(tǒng)，制訂授課模塊與實驗案例，隨著教學內(nèi)容的深入，相應(yīng)實驗內(nèi)容不斷加深，而且會在講授基礎(chǔ)上不斷對實驗進行迭代優(yōu)化，如圖2所示。

在實驗教學分析過程中，利用KK錄像機進行全過程錄相，方便學生課后對不理解的知識點重新學習，現(xiàn)錄制的視頻不少于200個。

1.3 校企多維度合作，與創(chuàng)新團隊共同成長

“全棧式”人才的培養(yǎng)，離不開企業(yè)的一系列支持與創(chuàng)新團隊的培養(yǎng)。

創(chuàng)新團隊建設(shè)。大一新生根據(jù)自己的興趣，選擇加入對應(yīng)的創(chuàng)新團隊，一般組織高年級同學作為組長，專門負責基礎(chǔ)知識培訓，現(xiàn)在這類團隊有6個，最高峰時超10個。另外，在培養(yǎng)方案中新增創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐學分1分，要求取得學院規(guī)定的成果才能畢業(yè)，進一步督促學生積極融入創(chuàng)新團隊，通過自己的努力取得相應(yīng)成果。

與知名企業(yè)合作。在人才培養(yǎng)方面取長補短，企業(yè)結(jié)合自身專長負責對應(yīng)課程的規(guī)劃，完成對應(yīng)課程的設(shè)計內(nèi)容，豐富學生實踐經(jīng)驗，當前主要合作企業(yè)有3家。

除進行校企合作外，安排相應(yīng)教師參加企業(yè)組織的師資培訓也很重要，能讓授課教師了解企業(yè)項目的開發(fā)流程、提升項目開發(fā)經(jīng)驗，豐富課堂內(nèi)容、拓展教學層次，配合企業(yè)開展課程設(shè)計，與學生共同成長。

2 主要導(dǎo)向策略

2.1 教學改革思維

為了培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的大工程觀思維，首先需要解決各課程內(nèi)容與實驗內(nèi)容的協(xié)同問題。在人才培養(yǎng)方案中，列出其相應(yīng)協(xié)同關(guān)系，如圖3所示。

在教學過程中，根據(jù)難易程度對課程與實踐內(nèi)容進行劃分，并注重對學生的引導(dǎo)，首先介紹簡單的Linux指令，如何使用簡單的C語言完成Linux環(huán)境下的編程、交叉編譯與運行；之后介紹Gduino開發(fā)板，利用圖形方式編程，將執(zhí)行程序下載到開發(fā)板中驗證，讓學生初步認識傳感器，了解傳感器驅(qū)動代碼的編寫；然后在后期課程中逐步加深實驗難度，最終編寫一個相對完整的系統(tǒng)，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)知識的靈活應(yīng)用。

教師之間的交流很重要，教師可利用每兩周一次的系會進行學術(shù)交流，探討課程方案、教學心得、科研成果及與企業(yè)信息交流等。

2.2 創(chuàng)新團隊與教學團隊

教學團隊一般相對穩(wěn)定，主要以系為單位，兼有部分其他系成員，而且成員教學課程相對穩(wěn)定，教學時間相應(yīng)固定，但創(chuàng)新團隊，特別是學生創(chuàng)新團隊受畢業(yè)影響流動較大，一般一年級學生只能簡單參與，二年級學生能簡單動手，三年級學生剛能較好地完成項目，但就業(yè)與考研壓力大，對項目失去興趣，四年級學生忙于就業(yè)實習與畢業(yè)論文，無心參與。因此當前環(huán)境下，學生團隊穩(wěn)定性較差，感興趣的項目難持久，一般通過成果獎勵穩(wěn)定學生團隊。

主要措施如下：

（1）設(shè)立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學分，讓學生了解獲得該學分的途徑與方法，督促學生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動；

（2）提前講解知識，盡力讓學生在二年級與三年級時出成果；

（3）激勵優(yōu)秀成員參與保研，及時督促參賽等，引導(dǎo)成員將成果及時轉(zhuǎn)化為發(fā)明專利和論文，獲得保研加分項；

（4）將創(chuàng)新團隊劃歸相應(yīng)教師名下，由相應(yīng)教師指導(dǎo)學生進行培訓、訓練與參賽等。

當前學生團隊有飛控團隊、智能小車團隊、生豬智慧養(yǎng)殖數(shù)字孿生團隊、物聯(lián)網(wǎng)比賽技能賽團隊、視頻深度學習團隊、電子設(shè)計大賽等，通過“老帶新”等方法，提升學生參與創(chuàng)新的興趣。

3 人才培養(yǎng)效果分析

經(jīng)過近兩年的持續(xù)教學探索，積累了部分心得體會，特選擇“信號與系統(tǒng)”“通信原理”“嵌入式系統(tǒng)”三門課程，對2020—2023年的平時成績與綜合成績，利用MATLAB 2021b中的方差分析法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進行分析，其中平時成績包括點名、提問、實驗與作業(yè)，綜合成績按平時成績30%、機試成績35%、筆試成績35%進行計算，其參與人數(shù)與統(tǒng)計量比較見表1、表2。

表2中，H=0表示有顯著性差異，H=1表示無顯著性差異，對應(yīng)各年份數(shù)據(jù)箱線圖如圖4所示，說明2022—2023年無顯著性差異，其他年份均有變化，證明在“信號與系統(tǒng)”課程教學中有較好的效果。

實驗1：“信號與系統(tǒng)”課程成績均方差成績分析

假設(shè)H0：μ1=μ2，即兩組學生成績改變沒有顯著性差異，依照假設(shè)檢驗步驟，評斷兩組樣本平均數(shù)之間的差異程度，其統(tǒng)計量計算公式為：

實驗2：“通信原理”課程成績雙因素方差分析

對“通信原理”課程平時成績與期末綜合成績進行比較，成績比較規(guī)則及統(tǒng)計假設(shè)與實驗1相同，由于2023年“通信系統(tǒng)”課程安排在下半年，故只有3組考試數(shù)據(jù)，其參與人數(shù)與統(tǒng)計量比較見表3、表4。

采用雙因素方差分析函數(shù)anova2（）對不同年級、不同成績進行分析，先進行平時分數(shù)方差分析，再進行綜合成績比較，發(fā)現(xiàn)檢驗統(tǒng)計量F值gt;顯著性差異P值，進一步印證了教學改革的效果，其對應(yīng)箱線圖如圖5所示。“通信原理”課程平時成績與綜合成績二因素方差分析圖如圖6所示。

實驗3：“嵌入式系統(tǒng)”課程成績神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

最后一門重要課程—“嵌入式系統(tǒng)”的參與人數(shù)與統(tǒng)計量比較見表5、表6，為進一步直觀展示改革效果，采用雙因素方差分析函數(shù)anova2（）對不同年級的平時成績與綜合成績進行分析，檢驗統(tǒng)計量F值gt;顯著性差異P值，說明教學改革前、后學生成績有顯著性差異；為了進一步印證這種情況，特引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LM算法進行三維圖形展示，平時成績歸一化分布為橫軸、綜合成績歸一化分布為縱軸。通過圖7可知，平時成績優(yōu)秀的學生，其綜合成績也優(yōu)秀，而且三個年級優(yōu)秀生的分布較均勻，但成績較差學生分布較亂、較孤立。

其中，H=0表示有顯示性差異，H=1表示無顯示性差異?！扒度胧较到y(tǒng)”平時成績與綜合成績二因素方差分析圖如圖8所示。

除課件、視頻外，2022年學生發(fā)表SCI論文1篇、獲得發(fā)明專利1個、軟件著作權(quán)1個、參賽獲獎3項，2023年學生投稿EI會議論文1篇，獲得發(fā)明專利1個、軟件著作權(quán)

1個，截至目前，參賽獲獎11項，且在全國大學生電子設(shè)計大賽中首次斬獲國家二等獎。

4 結(jié) 語

自“101計劃”實施以來，計算機類的大學教育開啟了改革時代，本文以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為研究對象，在“雙輪閉環(huán)”教學模式指導(dǎo)下，與相應(yīng)合作企業(yè)開展了本專業(yè)“全棧式”人才培養(yǎng)，并以3門主干課程的教學數(shù)據(jù)進行單因素、雙因素方差分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LM算法三維圖形比較，檢驗統(tǒng)計量F值大于顯著性差異P值，證明本次提出的教學改革方案對人才培養(yǎng)具有較顯著的效果。

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作者簡介：劉 波（1969—），男，湖南常德人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，中國計算機學會高級會員（46750S），

研究方向為高等教育、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

張歷卓（1974—），男，湖南長沙人，博士，講師，研究方向為人工智能處理、高等教育。

朱幸輝（1971—），男，湖南婁底人，博士，教授，研究方向為高等教育、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

沈 岳（1965—），男，湖南長沙人，教授，研究方向為高等教育、農(nóng)業(yè)信息化。

收稿日期：2024-04-24 修回日期：2024-05-28

基金項目：教育部高等教育司產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（2200605211290303）；2023年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目（HNJG-20230419）；湖南省大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（s202310537004）；湖南省大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（s202310537090）