基于物联网工程的新工科实践平台建设

樊俊青, 王改芳

(1. 中国地质大学(武汉) 计算机学院, 湖北 武汉 430074；2. 中国地质大学(武汉) 自动化学院, 湖北 武汉 430074)

基于物联网工程的新工科实践平台建设

樊俊青1, 王改芳2

(1. 中国地质大学(武汉) 计算机学院, 湖北 武汉 430074；2. 中国地质大学(武汉) 自动化学院, 湖北 武汉 430074)

围绕工科专业培养目标、课程设置、实践安排等主要环节开展调查,深入分析物联网工程本科专业学生工程实践能力的现状,指出其中的关键性问题。提出建立以创新创业为主要驱动力的实践能力培养平台的思路。对于建立满足新工科特点的评价体系及发展对策具有一定的参考价值,对推动形成一批可推广的工程实践教育体系与实践平台具有借鉴意义。

新工科； 创新创业； 物联网工程； 实践平台

以创新为核心的新型经济体是当今社会发展的主流。2015年2月,李克强总理主持召开了国务院常务会议,在其打造“双引擎”的思路中明确提出“大众创业,万众创新”的概念。“提高大学生自主创新能力”和“促进高校以创业带动就业”已成为国家教育发展的重要战略[1]。2015年5月,《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》(国办发 〔2015〕36号)中明确指出:到2020年建立健全课堂教学、自主学习、结合实践、指导帮扶、文化引领融为一体的高校创新创业教育体系[2]。2015年12月,教育部印发《关于做好2016届全国普通高等学校毕业生就业创业工作的通知》,要求从2016年起,所有高校都要设置创新创业教育课程,对全体学生开发、开设创新创业教育必修课和选修课,纳入学分管理。2017年6月,教育部办公厅印发《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》,为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战,各高校要主动服务国家创新驱动发展和“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等重大战略实施[3]。

随着国家各项战略举措纷纷推出,各高校正在加快新工科教育改革创新,努力培养造就一大批多样化、创新型卓越工程新工科科技人才[4],支撑产业转型升级。根据社会对网络人才的迫切需求,我校于2004年设立了“网络工程”专业,开始系统培养具备大地学背景特色的网络工程专业人才,随后逐步形成了以计算机科学为基础,以“资源环境”应用为背景,以网络技术、网络管理、网络信息安全的理论和实践为核心,突出大地学背景下的物联网方向专业特色,于2011年入选“湖北省战略性新兴支柱产业计划”,2012年获得湖北省首批本科专业综合改革试点项目。

1 发展现状

经过10余年的建设,立足于大地学背景下的物联网工程实际需求,不断改革人才培养的方案、课程体系和教学内容,以及加强新教材建设、改革教师的培养和使用机制、改革实践教学、推进人才培养与社会实践的结合模式。围绕大地学背景下的物联网工程创新人才为最终培养目标,网络工程(资源环境物联网方向)本科专业建设目前已经完成的工作有:

(1) 分析本专业现状,围绕培养目标,联合行业企业,优化课程培养体系与人才培养计划；

(2) 建设核心课程群,借鉴产业经验,高度融合物联网工程教学体系与地学信息化教学体系,建设与课程相应的优秀教学资源；

(3) 在教学团队建设上,注重科研和教学的互补,充分发挥企业与学校科研相结合的教师团队成长环境,促进团队的健康发展；

(4) 充分发挥校内物联网工程实验室、校内科研团队平台、校外企业实践基地相结合的作用,让学生早进实验室、早进团队,最终在企业进行工作性的实践,充分锻炼学生的实践能力；

(5) 创新培养模式,改革教学理念,强化学生管理的同时激发学生的学习自主性,强调教学管理的同时充分调动教师的积极性,重视教学过程的管理与监督。

在物联网专业的人才培养体系中,增加实践课程的比重,专业课程(包括专业主干课和专业选修课)的学时占总学时的21%；而实践教学学时达到31.2%。实践教学分别在校内和企业进行。整个实践教学环节的体系结构如图1所示。

图1 实践能力培养体系

作为多学科交叉和融合的专业,物联网工程专业实验室围绕教学目标,不断改善实践条件以满足实践教学的需要。我校针对物联网工程专业需求,建设了一系列的物联网相关技术实验室,同时鼓励高水平实验教师和专业教师一起,参与实践课程内容的讨论与建设,提高了实验室使用和管理水平。物联网工程实验室与校企实训基地一起,构成了整个物联网专业的实践平台,能够完全满足物联网工程专业的实践需求。

依据新工科培养目标的特点[5],学生在掌握专业理论知识的基础上,加强实践教学。优化实践培养体系是深化、巩固学生所学理论知识的必要手段。重新对实践教学各个环节进行整体设计,形成合理的实践教学模块,建立与理论教学体系相辅相成、结构和功能优化的实践教学体系,利用各种新技术建设和完善实践平台,是新工科实践教育发展的重要基础和保障[6]。

2 实践平台建设

2.1 建设原则

结合学校实际情况,针对物联网工程实践平台,经过与校企合作单位一起充分调研后,提出了“高标准、重实用、可发展”的建设原则[7],要求平台能实现对物联网各专业课程实验室、传感网实验室、嵌入式软件实验室、RFID实验室等多种实验室的信息集成和综合管理[8]。这样不仅能使实验室建设更加接近物联网、云计算、大数据和虚拟现实等技术前沿[9],而且通过集成技术,大幅度地降低了实验室建设成本和实验场地空间占用量。在新工科建设指南中,引导大学生创新创业正逐步纳入到高校工科学生培养体系中。大学生从进入学校开始到成功创业,一般来说要经历8个完整阶段和过程,如图2所示。

图2 创新创业学习周期

实践平台在8个阶段中都对学生学习有显著的影响,如何在实践平台建设中融入创新创业元素,完成从普通工科培养模式向新工科培养模式的转换是最为关键性的问题。在高校全面开展创新创业教育,构建有特色的创新创业教育生态体系是新工科实践平台建设的基本目标[10],如图3所示。实践平台需在学校和企业之间建立双向互动的信息通道,营造出一种良性的生态系统,成为大学生创新和创业的底层基础和支撑条件。

图3 新工科实践平台生态链

2.2 支撑技术

新工科背景下的物联网工程实践教育平台如图4所示。通过光载无线交换设备在教学和实践区域内构建稳定的WiFi信号覆盖环境,通过移动互联网技术,利用Zigbee、433、Wifi等通信方式构建传感器网络,将覆盖区域内的物联网感知设备进行互联,对包括温度湿度、烟雾、红外传感、光敏、火焰等多种传感器进行控制,经过汇聚处理后形成集中式的物联网云端信息中心。学生通过实践平台完成物联网工程3层体系结构的学习,灵活构建起一个高效灵活的实验环境,使学生对物联网技术有一个全面和整体的认识[11]。作为一个网络化分布式的应用系统,实践平台建设共集成了5大类技术:

(1) 物联网技术。构建统一的实验设备接入中心、数据处理中心和综合业务处理中心,实现物物相连。对实验室及设备进行网上在线预约,并使用二维码等技术实现对实验室设备的开关管理。

(2) 移动互联技术。依托可移动个人应用终端,实现随时随地系统接入和应用,不受实验场地限制。

(3) 云储存。实现数据的海量存储和快速搜索,完成统一的云端应用和数据备份功能。

(4) VR虚拟仿真。实现对复杂环境的仿真应用,给参加实践的学生提供增强现实体验,让平台的创新性训练更加全面、具体和逼真。

(5) 大数据。通过对学生课内实践以及校外企业生产实践过程中产生的海量数据进行数据挖掘与分析,构建更加精准的专家决策和支撑系统,提供更加科学和精准的就业指导。

2.3 系统架构

2.3.1 新工科实践平台的3点变化

新工科实践平台在集成过程中,相比传统的实践教学平台,需要实现以下的3点变化:

(1) 模式创新化。实践平台要融入更多的启发式教学、实践性教学及协作式教学元素,通过智库式创业,采用互联网+创新思想。以创新为引领、以专业为基础、以学以致用、以发挥学生所长为核心。平台要能支持能力单一、无产品生产和销售经验的大学生进行创业。

(2) 创新创业纵深化。针对大学生这一创新创业主体,从思想导入、政策解读、专业融入,到系统训练、领域分析、项目指导、创业孵化,深入进行创新创业指导工作,以对接实战。

(3) 创新创业实战化。实践平台须提供场地支持、财务扶持、市场反应和生产流通环节保障,帮助创新创业大学生进行行业分析、项目选择和过程指导。

2.3.2 新工科实践平台的功能模块

新工科实践平台功能模块如图5所示。

图5 实践平台功能示意图

(1) 提供一个平台。通过开发大学生创新创业信息服务平台软件,实现大学生创新创业过程展示。

(2) 实现2个管理.即创新创业项目管理和创新创业大赛管理。开发创新创业项目管理软件,用于帮助学校、指导教师、学生分工协作,组建、维护创新创业团队,实现项目的全面管理,包括同步实现在线项目过程管理、中期KPI考核,以及在线项目结题、归档、统计和查询等功能。开发创新创业大赛管理软件,用于建设一体化的“大赛管理平台”,并包含 “互联网+大学生创新创业计划”等在内的各项大赛在线功能支持,从比赛信息发布、报名到比赛结束都能在网上进行查询,实现数据共享,通过大赛管理软件,鼓励学生积极参赛,提高赛事效率。通过大赛、评审、孵化等评估方式遴选优秀的创新创业成果和团队,实现创业者校内和校外对接,促进实战创业的成功率。

(3) 达到3种云应用,即创新云应用、就业云应用、创业云应用。创新云应用,为各种不同的实验对象创建物联网平台,将泛在对象统一为计算机网络对象,支撑它们的互联互通与互操作。通过创新性实践软件,将创业教育与专业教育进行充分融合,依托各种专业实验室,构建统一的数据流、视频流和控制流通道,形成多学科覆盖的技能实践体系,实现学生在校期间有机会参与创新训练实践。就业云应用,针对企业模糊的用人需求和详细的岗位要求,学生模糊的求职需求和详细的教育过程,通过协同就业云用语义解析的方法在双方实现精准推送,达到就业信息智能匹配。创业云应用,学生通过一系列的项目训练,掌握团队组建方法,理解政策导向,完成虚拟创业,通过云服务平台提供的知识库和规则库,最终通过真实注册,完成从虚拟创业到实战创业的过渡。

3 结论

通过建设新工科实践平台,可以实现线上线下融合、产学融合、学科融合、虚实融合,达到培养大学生创新能力、服务就业创业的目标,对于网络工程及物联网相关专业的实践教学改革具有十分重要的示范作用。

References)

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[2] 葛宝臻.完善创新创业教育体系 构建创新创业实践平台(续)[J].实验室研究与探索, 2016,35(1):1-3.

[3] 赵军,杨克岩.“互联网+”环境下创新创业信息平台构建研究:以大学生创新创业教育为例[J].情报科学, 2016,34(5):59-63.

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[5] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究, 2017,38(2):26-35.

[6] 龚晓嘉.综合性高校在实践教学中培养新工科创新型人才的探索[J].高教学刊, 2017(12):141-142.

[7] 李延香.“5S”管理在高校物联网实验室中的应用[J].物联网技术, 2016(9):96-97.

[8] 陈修亮,张秀山,史蓓蕾,等.军队院校物联网实验室建设探索与实践[J].实验技术与管理, 2017,34(4):247-250.

[9] 乔宪遐,杨乐.基于CDIO的C语言虚拟实验室建设研究[J].实验技术与管理, 2015,32(10):122-124.

[10] 贺坤,赵扬,张国志,等.风景园林专业创新创业实践教学平台构架[J].实验室研究与探索, 2014,33(9):184-187.

[11] 黄峥,古鹏.物联网实验室建设研究与探讨[J].实验技术与管理,2012,29(2):191-195.

Construction of new engineering practical platform based on Internet of things engineering

Fan Junqing1, Wang Gaifang2

(1. School of Computer Science, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;(2. School of Automation, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

The investigation is carried out on the training target, curriculum setting and practical arrangement, etc., for engineering majors, the current situation of the engineering practical ability of the undergraduates majoring in Internet of things is analyzed, and the key problems are pointed out. The idea of establishing the practical ability training platform with innovation and entrepreneurship as the main driving force is proposed, which is of the certain reference value for the establishment of the evaluation system and the development countermeasures to meet the needs of new engineering majors, and has the reference significance for promoting the formation of a number of the engineering practical education systems and practical platforms which can be popularized.

new engineering; innovation and entrepreneurship; Internet of things engineering; practical platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.043

2017-07-10

樊俊青(1973—),男,湖北汉川,博士,讲师,主要研究方向为大数据、地学信息工程.

E-mail：fanjunqing@sina.com

642.0

B

1002-4956(2017)12-0179-04