应用型人才培养的物联网工程专业课程体系改革

引 言

1999 年提出物联网（Internet of Things，IoT）概念，到2009 年 IoT 被正式列为中国五大新兴战略性产业之一。作为新工科的物联网专业，其课程内容包括“感知 - 传输 - 应用”三个层次相关的技术 。感知层包括传感器、嵌入式技术、射频识别等，网络层包括传感网络、物联网通信技术、计算机网络等 [2-3]，应用层主要是工程应用、行业产业相关应用 [4]。经过了近 10 年的发展，IoT 的应用越来越广泛，已覆盖智能家居、智能交通、智慧医疗、可穿戴设备、农业物联网和工业物联网等领域，如图 1 所示，都在引领行业创新与变革。

高校作为专业人才的发源地，人才培养应以社会需求为导向，特别是对实践性和创新性要求很强的物联网专业 [2]， 从学生大一入校开始，就灌输给学生 IoT 技术的应用前景， 使他们有意识地爱上 IoT 技术，激发他们的动力和明确学习的方向 [4-5]。再通过后期专业课程层层递进、循序渐进地培养， 使学生具有较强的应用能力，能跟上物联网发展的步伐。

1 物联网工程专业存在的问题

河池学院于 2014 年开始招收物联网工程专业学生。在学科建设上没什么经验可借鉴，摸着石头过河地走了一遍流程。经过近5年的积淀，尤其在应用型和新工科的理念推动下，物联网工程专业建设取得了不少进步。2018 年 11 月顺利地通过了新设本科新专业物联网工程的专业评估。但是物联网工程毕竟是一门新专业，具有很强的学科性 [1]，整个课程内容、课程建设、师资力量等方面还是存在以下一些问题和不足。

1.1 IoT 技术内容多且杂

IoT 技术是一门综合性很强的技术，包括软件和硬件技术。老师给学生上物联网导论课时，就给学生打过“预防针”，告诉学生课程有点多、内容有点杂，叫学生做好心理准备。随着专业课的深入，发现这些课程不仅有点杂，而且还有点乱。学生 4 年内需要掌握硬件和软件两个方面的知识。

硬件方面主要是常见电子测量工具的使用、简单电路的调试、PCB 电路原理图设计与焊接、主流单片机（51， CC2530，CC2420，STM32，Arduino，FPGA）最小系统的设计与实现、传感器和 RFID 数据采集与传输技术能力、短距离（蓝牙，WiFi，ZigBee）和长距离（NB-IoT，LoRa 3G、4G 和 5G）无线通信网络设计能力、各种下载工具的调试安装能力。

软件方面包括软件开发环境和编程语言。IoT 技术经常使用到的软件环境有 VC++，Visual Studio 2015，Keil μVision，Quartus Ⅱ（包括仿真工具 ModelSim、插件 Qsys 和 Nios Ⅱ ），IAR Embedded，Linux 操作系统，Android 操作系统，μC/OS 操作系统，TinyOS 操作系统，ZigBee 协议栈， Arduino 和 Ecilpse 等。编程语言有 C 语言、C++ 语言、nesC 语言、Java 语言、Python 和 Verilog HDL 语言等。

这些内容就像一座座大山，老师和学生都感觉压力山大， 苦不堪言，迫切地需要教学改革，将这些内容糅合到一起， 形成教师易于传授知识和学生容易理解和掌握的体系。

就无线传感器网络这门实验课程而言，目前使用的开发平台有 CC2420，CC2430 和 CC2530。CC2420 和 CC2430 运行的开发环境是 TinyOS系统，采用的语言是 nesC语言。但是这两个芯片也有差别，CC2420只是一个射频收发模块， 不带处理功能，需要结合 51内核单片机（MSP430）才能用 ； 而 CC2430是集成了 51处理器和射频模块。引脚和 RF的变化使得 CC2420的设计不能在 CC2430平台上使用。CC2530 是 CC2430升级版，但是运行环境是在 IAR环境下进行。同样的 CC2430和 CC2530的设计也是不兼容的。这三个平台可以选择一个来开发就可以，但笔者所在学校，这几个平台 都采购了，需要将这些平台充分利用起来，这无疑增加了教 学的难度。

1.2 知识体系没有形成一种融合贯通的思路

物联网专业是一个比较新的专业，这几年教材出版物确实不少。有些比较经典的教材，为保证知识点的完整性，不同课程的教材内容之间会有部分重叠，比如 C 语言、Java 语言和 C# 等程序设计语言的前几个章节都会讲述数据类型、变量和函数的定义等。这无可厚非，因为有很多学者可以不学习 C 语言直接开启面向对象的学习。数字电路和计算机组成原理等课程，前面的章节也会介绍数制、数制之间的转换和编码等知识 ；计算机网络课程的物理层技术和通信原理课程内容也有部分重叠。

也有些教材都是介绍性的，比如很多物联网通信技术这门课程的教材，包括物联网概述、物联网体系架构、感知层通信技术、短距离无线通信技术、无线传感器网络和计算机网络等技术。这一门课就涵盖太多的技术，盘根错节地罗列出让人眼花缭乱的知识，似乎面面俱到，其实很多知识在物联网导论课程上就已经介绍过，知识体系没有融会贯通。

1.3 物联网师资力量匮乏

物联网属于新工程专业，前期基础比较薄弱，师资力量严重匮乏，在制定培养方案和教学计划时，专业总学时数和专业核心课程的安排受到了相应的限制，经常会出现从现有师资力量、团队和知识能力结构的实际情况出发，形成对长远发展和建设不太有利的情况。

2 物联网工程专业课程体系改革目标

在“井喷式”的 IoT 技术发展下，为了追赶上 IoT 发展的步伐，以培养学生的工程应用能力和创新能力、提升学生就业水平为导向，以培养学生的设计能力、研究能力、实践能力和创新能力为目标，建立网络教学、课堂教学深度改革， 延续深度校企合作，采用“产学研”相结合的课内 + 课外的实践教学模式，把课程体系改革、科研训练和课程设计融为一体，着重学生“研究能力、创新能力和工程实践能力”的培养，同时解答培养目标和课程体系的确定、破除专业藩篱、确定专业建设的核心、解答实验与实践环节怎么开展等的专业谜思。

3 应用型课程体系改革的措施

3.1 项目驱动，突出应用

针对 IoT 技术内容多且杂的问题，课程教学中，以实际应用为背景，整合跨课程、跨章节的知识点，采用项目驱动化方式的案例教学模式。

在学习嵌入式 STM32 开发时，可以使用具有 ARM 内核的 STM32 系列 CPU、配合图形化操作的 STM32CubeMX 使用，就能构建如智慧农业、远程抄表、公交系统、智慧路灯、智慧垃圾桶等项目的教学案例项目。再结合 ZigBee、蓝牙或WiFi 技术，通过串口与 STM32 进行通信，进行数据传输或组网。这种跨平台、跨系统、跨课程的开发，整合了大量信息， 有利于学生的快速成长。

在学习数字电路 FPGA开发基本实验课程后，可以适当地借助 Qsys，SOPCBuilder插件和 NiosⅡ软件来设计综合项目。SOPCBuilder可以实现 IP核的硬件框架。NiosⅡ提供软核处理过程，采用 C 语言编写实现，降低了开发的难度 ； 同时提供寻址方式、读写时序和总线，总线包括地址总线、数据总线和控制总线 [6-7]。这些扩展的项目对后续计算机组成原理课程有很好的导入作用，保证课程的延续性 [6]。

采用项目式的案例教学，让学生树立项目开发的整体过程思维，将理论与实践有机融合，结合丰富的教学案例，激发学习积极性。

3.2 知识体系的融合

物联网工程专业从 2014 年开始招生，人才培养方案已经进行了 2014 版、2016 版和 2018 版的 3 次修订，几乎每两年一次大改，期间每个学期都会有微小的调整，在课程体系上做了衔接。针对教材内容重叠的问题，以人才培养方案和专业培养质量为依据，以教研室为单位开展课程内容的衔接， 将整个专业的课程形成一个完整的体系，减少大量重复内容所占课时，把课时集中在核心内容上，以提高整体效果。

3.3 充分利用实验室资源，强化实践教学

从 2014 年增设物联网工程专业开始，学校就在广州飞瑞敖、武汉创维特、北京凌阳爱普、北科融创和桂林华智等几家公司采购过教学设备。这些设备主要包括物联网综合试验箱、射频识别试验箱、智能交通沙盘、智慧教室系统、智慧农业系统、TinyOS 实验床、NB-IoT、Arduino 和 FPGA 开发板等。这些实验设备几乎覆盖了物联网专业的教学计划， 应当充分利用起来，并探索“实验室授课模式”，建设新型实验教学平台。将课堂搬到实验室中，随时随地让学生可以动手进行实践操作，主动进行学习，更好地掌握课程中相互联系的知识点，达到培养学生实践技能的目的。

3.4 改革课堂教学

为了培养学生能够学习和掌握物联网的基本原理和思想、发展历程、发展趋势、核心内容、典型应用和应用热点，需要进行课堂教学模式改革，打破章节之间界限，把逻辑相关的多个知识点进行整合，为在物联网课程的系统开发和应用中，深入利用关键技术，设计优质的应用系统打下基础。

3.5 设置理论、应用和综合实践阶段的内容

重新梳理和整合课程知识点，按照应用要求和使用前景，分别设置理论基础部分、工程应用部分和综合工程实践三个学习内容，对每个知识点要有明确的教学目标、教学重点、教学难点以及教学思考。同时引入一些仿真工具软件辅助教 学， 如 NS，Protel，LabVIEW，Proteus，Multisim， ModelSim 以及 TOSSIM 等，以工程实践性很强的案例形式有机地整合到课程体系中。在软件仿真环境中进行案例教学，实现起来比较方便，教师易于传授知识，学生容易理解和掌握，使学生知识体系融合了理论和实践，并向应用型转变。

3.6 产学研结合

建立校企联合育人机制，与相关企业制定相关方向的课程体系。围绕前沿应用技术内容进行课程规划和设计，注重理论与实践相结合。改革授课方法 ：邀请企业专家及高级工程师授课，采用启发式、讨论式、参与式的教学方法，避免理论灌输式的教学，提高学生工程应用能力。2018 年，河池学院曾邀请凌阳爱普和华清远见的工程师给 2015 级物联网专业的学生讲授嵌入式开发的课程，从工程应用的角度给学生上课，受到学生的一致好评。也可以采用教师参加企业培训，通过案例讲解和动手实践，使教师能够深入了解当前真实业务生产环境下数据的处理流程和工程实践的开发。

3.7 充分利用网络资源缓解师资力量的匮乏

为了有效缓解物联网专业师资和教学资源匮乏等问题， 建立课程 MOOC 网络学习平台。建立和完善教学网站，将国内比较知名的相关 IoT 课程网站链接到教学网站上，使学生可以利用网络平台学习知识、探讨问题、设计开发实际项目。在课堂教学中融入网络教学，将“雨课堂”和“微助教” 两个平台引入课堂教学中，增进教与学的互动性，实现课程网络化教学，加快信息交流，提高课程学习效果。

4 结 语

针对物联网工程专业存在的问题，提出课程体系改革目标，给出改革措施。从项目驱动、强化实践教学、产学研结合的校企合作培养模式等方面对物联网工程专业课程体系进行改革。在此基础上，不断调整和改进物联网专业人才培养方案和质量，使之更好地满足 IoT 技术的发展，更好地适应应用型技术的发展。