项目驱动的物联网专业课程教学改革与实践

何冀军，卫　兵，潘洁珠

(合肥师范学院 计算机学院，安徽 合肥 230601)



项目驱动的物联网专业课程教学改革与实践

何冀军，卫兵，潘洁珠

(合肥师范学院 计算机学院，安徽 合肥 230601)

[摘要]通过分析当前物联网工程专业的专业特点，并总结目前物联网工程专业教学过程中存在的问题，提出了符合应用型本科特点的，具有计算机专业特色的，项目驱动型的物联网工程专业教学改革的方法。以《传感器与检测技术》课程为试点，实践了以项目和实验动手能力培养为重点的课程体系改革，并在教学实践中取得了良好的效果。

[关键词]物联网；项目驱动；教学改革

物联网(Internet Of Things，IOT)是实现人、传感器设备与计算机系统间智能互联与深度结合的桥梁，被业界普遍认为是继计算机技术与互联网技术之后的第三次信息产业浪潮[1]。作为物联网概念最早的提出国，我国已将物联网技术列入《国家中长期科学技术发展规划(2006—2020年)》和2050年国家产业路线图，作为国家重点战略进行实施和支持[2]。

物联网工程本科专业具有鲜明的综合性、交叉性和应用性特点，核心是培养学生综合利用理论知识分析和解决问题的工程实践能力、工程创新能力和综合素质。具有“基础厚、口径宽、能力强、综合型、素质高”等特点。要求毕业生具备扎实的电子技术、传感技术、通信网络理论、信息处理技术、计算机技术、系统工程等相关技术的理论基础，重点掌握物联网系统的分析与设计等专门知识和技能，精通物联网技术基础理论、物理信息系统标识与感知、计算机网络理论和数据分析与处理方法[3,4]。

同时，物联网工程专业是教育部新设置、历史很短的本科专业，是一门与当代经济发展紧密相关的新兴交叉学科[5]，具有很强的应用性特征。与自动化、计算机、通信等经典的信息类学科相比，物联网工程专业的培养实践还处于摸索阶段，对于其指导思想、培养目标、知识体系、课程大纲等认识研究尚未成熟。

1物联网工程专业定位

目前合肥师范学院物联网工程专业主要依托计算机学院专业，以培养物联网专业相关的软件、嵌入式开发和系统集成能力为主要培养方向。从2012年第一次招生至今，共招收了三届学生。我院物联网工程专业在近三年的教学探索中，面对专业指导思想不明、教学大纲缺失、课程规划繁杂等诸多问题，开展了许多有意义、值得借鉴的活动和工作，举办和参与了多次物联网专业建设研讨班，通过到包括大陆和台湾地区在内的多所兄弟院校的走访，调研和学习，获得了很多先进的专业经验和宝贵的课程建设资料。

根据我们的教学实践，总结物联网工程专业在目前主要存在以下问题：

(1)专业培养目标不清晰，在学生心目中没有明确的未来就业和深造的专业定位。通过两年多的本科学习，目前物联网工程专业学生存在对于专业定位认识模糊不清的现象，“将来就业去哪里？”“考研考什么专业？”这是始终存在于很多学生中的疑惑，究其原因，是在于当前物联网工程专业在课程设置当中过多的强调了“多专业，多学科，宽口径”，而相对忽略了课程之间的系统性，结合性和交叉性；

(2)教学中注重理论教学和概念的灌输，缺少和实际相结合的途径，个别知识点与系统综合能力无法相互联系，概念讲述与实物操作缺乏中间过渡环节。在教学中将实验、实践和创新放在了相对较为弱势的地位，深陷在多学科，多专业的泥淖中，以教学中灌输的知识的量的多少作为课程评价的标准，放松了对于学以致用的要求，使物联网工程专业学生的动手能力普遍弱于其他计算机相关专业。

目前很多学校针对物联网工程专业的教学特点及目前的教学现状，制定了结合各自特点的课程教学方法。其中包括电子科技大学、北京科技大学等依托电子及通信工程类专业建设的物联网工程专业，他们的专业建设目标以电子类相关专业为基础，结合单片机和嵌入式系统等相关计算机应用学科对学生进行培养，其目标定位为物联网电子工程师[6]；另外还有合肥工业大学、山东大学等以计算机学院为基础建立物联网工程专业的高校，其培养则以计算机相关的算法、数据结构、计算机网络等学科为基础，结合模拟与数字电路、传感器技术等电子类学科进行宽口径培养[7]。

合肥师范学院物联网工程专业主要依托计算机学院，以培养物联网专业相关的软件、嵌入式开发和系统集成能力为主要培养方向。同时基于我校高水平应用型本科高校的自身特点，在扎实的计算机相关专业课程的基础上，我们在专业定位上进行了深入的调研与实践，得出了在四年本科培养过程、学生就业方向及专业定位上的具有学院特色、适应当前学院实际情况的培养目标。

(1)以培养学生计算机基础能力为重点。依托计算机学院在计算机相关专业的优势，重点培养学生在高级语言编程、单片机及嵌入式系统应用、微机原理及接口技术和操作系统等方面的基础编程及应用能力；

(2)突出物联网专业特色。在学科体系中，突出物联网工程专业课程，以传感器与无线传感网、RFID与标签识别技术、无线数据通信技术和物联网体系结构等专业内容作为培养的重点；

(3)注重应用型人才培养。在课程体系建设中，突出培养学生的实际编程能力、系统集成能力和数据采集、分析和处理能力。在专业课程中重点加强了实验课与课程设计的比重，增加了实验课与课程设计单独考核的环节，使学生与授课教师更多的关注应用、实用技能的熟练掌握。

2项目驱动在本科培养过程中的实践

针对物联网工程专业的培养目标，我们确定了本专业本科生在应用性和创新型培养过程中的几个不同的阶段，并针对不同阶段的学生，设计了不同层次的锻炼应用能力和创新能力的项目参与和实践方案，使不同层次的学生根据其对于专业知识的掌握程度，能够有不同层次的项目实践类型进行选择。

首先，针对大一新生及基础较为薄弱的二年级学生，我们提供了基本的课堂与课外知识练习的机会与环境。让这部分基础较弱的学生从基本的安装操作系统、编写简单的C语言代码、熟悉Linux和Windows操作系统的使用方式、培养良好的计算机思维方式等方面进行基本能力的训练，同时结合课堂教学知识，对其掌握的理论知识在实践与应用中进行巩固与加强。并通过安排高年级学生或基础扎实的同年级学生讲座或示范的方式，使这部分学生能够确立学习的目标与榜样，从而避免教师在课堂上讲授的内容距离学生太过遥远，课后学生课外学习没有目标的情况发生。

其次，对于大二、大三阶段具有一定理论基础和动手能力的学生，我们为其提供广泛的实践项目平台的选择，其中包括RoboCup比赛、物联网大赛、创意设计大赛和电子设计大赛等国家、省级和校级等各种不同级别的学生竞赛类项目选择；也包括产学研项目、教师个人科研项目、教学实验设计项目以及课程设计与课内实验项目等不同级别的教学、科研项目供学生进行选择。使这部分具有一定基础和能力的学生通过在项目中的实践，寻找个人在本科学习阶段的兴趣方向与专业发展目标，同时通过项目团队的合作与实际项目的完成，使学生对于个人能力在理论基础、应用技术能力、系统集成能力与团队协作与协调能力等各方面有较为清晰的认识，并得到充分的锻炼。最终使这部分学生在经过这一阶段的培养后能够确定自己的专业发展目标，同时具备将理论知识与专业技能转化为实际系统的能力。

与此同时，在这一阶段的培养过程中，需要注意部分学生在众多的项目平台之下导致的选择障碍，对于很多项目都有兴趣，但都浅尝辄止，最终一事无成。针对这类学生，我们一般在项目确定之初，通过对于项目参与人的责任划分以及同一个学生能参与项目数量的限制，避免此类情况发生。通过一定的项目规章制度，使学生意识到自己在项目中的角色与责任，进而使其专注于自己真正感兴趣的方向。

最后，对于大三下学期及大四的学生，我们通过提前与学生的沟通与交流，让他们在充分选择与思考的基础上，确定毕业论文的选题方向与内容。这一阶段的学生往往对于专业领域都有自己的思考与看法，将来的专业发展目标也基本上具有雏形。我们通过结合前期他们在竞赛或教学、科研项目中所确定的专业方向与特长，利用指导教师对于产业和学科发展方面更宽阔的眼界，对学生确定毕业论文的方向进行指导，使学生在毕业论文中能够结合将来在企业工作或深造读研的方向进行有计划的选题，使其毕业论文本身成为具有一定创新性，并能够对其将来工作学习具有引导意义的一个完整的实践类或创新类项目。

最终通过四年不间断的项目驱动培养模式，使学生掌握符合物联网专业特点的“宽基础，多学科，强实践，重创新”的系统集成及应用能力。让学生能够理论与实践相结合，以个人或团队完成项目的形式使理论能力、实践能力、系统集成能力与团队协作能力得到充分的培养与锻炼。

3项目驱动在课程教学中的实践

《传感器与检测技术》课程作为物联网工程专业的核心课程之一，作为课程教学改革的试点进行了项目式驱动的教学内容及过程的改革。本门课程作为电子与自动化类学科的核心课程其讲授内容往往关注于各种传感器的动态及静态电学特性，各种传感器的物理原理，不同传感器的电学量测量以及传感器的辅助电路设计，检测技术方面则更多的关注信号的调制与处理。这些内容对于以计算机为基础的物联网工程专业来说，重点有所偏差。比如传感器信号的动态特性以及信号调制电路的设计，这部分内容在电子类专业中应作为重点内容掌握，但对于计算机专业背景学生来说，其电路及信号处理知识基础较为薄弱，重点应该关注传感器的数字信号采集，传感器接口与信号传输以及传感器芯片的编程实现等方面。因此需要根据物联网工程专业的特点及培养目标进行课程的内容与教学改革。

课程内容设置方面，我们大幅度的提高了实验课在整体课时中所占的比例，相对于传统《传感器与检测技术》课程仅有16课时实验的情况，我们将实验课时扩充为32课时，通过8个实验，包含验证性实验和综合性实验，使学生充分掌握各种传感器的外观、测量方法及数据采集和传输方式。同时，在增加的实践课时中，我们重点将区别于电子与自动化类学科的计算机编程相关内容进行了详细的讲解，并留给学生充分的实践时间。这些内容包括单片机及嵌入式芯片的数据采集方式、与传感器的连接方式、编程实现采集信号模数转换的过程、传感器数据的处理过程以及通过编程实现多传感器融合系统及智能传感器系统等等。这样使学生在掌握理论课程中传感器基本原理与概念的同时，真正动手操作传感器实物，并进行编程，掌握在实际生产环境中应用的传感器系统的使用与操作方法。

在实验课程的内容设置上，注重每个实验作为一个相对独立的项目模块，通过七个验证性实验和一个综合性实验，让学生通过实际动手操作掌握各种传感器的使用以及通过编程实现多传感器融合系统。每个实验项目根据学生的层次不同，可以具有不同的掌握程度。首先，每个同学必须将实验基本要求的验证性内容独立完成，包括理解传感器的连接方式，基础编程环境的使用，数据采集和处理的方式等。然后，部分有能力的同学可以根据个人对于传感器应用环境的理解，编程实现更好的传感器数据采集和处理方式，或实现与上位机的通信和进一步的交互。

在理论与实践课程结束后，通过结合传感器系统、无线传感网、RFID技术以及上位机数据采集和处理等知识内容，设计一个多传感器融合的物联网智能传感系统，作为学生在专业课程学习过后的总结，最后以课程设计的形式进行验收和评价。同时通过课程设计的实施过程，帮助学生在后续高年级的毕业设计选题中拥有更多的知识和技能储备，从而在高年级的学习实践中掌握更多的主动性。

图1所示为经过课程改革后的《传感器与检测技术》课程体系，实践类项目在其中起到基础支撑的作用，通过理论与实践的结合，验证性实验与综合性实验以及多学科融合的课程设计过程的有机结合，使学生在课程中能够学会传感器的基本原理的同时，还能了解业界对于智能传感器的控制方式，数据采集方式以及通过接口与通讯技术与上位机的交互方式，能以最生动的方式对智能传感器体系以及物联网体系有具体的认识和理解。

4总结

物联网工程专业作为在未来具有广阔发展空间和巨大发展潜力的新兴专业，在工业界受到了越来越多的重视，因而其相应的人才需求无论从数量还是质量上都有很高的需求。但与之相对的是，高校物联网工程专业作为新建专业，在遵循教育发展的客观规律的基础上，很难满足业界对于人才的迫切需求。因此笔者所在的合肥师范学院计算机学院物联网工程专业通过对于专业特点的思考以及应用型本科教育特点的思考，确定了以项目驱动型教学作为突破口，改变传统的灌输式教学方式，大力推行能充分发挥学生学习自主性的探究性、参与式的课堂教学模式，将现代教育信息技术融入专业各培养环节。

图1　《传感器与检测技术》课程体系

虽然物联网工程专业教学改革的结果在当前2012级应届生还未毕业的当下，还没有直观的反应与客观的输出，但从目前课程改革的效果来看，通过增加实践类课程内容的比重，同时通过提高学生课程参与度的不同类别的教学项目的设立，显著的增加了学生对于课程知识的兴趣，有效的提高了学生对于专业的信心，解决了物联网专业学生动手实践与创新竞赛参与水平落后于其它计算机相关专业的现状，取得了良好的效果，收到了大量学生的欢迎与支持。

[参考文献]

[1]孙其博,刘杰,黎羴等.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):1-9.

[2]宁焕生,徐群玉.全球物联网发展及中国物联网建设若干思考[J].电子学报,2010,38(11):2590-2599.

[3]沈苏彬,范曲立,宗平等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2009,29(6):1-11.

[4]陈海明,崔莉,谢开斌等.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报,2013,36(1):168-188.

[5]董爱军,何施,易明等.物联网产业化发展现状与框架体系初探[J].科技进步与对策,2011,28(14):61-65.

[6]石志国,王志良.我校物联网工程专业建设探索[J].电气电子教学学报,2012,34(4):11-12,26.

[7]王志良,闫纪铮,石志国等.物联网学科建设与教学实践探讨[J].计算机教育,2012,(19):45-49.

Project-driven Curriculum Teaching Reform and Practice of Internet of Things

HE Jijun, WEI Bing, PAN Jiezhu

(SchoolofComputerScience,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：Through analyzing the characteristic features of the major of internet of things (IOT) engineering, and summarizing the problems in professional teaching of this major at the present time, the paper proposes a project-driven IOT engineering teaching reform that caters for the features of application-oriented undergraduate university with characteristics of computer majors. We take the Sensors and Testing Technology as a pilot course, and have conducted the curriculum teaching reform of the project-driven experimental ability, and achieved good teaching effects during.

Key words：Internet of Things; project-driven; teaching reform

[中图分类号]G420;TP39

[文献标识码]B

[文章编号]1674-2273(2015)06-0086-03

作者简介][第一 何冀军(1985-)，男，河北邯郸人，合肥师范学院计算机学院助教，硕士，研究方向为物联网工程，计算机应用。

[基金项目]2014年合肥师范学院本科教学质量提升计划 教学研究项目(2014jy11)

[收稿日期]2015-06-15