新工科语境下物联网专业课程设置研究

黄东军

（中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙，410083）

1 背 景

新工科（新型工科）是指面向新经济和新技术，以开放、融合、创新的理念和方法开设的新型工程学科专业，也包括对传统工科的改造与提升。新工科目前主要涵盖大数据、云计算、物联网、人工智能、虚拟现实、基因工程、智能制造、集成电路、生物医药等新兴工程学科专业[1]。

实际上，新工科这个概念尚在探讨中，其核心理念不在于具体专业的名称或领域，而是要求高等教育的人才培养体系从根本上变革，以适应全球科技革命和产业变革的新形势，满足以新技术、新业态、新产业为特点的新经济蓬勃发展对工程科技人才的需要，大力培养具有更高创新创业能力和跨界整合能力的专业人才[2]。

物联网工程专业虽然被视为新工科的典型代表，但实际上从教育部2010年7月批准首批32所高校设立该专业起，已经过去7年多了，最早的毕业生在2014年就走向了社会。目前，全国共有430多所高等学校开设了物联网本科专业[3]。

7年来，物联网专业建设与改革取得了长足发展，无论是师资队伍、教材与实验室，还是实践教学平台、学科竞赛、校企合作办学等方面，都取得了很大的成绩。

然而，广大教师和学生也普遍感到，当前物联网专业建设也遇到了不少挑战，似乎到了瓶颈状态，存在一些亟待解决的问题，其中最主要的还是培养目标不聚焦、课程设置过于宽泛，还包括毕业生就业去向与实际物联网产业匹配度低等。

2 物联网专业建设面临的主要问题

2.1 培养目标不聚焦

不聚焦是指过于宽泛，本质上就是培养目标不明确。众所周知，物联网是一个非常庞大的应用系统，是指通过各种感知器件和定位技术，对设备、人员和环境的状态信息进行采集、传输、存储、分析和应用所形成的智能网络系统，以实现对物体的识别、跟踪、监控和管理。物联网被认为是新一代信息技术的深度集成和综合应用，是实现各领域智慧应用的基本模式，是信息技术的一次革命性发展。

物联网技术与应用的飞速发展是客观事实，但专业教育能否正确把握时代脉搏，契合社会经济发展对人才的需求，则取决于培养方案、课程设置和教学实施过程。由于物联网工程是一个新开设的专业，各高校都处在探索阶段，加上受到物联网系统概念的影响，因此，绝大部分高校物联网专业的培养目标都试图涵盖整个物联网系统。如果浏览一下各高校物联网专业培养方案，不难发现基本采取了如下描述：本专业培养物联网工程高级专业人才（或复合型人才，或应用型高级专业人才），毕业生具有系统的电子、计算机、通信、控制等相关学科的基本理论和专业知识，掌握物联网感知与标识、传输与控制、数据处理与应用等专业技术，具备物联网应用系统开发、设计和部署的能力。毕业生可到物联网相关领域从事专业技术和管理工作。

可以看出，这个描述有3个主要特点：

第一是涵盖多学科，如电子、计算机、通信、控制等。跨学科其实是有好处的，就是综合性强，可以融合多学科优势，但前提是要形成自己独立的学科。现在，物联网被普遍认为没有学科，只是一种应用系统，但任何专业都必须基于一种学科。目前，物联网专业实际上是依托计算机科学与技术学科开设的，这就必然导致课程设置与计算机专业接近，同时移植了一些电子、通信、控制等专业的课程，这样做不仅专业特色难以显现，而且有拼凑的嫌疑。

第二是覆盖物联网应用系统的全部4个层面，即在感知、传输、处理、应用的各个层面均有关键技术涉及。现在只要谈到物联网，人们就会想到它的分层模型，也就是那个覆盖了从感知一直到应用的巨大网络系统。在这样的认知下，课程设置自然就会去试图覆盖各层关键技术。这一点下面的第（2）小节还有详细讨论。

第三，就业领域模糊，无法明确岗位，只能表述为“物联网相关领域”。

2.2 课程设置过于宽泛

由于人们从物联网的宏观视图着眼，因此在课程设置上采取了“全覆盖”“上下通吃”的模式。具体来看，各高校培养方案在感知层，普遍开设了传感器、定位技术、RFID与智能卡、条形码、图像采集、群智感知等课程；在传输层，开设了近距离无线通信（ZigBee、蓝牙、WiFi、NFC等）、移动通信、计算机网络、无线传感器网络（WSN）等课程；在服务层，开设了物联网中间件、物联网平台与标准、EPC编码与解析服务、数据库、分布式、云计算、大数据与机器学习、信息安全等课程；在应用层，开设了Android开发、Web应用、智能安防与应急管理、数据融合、可视化、图像处理、智能家居、智能交通、物联网应用系统设计、物联网控制等课程。

全国90%以上的学校采用了上述课程设置模式。虽然各个学校会根据自己的特点和师资条件进行取舍，如有些学校没有开设群智感知技术、智能安防与应急管理等课程，但总体上保持了“全覆盖”“上下通吃”的基本特征。

因此，人们在谈论物联网专业课程设置的时候，都会用“大而全”“过于庞杂”“混杂”“拼凑”等字眼来概括。从教学实际来看，教师给学生描绘了一幅幅震撼人心的物联网应用画面，学生也切身体验了智能家居、智能交通、智能物流、智能矿山等应用场景，接受了物联网这个概念，并且知道其应用前景广阔，专业兴趣和自豪感油然而生。随着时间的推移，学生（当然也包括教师）内心却普遍出现了一种焦虑和不安，他们不停地问：物联网到底是一个什么样的专业，什么都要学、什么行业都需要，该专业的特点到底是什么呢？专业的优势到底在哪里？学生毕业了到底去哪里工作？

2.3 毕业生就业去向与物联网产业匹配度低

显然，最能说明问题的还是毕业生就业情况。笔者所在学校的情况虽然不代表全国的物联网专业，但也可以作为一个样本或典型加以分析：第一，总体就业率较高，平均在96%以上；第二，除了30%左右的学生保研、考研和出国留学以外，绝大部分学生都在IT领域就业，且就业单位涵盖微软、阿里、百度、腾讯、华为等著名公司；第三，几乎没有毕业生直接从事物联网专业技术工作，大部分学生被聘到软件开发、前端开发、Android应用开发、Web开发、软件测试等传统的计算机专业工作岗位（偏软件）。

如何看待上述情况呢？一方面，由于信息产业正处于快速增长阶段，社会对计算机专业人才需求非常大，而物联网专业培养模式靠近计算机专业，因此，不难理解为什么物联网专业的就业率高，且出路较好。另一方面，几乎没有学生直接从事物联网工作，这就值得深思了。一种观点认为，目前物联网应用尚未出现明显的增长和岗位需求，物联网专业是一个为未来培养人才的专业。实际情况并非如此，我们也看到有大量的物联网公司和企业急需物联网专业人才，尤其是近两年，我们只要看看各个物联网公司的招聘广告就会发现，他们更需要高层次的、能够从事物联网系统设计的架构师，特别需要嵌入式物联网硬件设计专业人才。然而，我们培养的物联网专业学生，既不具备架构师的能力（因为架构师只能在实践中磨练成长），也不擅长物联网硬件开发（一些教师把这种情况称为“欺软怕硬”），这就解释了毕业生就业去向与物联网产业匹配度低的情况。所以，从新工科的观点看，目前的物联网专业课程设置与培养，与实际的物联网产业需求脱节了。

3　3种课程设置模式

在实践中培养目标不聚焦、课程设置过于宽泛的问题也并非没有引起人们的注意，有一些高校在过去几年里探索了一些其他课程设置模式。

总体上来说，存在3种课程设置模式。第一种就是上面已经分析过的“全覆盖”模式，也可以称之为“基于系统架构的课程设置模式”，即全面考虑物联网系统模型的各个层面，除此以外，还有其他两种模式。

3.1 基于行业应用的课程设置模式

我国的一些行业高校，如电力、石油、农业、林业、海洋等大学或学院，因其行业特色和优势，较早并且相对容易解决“大而全”的问题，探索了所谓“基于行业应用的课程设置模式”。

例如，某电力大学开设的智能电网专业，实际上是物联网工程专业的一个行业应用变种，其课程设置除了传感与检测、RFID、传感器网络等专业课程以外，还推出了很多面向电力行业的特色课程，如“智能电网技术导论”“智能电网通信技术”“智能电网先进传感技术”“智能电网信息安全”等。

又例如，某农业大学物联网工程专业，明确提出了农业物联网的概念，即在智能大棚、畜牧养殖、水产养殖、园林植物繁育等现代农业的各个领域，运用物联网的传感器技术、条码和RFID电子标签识别技术、智能移动终端、大型数据库、Web以及Android应用开发等诸多技术，实现农业生产、收购、加工、运输、销售等各个环节的标识、识别、追踪、查询和管理。培养目标也较为明确，就是提高涉农院校为三农服务的能力，围绕农业产业链和流通链，培养适应科技进步和农业产业化、现代化需要的专业人才，通过农学结合、校企合作、顶岗实习、社会服务等机制，推进农科教统筹、产学研合作；以农业物联网技术集成和应用为中心，深化课程体系和课程内容的改革，为现代农业发展输送合格的农业物联网技术技能型人才。为了实现这个培养目标，一些农业大学或高校推出“农业现代科技概论”“农产品生产流通管理概论”“农业物联网导论”“3S技术及其农业应用”“林业物联网技术”等特色课程。

3.2 基于物联网核心技术的课程设置模式

如果说“大而全”模式非常普遍，“基于行业应用的模式”比较小众，那么“基于核心专业技术的设置模式”就是少数探索者了。我们知道，江南大学物联网工程学院在2010年除开设了物联网工程专业以外，还同时设置了“传感网技术”这个专业，该专业的主要课程有微机原理及接口技术、信号与系统、电磁场与电磁波、数字信号处理、计算机组成原理、传感器技术、微电子学概论、通信原理、计算机网络、嵌入式系统原理及应用、无线射频技术、无线传感网技术、光纤通信、移动通信等。

可以看出，这样的课程安排，采取了基于通信工程专业的策略，通过向物联网感知层下探，试图强化感知技术，其培养定位是物联网感知层设计与应用专业人才，以此展开差异化竞争，应当说不失为一种有益探索。

当然，该校“传感网技术”专业后来合并到物联网工程专业中去了，这是一个另当别论的问题。

4 物联网专业课程设置的发展方向

在新工科概念兴起的背景下，物联网专业的课程设置将在3个方向上进行探索和演化。

4.1 基于系统架构的模式将会逐步调整聚焦

前面已经指出，基于系统架构的设置模式具有“大而全”“上下通吃”的特点，但是该模式不会立即改变，专业将继续存在，所培养的学生基本上也有出路，因为培养目标靠近计算机科学与技术专业，而且多少有一些综合优势和特色。加上物联网本身在快速发展，社会和业界持续关注，因此，这种模式下的物联网专业毕业生仍然会有出路（当然，不同学校的就业情况会不同）。

但问题在于，“大而全”的设置模式非长远之计。这就好比我们面临着培养“全科医生”还是培养“专科医生”的选择一样。

这里有必要讨论一下所谓的全栈开发者(full stack developer)问题。

全栈开发者有点类似全科医生，是指那些熟练掌握后端和前端技术的信息系统开发者。具体来说，全栈意味着开发者必须要懂计算机、操作系统、网络、数据库、后端代码（Ruby、Python、Java和Scala等）和前端代码（JavaScript、HTML5和CSS），但在物联网时代，这还不够。物联网应用系统不仅包括页面和移动应用这样的前端，也涉及数据库、分布式存储、大数据处理等后端系统，同时还包括众多的硬件平台，而且往往是定制式硬件。这意味着物联网“全栈”开发者必须更全面，要懂嵌入式系统（固件）、电气工程、控制和机械工程学等。

显然，全栈开发者这种人才像独角兽一样稀有，但也确实存在。然而，只有学计算机工程和嵌入式系统的人才，并且经历了业界的长期锻炼，才有可能转变为全栈开发者。这就如同卓越工程师一样，他们只能在长期的工程实践中成长，不可能由高校直接输送。

因此，结合新工科语境来考察，我们也许看得更明确，那种什么都知道一点、但什么都没有学精的毕业生，很难满足新技术与新经济的需要。

结论是，“大而全”的课程设置必将演变，出路就是缩小规模，调整课程设置，在有限的学时和学分内，把教学内容集中到物联网的核心知识和技能上来。目前，工程类本科学时普遍压缩到180学时左右，有些学校甚至低到150学时。

4.2 基于行业应用的设置模式将稳定发展

行业特色就是专业的竞争优势。诚如某公司主管所说，高校可以办物联网专业，但是要办出点特色来，一个普通大学的物联网专业，如何同“985”大学的相同专业竞争？

基于行业应用的课程设置，本质就是往物联网层次架构的应用层聚焦，并与领域结合，从而摆脱“全覆盖”“上下通吃”“什么都知道，什么都没有学精”的尴尬局面。

可以想见，随着物联网技术在交通、石油、农业、林业、海洋等不同领域中的广泛普及和深入发展，基于行业应用的课程设置模式必将巩固，且前景美好。

4.3 基于物联网核心技术的课程设置模式是归属

新工科的深层涵义是面向新技术、新产业、新业态，通过培养更具创新能力的专业人才，精准地融入并促进新经济的发展。

“全覆盖”课程设置模式之所以效果不理想，归根结底在于它偏离了物联网技术的真实需要。

纵观整个物联网产业链的岗位布局不难发现，以嵌入式技术为核心的物联网硬件开发与应用，是整个物联网产业这个金字塔的基座，人才需求旺盛，应当也必然成为物联网专业最重要的目标。

第一，聚焦嵌入式技术为核心的物联网硬件开发与应用，体现了物联网的根本特性，即物联网感知层特性（显然，没有感知，就没有物联网），而该层的核心技术就是嵌入式智能感知与硬件互联，如智能电表、智能水表、智能小车、共享单车锁、RFID阅读器、机顶盒、网络电视、智能冰箱、智能空调、自动售货机、智能鞋、智能手环、智能手表，等等。这些智能感知物联网终端设备，构成了物联网应用的庞大基础。也正是由于这个原因，产业界甚至就把这些智能感知物联网终端设备直接等同于物联网。

第二，聚焦嵌入式技术为核心的物联网硬件开发与应用，还体现了物联网核心理论——信息物理系统（CPS）的基本观点：物联网的主要任务是把“物”联结到互联网上去[4]。CPS研究信息世界与物理世界的有机融合与深度协作，以实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS是一个融合性概念，但被赋予了新内涵，因此是一个相对独立的知识体系，未来将成为物联网学科的理论基础。

第三，聚焦嵌入式技术为核心的物联网硬件开发与应用，将有效解决物联网专业与计算机、自动化、大数据、信息安全、软件工程等专业的分工与协作问题。显然，一个在“全覆盖”课程模式下培养出来的物联网专业毕业生，将无力与这些姊妹专业竞争，因为在计算、控制、数据处理、软件设计、安全等任何一个环节，“什么都知道，什么都不精”的学生无法胜任实质性工作。当然，更不可能担任“总指挥”成为所谓“跨领域整合者”。相反，如果物联网专业学生主攻嵌入式物联网硬件设计开发，则必将牢牢占据技术制高点，成为真正的专业人才，其中少数人将成长为全栈开发者，最终成为领军式人物。

此外，聚焦嵌入式技术为核心的物联网硬件开发与应用，还将为嵌入式行业做大做强提供机遇。众所周知，多年来，嵌入式行业一直希望有自己的专业，然而由于种种原因，这个愿望不能实现。嵌入式人才需求量大、培养难度高、渗透性强，如果能与物联网紧密融合，将迎来新的发展机遇。这也正是新工科概念提出的背景之一。

因此，物联网工程这个专业将历史性地聚焦到核心知识和技术上来，真正成为一个建立在独立学科基础之上的新工科专业。

基于上述思考，我们认为专业基础和专业核心课程主要有电路理论、模拟电子技术、数字电路、计算机原理与汇编语言、C语言程序设计、操作系统、计算机网络、通信原理、嵌入式系统、RFID与智能卡、条形码、近距离无线通信技术、NB-IoT、传感器技术、定位技术、无线传感网(WSN)、物联网协调器设计、M2M协议设计、实时操作系统（或物联网操作系统）、微处理器、单片机与接口、FPGA等[5]。

从知识和技术体系来看，上述课程设置能够较为充分地体现嵌入式物联网硬件开发所需要的学科理论、专业基础和专业技能的层次结构。

从培养方案的角度看，在培养规格与总学时的约束下，物联网专业并不要求学生通晓云计算、机器学习、大数据、Java、C#、.NET、Python、R、Scala、Hadoop、Spark和TensorFlow等技术。当然，也不妨碍他们对这些技术产生兴趣，因为任何学生都可以凭借自学或培训，了解、钻研、掌握培养方案以外的任何知识和技术。

5 结 语

通过上述思考与阐述，我们可以得到下列结论。

（1）物联网专业课程设置模式有3种类型：基于系统架构的设置模式存在培养目标不聚焦、课程设置过于宽泛的问题；基于行业应用的设置模式体现了领域特色和优势，将稳定发展；基于物联网核心技术的设置模式将是发展的方向。

（2）基于物联网核心技术的设置模式，实质就是把以嵌入式技术为核心的物联网硬件开发与应用作为着眼点，体现物联网感知这一关键属性，体现新技术、新业态、新产业的真实需求，体现把“物”联到互联网上去这一CPS所倡导的核心课题，体现与计算机、软件工程、自动化、大数据、信息安全等专业的分工和协作。

（3）随着物联网技术与应用的不断发展，物联网工程这个专业将历史性地聚焦到核心知识和技术上来，成为一个建立在独立学科基础之上的名副其实的新工科。

参考文献：

[1]教育部高等教育司.“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[EB/OL]. [2017-07-01]. http://www.moe.edu.cn/.

[2]王庆环.“新工科新在哪儿”[N]. 光明日报, 2017-04-03(5).

[3]黄旭, 蒋云良, 顾永跟, 等. 物联网工程专业建设中多学科融合的探索与实践[J]. 高等工程教育研究, 2016(4): 1-3.

[4]Giraldo J, Sarkar E, Cardenas A, et al. Security and privacy in cyber-physical systems: A survey of surveys[J]. IEEE Design & Test,2017(4): 7-17.

[5] Zanella A, Bui N, Castellani A, et al. Internet of things for smart cities[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2014(1): 22-32.