工程实践与科技创新的物联网开放实验室建设

安　健, 桂小林, 杨麦顺

(西安交通大学 电子与信息工程学院, 陕西 西安　710049)



工程实践与科技创新的物联网开放实验室建设

安健, 桂小林, 杨麦顺

(西安交通大学 电子与信息工程学院, 陕西 西安710049)

针对传统物联网实验教学在学生思维自主能力的培养、课程体系衔接、设备实用性等方面的不足,以学生工程实践和科技创新为立足点,介绍了物联网开放实验室的建设情况,通过构建软硬件一体化的实践创新平台、开设基于专业融合和系统能力培养的开放课题、建立大学生科技创新培养基金、探讨多元化的人才培养模式和科学有效的管理机制等措施,实现以专业融合为特征、工程实践和科技创新为目标、创新能力培养为导向的新型实践教学模式。

物联网； 开放实验室； 工程实践； 科技创新

工程实践与科技创新是物联网专业人才应具备的基本能力。面向物联网专业学生开展的系统能力训练与工程实践活动将成为该专业人才培养和学科建设中的一项重要内容,也是践行“双实双创”,推动人才应用能力提升与就业保障的重要手段。

物联网专业是近几年为响应国家号召,实现复合型人才培养理念,在国内多所高校设立的一个新兴专业。无论从专业教师、课程体系、知识架构等方面还处于起步阶段,而如何提高专业学生的实践和动手能力等更是处于探索阶段[1-2]。当前,专题实验课程是物联网专业学生实现工程实践和科技创新的主要方法之一,而常规的实验教学内容设置都是基于特定的知识单元和专业领域,具有一定的封闭性和独立性,往往不能充分提高学生的创新能力和解决问题的系统思维能力[3]。物联网开放实验室的建设有助于培养学生工程意识、创新精神。通过开设以专业知识融合为特征、综合系统设计为任务、创新能力培养为导向的系列开放实验课题,达到激发学生实践创新兴趣、提高工程实践能力、增加工程实践经验的目标。在实验中,让学生理解工程问题、解决实际问题、体验成功乐趣,培养学生查阅资料能力、综合设计能力、科技论文写作能力,培养学生理论联系实际能力、团结协作精神和创新意识,并为拔尖创新人才的培养打好坚实的基础。因此,培养具有创新精神和创新能力的高素质人才、充分利用实验室资源、建立除传统实验教学以外的第二实践平台、积极发挥学生的主观能动性，是开放实验室建设的核心目标。

1　目前存在的主要问题

1.1缺乏学生自主思维能力的锻炼

物联网专业的实践训练目标是培养学生的分析问题和解决问题能力。虽然传统实验教学能够锻炼学生的实验技能,但是学生只是被动地操作,往往缺少`自己的思考,无法充分发挥学生的主观能动性、积极参与性,不利于对学生科研好奇心的引导和科研灵感的激发。而常规死板地按照书本知识的实验教学体系,容易割裂实验的整体性、系统性和关联性,无法满足学生对于先进知识的渴求和创新性人才培养的要求,极大地限制了学生独立发现问题、分析问题和解决问题的能力[4]。因此在着力提高设计性、综合性物联网实验比重的同时,允许学生根据个人兴趣、爱好和特长自主设计,增加个性化内容,建设开放式、创新性的实验教学模式,给学生提供独立实验、实践的机会。

1.2不同课程之间的关联性问题

物联网专业是一门涉及知识面较广的学科,包含了计算机、自动化、通信等方向。一个方向都有许多各自独立的课程体系。传统专题实验采取的是一课一实验制度,学生根据所学的知识在固定时间内进行实践训练。这种单一的教学模式必然使得课程之间失去相应的关联性,使学生无法系统地、整体地去提升自己的动手创新能力[4]。例如,嵌入式接口技术和自动检测技术是掌握物联网感知技术的核心课程,两者相辅相成、联系紧密,但是在具体的实践训练环节中又将其分为不同部分,这将导致学生在使用传感器过程中无法彻底了解其技术原理和使用方法,无法系统地提升自己的水平。因此,突破传统实验课程之间的隔阂、建立一种加强课程间关联度的开放实验室则显得至关重要[5-6]。

1.3实验设备与实际应用脱节问题

现有物联网实验设备都是采用集成度较高的一体化实训装置,学生在工程实践过程中更多的是按步骤完成一些基础性和验证性实验,对其实验现象和实验结果的产生原理往往是一知半解[7]。此外,物联网实验设备通常都是面向特定的知识单元设计,很难真正体现物联网专业所具有的系统性、工程性、先进性和实用性等需求。例如,在物体感知与标志实验课程中,绝大部分高校都是采用封装度较高的实验箱,通过不同传感模块和通信协议的组合来达到工程训练的目的。这种固有和特定的实验装置不仅会限制学生的思维创新,同时也与实际接触的真正设备有较大差异性,会产生教学与实际脱节的现象。当学生在有思维灵感时却无法及时使用有效的实验设备进行操作,阻碍了学生科研创新的积极性,这不仅给学生造成了不必要的损失,而且造成了教育资源的浪费,从而影响了高校整体的教学、科研进展[8]。

2　物联网开放实验室的建设

西安交通大学是国内最早开设物联网专业的“985工程”高校之一,在物联网课程体系设置、人才培养理念和工程实践训练方面都进行了大量的探索和研究。如图1所示,以物联网专业为背景,以实践教学和科技创新为立足点,通过介绍学校在物联网开放实验室建设方面的一些想法和措施,希望能达到抛砖引玉和举一反三的效果。

图1　多元化培养模式的物联网开放实验室

2.1构建软硬件一体化的实践创新平台

实践平台是学生从事工程实践与科技创新的基础条件,基于物联网具有知识与应用涉及面广泛、技术发展与更新速度快的特点,因此所培养的毕业生应具备工程、技术、研发等多种能力。这种能力的培养需要在计划教学基础上的多方位、多层次的平台上实现。因此,物联网实践创新平台的建设应与学科实验室建设有所区别,在实验设备的配置上应避免采用集成式、一体化的封闭的实验设备,而是遵循开放性、模块化、实用性等原则。为此，依托不同学科的教学资源及学生综合能力培养的需要,构建了集硬件设备和软件资源于一体的综合实践创新平台。首先,配置了逻辑分析仪、信号发生器、数字万用表、直流电源、数字频率计、直流稳压电源、数字示波器等基本硬件测试设备,满足了硬件设计、调试、制作等对常规工具需求。其次,配置了CC2530、RFID、Crossbow等多元化的物联网感控模块,并以西安交通大学大数据应用平台为载体,实现感知数据的综合分析和决策。最后,与Ti、Intel等国际知名芯片企业建立了联合实验室,获捐MSP430、Galileo等最新物联网开发板500余套,为教师及学生提供了一个开放式创作、创新的实验公共平台。

软硬件一体化的实践创新平台主要以计算机、电子通信、物联网、自动化等多学科的相关技术和应用为方向,作为本科生课内和课外创新实践活动的平台。基于所建设的平台,学生可完成多种技术、多行业的产品研发、项目规划、项目设计、项目实施等多方位的综合性训练和创新能力的培养,为课程设计、毕业设计等教学环节提供技术支持,为相关竞赛提供技术保障。

2.2基于专业融合与系统能力培养的开放课题

开放实验课题设置应结合物联网的专业特点,在提高实验内容质量和激发学生创造性上找到平衡点[9]。实验室将着重强化学生的基本技能和动手能力,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,促进学生创新意识、合作精神和科研能力的协调发展,激发学生的科学探索精神。

在实验内容设置上,将着重体现学科交叉性、工作系统性和内容针对性等，侧重物联网在数据全面感知、可靠传输、有效分析、综合应用等核心知识点,拓宽计算机、信通、自动化等专业的知识面。具体实验内容可归为“3阶段4模块”,即基础性、综合性、工程性3个阶段和科技活动类、自选实验类、定向培训类和科学研究类4个模块。其中,基础性实验主要解决仪器使用、编程设计、电路设计的能力培养。综合性应用通过围绕“系统能力培养”这个基本点,设计一些集成性和系统性的开放实验,对专业需要解决的问题和能够解决什么问题更加清楚,增强专业认同感。工程实践阶段则让学生理解工程问题,将知识用于实际工程问题,提高学生的团队协作和实践创新能力。同时,通过设立科技活动类、自选实验类和科学研究类等模块,对不同模块的实验任务、完成要素、结构、功能等进行规范,其目的是使学生可以根据自身特点、条件和能力,做到合理分类、循序渐进、科学发展。

实验室针对不同学生群体的能力素质和实验需求,根据其特点和背景设立多层次、递阶式的课程体系[10]。在实验过程中,学生通过不同类型和模块的开放课题逐层掌握工程实践能力,由简单到复杂、由易到难,力求学生在学、研、创等不同环节有所收获,体会成功的喜悦,进一步激发学习兴趣和创新能力,从而更好地进行学习和实验。

2.3设立大学生培养基金和多元化的培养模式

必要的资金投入是保障学生从事工程实践和科技创新活动的重要前提。通过学校资助、校企合作、校友捐赠等渠道成立了大学生开放创新平台培育基金。基于这些培育基金,可以进一步鼓励学生积极申报在国际、国内具有较高影响力的各类学科竞赛和各级创新课题。通过“以竞促学、以赛验果”的教学方式,建立多元化的社会实践活动,逐步从单纯的学术研究转向解决生产、生活中的具体问题和关注经济社会发展的现实需要,使学生在更大的平台上得到锻炼。

为了实现多元化的人才培养理念,以开放实验室为切入点,以大学生培养基金为资金保障,积极探索以学生为主体、个性化、多元化的实践教学模式。在培养模式方面,采取请进来走出去的人才培养方式,聘请企业优秀导师为学生做专题讲座,开展暑期定制班,针对当下社会热点问题开展学术讲座和技能培训,进一步提高学生的实践动手能力。同时,基于卓越工程师计划、项目设计、校企联合培训、生产实习等多种社会实践活动,让学生充分了解企业对人才的需求,更好地保证学生学习内容的针对性和有效性。通过与Ti、360、华为、百度、西安软件园、易培德等企业建立良好的校企合作平台,使学生在工程实践和科技创新方面有更大的发挥,进一步激发学生的学习热情。此外,在人才培养方法上,避免传统实验课题上的灌输式、验证式的教学方法,而是充分发挥学生的主观能动性和团队协作能力,通过国家级、省级、校级创新训练项目,开展持续性的开放实验、创新课题等。同时,积极鼓励学生参加ACM程序设计大赛、电子设计竞赛、物联网大赛、高校计算机大赛等国内外具有较高影响力的科技竞赛,提高学生的学习动力、创新能力和动手能力。

近3年来,通过大学生培养基金的投入,物联网开放实验室在学生社会实践、科技竞赛、校企合作等方面都取得了较好的成果,多次在物联网设计竞赛、挑战杯等全国大赛上获得奖励,相关专业学生的就业率达到100%,得到企业的广泛认可。这些阶段性成果都说明了该人才培养机制和人才培养方法的正确性。

2.4建立科学、有效的实验导师制和激励机制

开放实验室是对传统实践教学模式的改革与探索。除了完备的实践教学体系外,良好的管理措施和激励机制也是实践教学改革成功与否的关键[11-12]。开放实验室在满足已有的管理制度以外,还需结合自身特点,建立科学、有效的实验室导师制。通过为每个学生团队配备相应的指导教师,在课题设立、问题讨论、项目申报、学科竞赛等环节进行全程指导和有效把控,使得学生实践活动在较高层次上开展,保证实验课题的完成效率和成果产出。同时,引入适当的激励机制,通过项目报告、实习报告、项目答辩、竞赛结果等各环节的表现,对学生任务完成情况和指导教师的工作绩效进行合理考核和激励,进一步提高学生的参与积极性和教师的工作热情。

3　结语

针对物联网专业在实践教学中的不足,分别从实践创新平台、开放实验课题、创新培育基金的、人才培养模式、实验管理体系等几个方面介绍了西安交通大学物联网开放实验室的建设情况。通过工程实践和科技创新引导与培养,使学生在开放课题、项目设计、科技竞赛等多元化和层次化的实践环境中得到锻炼,进一步培养了学生理论联系实际、团队协作能力和创新意识,激发了学生的学习热情,扩大了学生的知识面和深度。

References)

[1] 安健,桂小林,杨麦顺,等.物联网工程专业实验教学初探[J].实验室研究与探索,2014,33(10):151-155.

[2] 桂小林.物联网技术专业课程体系探索[J].计算机教育,2010(16):1-3.

[3] 杨志东,陈小桥.学科竞赛与创新人才培养模式的探索与研究:以电子类学科竞赛为例[J].实验技术与管理,2016，33(2):14-16,23.

[4] 王志英,周兴社,袁春风，等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J] .计算机教育,2013(9):1-6.

[5] 杨雪.启发式教学法在计算机专业学生系统能力培养的运用[J].计算机时代,2015(4):68-70.

[6] 江锦花.大学生科技创新与开放实验室管理模式[J] .实验室研究与探索,2009,28(12):12-15.

[7] 胡萍.一种适用于计算机实验室开放的管理模式[J].科技创新导报,2015(27):188-189.

[8] 王志军,孙天泽,王越峰,等.新形势下的计算机开放实验室建设与发展[J].中山大学学报:自然科学版,2009,48(增刊1):379-381,386.

[9] 欧阳志友,孙知信,许建真,等.物联网实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索,2013,32(11):125-127.

[10] 刘艳,秦昌明.“口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2015,32(8):212-215.

[11] 李佳音,李小慧.高校物联网实验中心规划方案[J].电子测试,2016(6):82-83.

[12] 刘颖,郭娜,张兵,等.《物联网技术导论》课程实验教学初探[J].物联网技术,2014(3):91-92.

Construction of open laboratory of Internet of things for engineering practice and technological innovation

An Jian, Gui Xiaolin, Yang Maishun

(School of Electronics and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

Regarding the deficiencies in the traditional experimental teaching of Internet of things such as less efficient training of independent thinking,poor linking of curriculum and impracticability of equipment,and based on the needs for engineering practice and technological innovation as a core objective,the construction situation on an open laboratory of Internet of things is introduced. Through building a practical innovative platform for integration of software and hardware,offering open projects based on professional integration and systematic ability cultivation,establishing the science and technology innovation fund for college students,and exploring the diversified talent training mode and scientific and effective management mechanism,the innovation-oriented practical teaching mode is completed,which is characterized by taking the professional integration of the engineering practice and technological innovation as the goal and innovation ability training as the guidance.

Internet of things; open laboratory; engineering practice; technological innovation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.061

实验室建设与管理

2016-05-16修改日期：2016-06-12

国家自然科学基金项目(61502380)；陕西省自然科学基金项目(2014JQ8322)；陕西省科技统筹创新工程项目(2013SZS16-K01)；中央高校基本科研业务费项目(xjj2014049)

安健(1983—),男,山西晋中,博士,工程师,主要研究方向为物联网实验教学、服务计算与群智计算.E-mail：anjian@mail.xjtu.edu.cn

TP393

A

1002-4956(2016)10-0245-04