面向高师院校物联网工程专业的实验教学策略研究

王杨　殷晓斌　陈付龙　赵传信　陈少军

[摘 要]近年来，计算学科中的物联网工程专业建设受到教育界的广泛关注，但是师范院校的自身特点制约了高师院校在物联网专业人才培养方面的发展。针对这一现状，借助CDIO的教育理念，以安徽师范大学物联网工程专业分层实验策略与“安徽师范大学皖江学院——中软国际物联网CDIO实验室建设”实习中心建设项目为案例，提出了如何在高等师范院校引入分层实验教学与项目嵌入式教育环境构建的实验教学策略，以增强学生的系统开发能力。

[关键词]高师院校 CDIO 中软国际 物联网工程

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）14-0132-03

物联网工程专业是教育部为服务国家战略性新兴产业而开办的新型专业，覆盖计算机、控制、通信技术、信息安全、系统工程等领域，是计算学科发展的必然。[1]由于其强劲的社会需求与学科发展的需要受到了高等院校和企业界的共同关注。近年来，部分高校、高职、高专院校以及独立学院纷纷设立了“物联网工程”、“传感网技术”等相关专业。从产业的未来需求来看，由于物联网在交通、物流、水电等领域的广泛应用前景，相关企业对物联网工程专业方面的人才需求十分迫切。从物联网专业人才的培养目标来看，本科生人才的培养类型可以分为理论创新型、工程应用型和综合技术型。其中工程应用型是物联网专业人才培养的主流。[2]从国内当前的物联网工程专业人才培养现状来看，面向高师院校的物联网工程专业人才的长效机制尚未形成。由于物联网专业具有很强的工程应用背景，因此面向高师院校的计算学科的物联网工程化教育面临三大挑战：（1）如何把计算机科学作为工具学科的教育潜在观点转化为计算类的系统学科教育观点；（2）如何在保持计算学科核心课程的前提下，扩展计算学科的外延课程，增强计算学科的社会服务能力；（3）如何在增强计算专业优势的基础上，开展计算学科与其他学科之间的交叉性研究工作。上述三大挑战在高等师范院校的物联网专业建设方面表现得尤为明显。因此如何在高等师范院校构建有效的物联网工程专业人才培养机制是一个迫切需要解决的计算学科教育重大问题之一。[3] [4]本文主要探讨在面向高师院校如何实施物联网工程专业人才培养的实验教学策略问题。

一、高师院校物联网工程实验教学现状及分析

物联网工程专业工程实验课的内容主要涉及控制科学与工程、计算机科学与技术、信息与通信工程。相比于工科院校，高等师范院校培养物联网工程专业人才在實践方面有很大的不足。[4]具体表现在毕业生的工程实践能力偏弱、行业应用背景知识匮乏、项目经验不足等问题。这些问题的存在严重地影响了高师院校计算学科快速发展。根据我们的调研发现，目前的高师院校的物联网实验教学环节存在以下三个方面的问题：（1）实验教材强调课程的完整性，忽视了相关课程之间的融通性。先前的实验教材通常是一个独立的知识体，强调知识的全面性，忽略课程之间的相关性。学生难以系统地实现课程知识体系。（2）强调计算机原理性知识的学习，缺乏工程性方法的系统训练。传统的实验课程教学往往突出原理性知识的实验呈现，往往没有融入一套有效的工程性构建方法。学生虽然知道了基本概念，却难于实现具有一定规模的实验。（3）强调分析式教学，忽视了系统综合式实验教学。教学内容主要采用分析性教学方法，往往缺乏工程性的方法。进一步结合相关毕业生的诉求和ACM/IEEE-CSJointTaskForce的观点[2]，我们认为产生这些问题的原因是多方面的，具体的原因主要包括：（1）高师院校长期办学的传统理念的制约；（2）高师院校的非师范计算机专业学生的行业视野受限；（3）课程设置与教学方法缺乏针对性；（4）工程应用背景知识匮乏；（5）教学实践环节相对较弱。[3]工程技术人才的培养除了必要的基础理论知识之外，更重要的是通过实践教学培养学生动手操作能力。而计算学科的实践教学需要具备二个条件：一是熟悉实践操作的教师；二是实验实训的设备、基地。目前真正具备这两个条件的师范院校较少，这导致高质量的物联网工程专业建设难以开展，以致教学质量偏低。上述5点主要原因导致高师院校在物联网专业人才培养质量与工科院校相比，在人才规格上具有一定的差距，并进一步导致发展空间受到一定的限制。根据著名软件TheodoreY的观点，“科学家发现世界上已经存在的事物，而工程师创造世界上从未存在的事物”，这一观点与当前国际上最新的工程项目成果CDIO工程教育理念是一致的。[7]我们认为，面向高师院校的物联网工程专业建设尤为需要引入CDIO的工程教育理念。CDIO包含构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）几个方面的内容，它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程的理论、技术与经验。其教学大纲满足美国、加拿大和其他华盛顿协议国家职业工程师组织对工科教育的要求，其教学框架体现了创新的教育思想。面向高师院校的物联网专业建设的CDIO能力培养内容如图1。

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图1 物联网工程实践中的CDIO能力培养内容

二、高师院校物联网专业实验的分层策略

物联网实验的目标是基于当前通用的软件硬件技术平台，通过实验全面地展现物联网相关技术。由于传统的计算机实验室环境受限，以及时间、成本、复杂度等方面的限制，物联网的相关实验内容只能在物联网的感知层、网络层和应用层相关技术中进行筛选。我们将物联网的实验归入三类实验平台之上，具体内容如表1。

表1 物联网三类实验平台及内容

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在实验教学中，为保证每个学生都能更好地理解物联网课程知识，兼顾不同层次学生的求知需求，提高实践教学质量，我们采用了层次化的实践教学策略，分别为基础实验、设计性实验、课程延伸实验。下面以物联网嵌入式系统的教学为案例进行介绍。

（一）基础实验

基础实验使用EL-JY-II型计算机组成原理实验箱，以“基板+开放式CPU板”的形式构成实验平台。在实验教学过程中，要求学生根据功能结构图和实验目标，分析概括实验步骤，完成实验内容，写实验小结。在实验箱上完成的主要是原理验证性实验，设计性实验在实验箱上是难以进行的。

（二）设计实验

为降低设计实验难度，可使用FPGA进行嵌入式的设计实验，要求学生利用硬件描述语言进行逻辑设计。首先在PC机上利用EDA工具进行功能仿真，最后下载到芯片中进行功能测试。整个设计实现过程，不仅使同学们初步了解硬件芯片的设计、制造、调试和运行维护的过程及相关技巧，更增强了学生理论联系实际的能力。对于这类实验，学生的兴趣较大，不仅完成既定设计目标，有的学生还提出了独特的设计方案，有利于学生创新能力的培养，为后续课程的学习和科研工作奠定基础。

（三）拓展实验

在嵌入式系统实验中，微程序控制是课程设计中的一个难点，由于微程序控制单元看不见、摸不着，学生对涉及的许多概念如：微程序入口地址、微指令格式、下址等概念难以理解，通过设计、调试、下载和验证过程，可以深刻理解微程序控制嵌入式系统的本质，了解软硬件协同工作的原理，建立整机的概念，可以培养学生完成工程项目的能力。我们的做法是将此内容与毕业设计有机结合在一起。

在上述的分层实验策略中，我们一方面将课程的基础知识借助实验箱进行巩固，另一方面将CDIO实验理念分别融入设计实验与拓展实验中。由于物联网课程内容的系统化与复杂性，因此后两类实验更具实效性。

三、物联网工程专业的工程教育环境构建策略

根据全国高等师范学校计算机教育研究会提出的教育创新的需求[6]，物联网工程专业的工程教育环境需要采用新的视角加以构建。下面以安徽师范大学皖江学院与中软国际公司的合作项目为案例，介绍高师院校如何依托企业构建物联网工程专业的教育环境。中软国际是中国大型综合性软件与信息服务企业，提供从IT咨询服务、IT技术服务、IT外包服务到IT培训的“端到端”软件及信息服务。

因此，为了有效实施物联网工程实验环境的建设，我们与中软国际合作，共同构建物联网CDIO实验培训基地，双方以项目的形式加以实施。这种合作方式有效解决了高等师范院校的工程教育环境的建设问题。将CDIO的教学理念既融入学科课程体系安排和整体教学实施上，还渗透在具体专业课程的教学实践中。

在构建了基本的物联网工程实验环境的基础上，我们还引入了基于物联网工程应用背景的项目教学法。指导学生主持创新和创业类实践课题，进行“实战性的项目开发，带领学生参加各项设计类竞赛”，以赛促学，学以致用，对学生进行科学思维的训练，养成良好的工作习惯和工作作风；充分利用各种平台，开展学科前沿交流，拓展学生视野，鼓励学生探索学科前沿领域，激发学生的探索意识和创新精神，培养学生的主体意识，提高学生独立解决现实问题的能力，使之成为适应社会发展需要的实用型人才。这些具体举措使得CDIO的内容全方位地融入物联网人才培養中来。从已有实际效果来看，本文提出的教学策略具有较好的成效。

四、结语

如何构建面向高师院校的计算机工程技术人才培养体系是目前高等师范院校学科建设与专业发展过程中所面临的重大课题之一。这需要改变师范院校以往理论强、实践弱的局面，充分发挥团队协作优势，增强学生创新能力的培养。我们针对高等师范院校在工程技术人才培养方面的不足，结合安徽师范大学物联网专业建设的具体实际，借鉴CDIO教育理念进行了面向高师院校的工程教育改革的有益尝试，并进行了具体实践，取得了一定的效果。今后我们将进一步深化加强物联网工程教育环境的建设，吸收新的工程教育理念，培养社会需求的，与国际接轨的现代化物联网综合性工程技术人才。

[ 注 释 ]

[1] 周晓聪，衣杨，赖剑煌.计算机科学与技术专业综合实践课程教学模式探索[J].计算机教育，2014（1）：60-63.

[2] 王杨，许勇.高师院校非师范计算机专业人才培养新途径[J].计算机教育，2010（8）：4-10.

[3] ComputerScienceCurricula2013FinalReporthttp：//robotics.st？鄄anford.edu/users/sahami/CS2013/.

[4] 陈付龙，齐学梅，罗永龙等.创新能力驱动的层次化计算机硬件课程群构建与实施[J].大学教育，2014（2）：39-42.

[5] 吴恭兴，刘文白，张宝吉等.基于CDIO模式的卓越工程师培养方案的探索与实践研究[J].大学教育，2013（9）：7-10.

[6] 教育部，高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会.忠于使命积极努力承上启下改革创新[J].计算机教育，2011（21）：1-9.

[7] EdwardF.Crawley，查建中，JohanMalmqvist，DorisR.Brod？鄄

eur.工程教育的环境[J].高等工程教育研究，2008（4）：13-21.

[责任编辑：钟 岚]