物联网新工科创新人才培养及实践平台建设

引 言

物联网是物物互联需求和信息技术高速发展下形成的一种新型网络，被认为是继计算机、互联网之后的又一次信息 产业浪潮。美国 IBM 的“智慧地球”把新一代信息技术应用到各行各业中，并通过超级计算机和云计算等方式进行整合， 从而实现人类社会与物理系统的无缝、智慧连接。我国提出的 “感知中国”战略发展新思路旨在加快推动物联网关键核心技术研发与产业化发展，以形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。

物联网工程专业正是国家针对信息技术发展而设立的一个战略性新兴专业，该专业具有学科跨度大、综合性与实践性要求强的特点，涉及传感技术、网络技术、通信技术、计算机技术等多个领域。随着高等工程教育发展的必然趋势和强烈需求，新工科专业建设受到国内各个高校的广泛重视，但在理念、人才结构、知识体系、培养模式等方面还存在一定的短板 [1]。因此，在专业建设过程中，不仅需要结合学校专业发展定位构建完善的课程体系，以满足本专业领域发展的课程教学需要，还需构建能够满足专业工程实践能力培养的创新实践平台，坚持以学生为中心，以成果为导向，持续改进培养思路 [2]，强化人才培养效果。

1 物联网工程人才培养问题与思考

国内物联网行业经过近十年的发展，市场产业规模快速增长，在信息感知、组网传输、信息融合、支撑技术与系统集成应用等方面逐步形成了较为完善的产业链条。目前，社会对物联网产业人才的需求旺盛，且人才需求的知识体系更新速度也在逐步加快。物联网工程专业的设立时间不长，虽然在课程体系、师资队伍、专业环境建设等方面不断补充和完善，但也面临着一些问题。

1.1 专业发展定位不够清晰

物联网工程专业隶属于工学中的计算机大类，但国内院校在相应的院系划分上有所差异，一般主要划归为计算机类院系和电子信息类院系。不同的专业归属使得各个院校在物联网培养方向存在一定的差别，也因此形成了院校各自的培养特色[3]。我校根据信息与通信相关学科的发展情况，将物联网工程专业划归到信息工程学院通信工程系，其专业建设规划主要依据计算机类专业工程认证标准和计算机类教学质量国家标准，并参考电子信息与电气工程认证标准制定。

为适应社会多样化需求，结合学院在信息与通信类专业建设和学科建设的特色，进一步梳理和明晰物联网工程专业的发展定位。本专业的培养目标是面向物联网系统中装置 / 单元的工程设计与开发，培养兼具软硬件设计、制作、调试、测试、初步分析与表达能力，能在物联网感知与控制、通信与组网、数据处理、软件与服务等应用领域具有专业特长的应用型高级工程技术人才。在课程教学的基础上，以课程设计、毕业设计、创新实践为导引，培养学生的工程应用与实践开发能力以及创新意识。

1.2 实践教学体系不完善

课堂教学是长期以来惯用的教学方式，教师、教室、实验室是这种方式的主体，学生被动地接受教学信息。虽然能够以课堂互动的方式建立学生与教师之间的联系，但是由于课程节奏、思维跟踪等因素限制，课堂互动的实际效果并不特别理想，难以大规模地发动学生学习的主观能动性。另外， 增加实践教学课时量能在一定程度上保障学生参与实践训练的工作量，但是程式化、步骤化的教学过程只能起到告知作用。即学生通过确定的操作手段能够获得相应的实验结论，但是难以起到引导作用，即引导学生结合理论课程独立思考实验的目的以及所采用方法的性能与原因。

由于物联网工程专业的强实践、强应用要求，需要进一步完善物联网人才培养过程中的实践内容和手段 [4]。围绕“学- 教- 练 - 用”的思路方针，优化实践教学组织结构，形成多维度、立体化的创新实践教学体系。

所谓“学”是指学生首先要具备一定的理论基础和工具使用知识，在理论学习和实践训练间构建顺畅的转化渠道， 这就要求课程设置衔接合理，并能及时更新知识发展。

所谓“教”是指实践教学师资要有足够的工程实践教学能力，能够有效引导学生理解实践训练的内涵。

所谓“练”是指通过实验室等实践平台提供充分的练习训练环境，提升学生的技术开发与实践能力，引入CDIO 工程教育模式[5]，结合项目团队训练模式，通过构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）与运作（Operate）让学生充分了解项目前期设计、研发、后期运行维护的全生命周期环节。

所谓“用”是指根据学生综合训练效果，借助校企联合培养方式，让学生了解企业运作模式和项目产品研发过程，达到教学联系实际的效果。

1.3 实践平台有待加强

围绕物联网工程专业建设，为强化人才培养的工程应用能力，需建设与之相匹配的实践平台。传统的实验实践中，一般采用课程配套实验和课程设计方式。其中，课程配套实验主要用于理论课程教学的补充和原理性验证，课程设计主要用于综合性实验设计，但限于仪器设备，使得课程设计侧重功能验证性设计且软件类题目较多，难以在物联网系统架构上进行全面的实践训练。

为达到应用型高级工程技术人才培养目标，需进一步强化实践平台的建设工作，以形成课程体系与实践训练相辅相成、相互促进的教学效果 [6]。以专业教学为主线，合理协调理论课程教学与实验教学之间的关系，突出工程实践教育模式， 构建满足课程教学和实践训练的层次化实践平台。

2 人才培养课程体系建设

物联网工程专业是我院信息与通信工程一级学科的重要支撑本科专业，该一级学科是学校“信息与控制学科群”四川省一流学科的核心支撑学科，该一级学科下的通信与信息系统二级学科被评为国防特色学科和四川省重点学科。本专业设立以来，已经与学科建设形成了相互推动和促进的关系。

课程体系是创新人才培养的基石，也是实践平台建设的依据源泉。根据本科专业工程认证标准和教学质量国家标准， 课程体系围绕感知层、网络层、应用层的物联网技术架构开展相应的建设和完善措施 [7]，并结合我院在信息与通信学科领域上的优势，形成具有特色的物联网工程专业课程体系。

在本专业课程体系中，数学与自然科学类课程是电子信息类、计算机类专业的通识基础课程，主要包括《高等数学》《概率论与数理统计》《线性代数》《离散数学和大学物理》等，还包括《经济管理概论》《思想道德修养与法律基础》等人文和社会科学基础课程。专业基础课程主要包括《电路分析基础》《模拟电子技术》《数字电子技术》《信号与系统》、《传感器原理及应用》等。专业核心课程主要包括《计算机网络》《RFID 应用系统》《无线传感器网络》《物联网控制技术》《数据挖掘》《物联网系统设计与应用》等。专业平台课程作为实践教学的基本工具，根据教学过程的深入逐步开设。在大学计算机基础与程序设计基础（C 语言）的基础上，开设《软件技术基础》《计算机原理及应用》《单片机应用技术》，进而扩展《数据库技术》《系统应用软件技术》（Java/C++ 方向二选一）、系统处理器技术（FPGA/ARM 方向二选一）等课程。为丰富专业的个性化学习，还可选修移动通信与无线通信、物联网信息安全、现代通信网、DSP 技术等课程。

通过通识基础课程、专业基础课程、专业核心课程、专业平台课程以及选修课程的学习，能够帮助学生梳理完整的物联网技术架构。同时，为加强专业实践能力，除了理论课程配套的实验学时外，专门开设专业实践类课程，主要包括物联网工程专业认识实习、工程训练、电子技术课程设计、软件技术课程设计、物联网工程专业项目实训、物联网工程专业生产实习，并通过毕业实习和毕业设计进一步锻炼和检验学生理论联系实践的工程应用能力，进而评价人才培养效果。

从人才培养的课程体系建设来看，所培养学生需在知识、能力及素质上协调发展，具备系统宽厚的物联网工程专业知识和实践能力，理论与实践教学体系较为完善，符合我校物联网工程的专业发展定位。

3 实践平台建设

新工科背景下物联网工程实践平台能够为学生提供一个高效灵活的实验环境，使学生能够全面、充分地了解物联网技术的体系结构，并针对各个关键技术开展测试实验和创新开发。从前述的专业发展思考和课程建设来看，我院物联网人才培养结合西部大开发战略规划、中国科技城（绵阳）区域特色和学科资源优势，以市场、学生职业导向为培养需求，在新工科教学指引下，构建以“课程学习 + 实践训练”为重点的工程应用型人才培养体系，强化与企业的合作培养力度，加强校内外实践平台建设，提高物联网人才的培养质量。

紧密围绕物联网新工科创新人才培养目标，结合课程体系建设与“学 - 教- 练 - 用”的实践教学体系思路方针，构建包括课程配套实验、专业实践课程、实践平台训练、校企联合实践指导的多维度、立体化创新实践教学体系，其结构如图1所示。课程配套实验由相关课程教学团队和课程教学实验室完成。专业实践课程主要由两部分组成：一部分在校内完成，将学生分成小组分配给专职教师，实现小批量、高效率的实践教学，如电子技术课程设计、软件技术课程设计；另一部分通过校内、校外实践基地完成，联合校企导师指导应用实践， 如认识实习、生产实习。实践平台训练是建设综合实训的场所 [8]，既可为相关课程提供支持，又可为学生创新开发、科技竞赛等拓展训练提供支持。校企联合实践指导则利用双导师方式，进一步拓展学生实践渠道，提供更紧密的企业实践训练[9]。各个实践环节由相关的教学团队介入负责，由浅入深地开展实践训练。

在实践平台教学体系中，基础实验室和专业实验室是基础，且主要侧重于课程实践，校内外实践平台侧重于拓展实践训练，同时基于资源复用的优化原则，两者之间也可灵活调配。基础实验室经过多年建设，已完全能够满足基础课程实验需要。随着物联网工程专业的发展，已构建形成传感网络实验室、物联网技术实验室、网络通信实验室等专业实验室，能够满足专业课程实践需要。在此基础上，进一步构建物联网应用技术创新实践班、智能系统与智慧服务创新实践班、ACM 程序设计训练室等校内实践平台，开展系统的专业方向拓展实践训练，开展创新开发和科技竞赛活动，并提供相应指导和支持。此外，本专业积极与行业企业开展融合协同育人工作，与四川长虹、四川九洲、中兴通讯成都研究所、中国铁塔绵阳分公司等多家行业单位构建了实习实践基地或联合实验室，打通校企联合实践应用的通道，让学生能够切实参与企业实践。

4 工程实践能力培养

工程实践能力培养应循序渐进，在相关课程学习及其实训的基础上，通过校内外实践平台开展实践训练是提升工程实践能力的重要措施。考虑到项目团队运行模式能将贴近实际场景的工作形式引入到教学过程中，且可激发学生的团队协作和学习创新能力，具有较好的实践教学优势 [10]。因此，在工程实践能力培养过程中，根据学生的技能特点进行项目团队分组，并结合 CDIO 工程教育模式，针对项目目标，开展技术调研、需求分析、方案构思、技术路线设计与论证、项目实现和运行测试等系列工作，充分调动学生解决项目问题的积极性。这种方式既可让学生充分了解项目开发全生命周期环节，也便于对项目团队各个环节的进展情况进行教学互动和考核。

在拓展实践训练中，针对创新开发，实践平台以大学生创新基金、大学生创新创业训练等项目为驱动，锻炼学生的项目运作能力；针对科技竞赛，通过电子设计竞赛、物联网设计竞赛、ACM程序设计竞赛等科技活动提升学生的实践质量和水平，鼓励和选拔学生参与校企联合实践训练。例如， 邀请中兴通讯成都研究所技术专家开展嵌入式操作系统培训与实践工作 ；与中国铁塔绵阳分公司开展项目协同实践，针对基于铁塔资源的大气环境质量监测需求，构建物联网智能监测系统。

总体来看，通过实践平台建设和工程实践训练，从传感电路、嵌入式系统、无线组网通信、数据中心、软件设计与服务应用等方面，强化了人才培养对物联网架构和技术实施细节的理解和认知，利用项目创新开发、科技竞赛、校企协同实践等方式全方位提升了物联网人才创新学习和工程实践能力。

5 结 语

随着新工科建设的持续推进，工程教育已达到国家教育发展战略的高度。物联网工程的创新人才与工程实践能力培养是适应新工科专业发展的必然趋势。通过对课程体系与实践平台建设的融会贯通，使得人才培养能够达到理论紧密联系工程实际的良好效果，对于推动物联网工程专业建设具有重要意义。