以工程实践为核心的物联网专业开放实验室建设与管理

李慧敏 李强 王文军 张丽 路锦正

摘 要：作为一门新兴学科，社会对物联网专业的人才需求非常乐观。文中针对当前物联网专业实践教学体系在课程体系、实验教学模式及开发平台等方面的不足，介绍了以工程实践为核心的物联网开放实验室建设情况。通过对人才培养的目标进行定位与分类，构建软硬件基础实践平台和系统实践平台，开设以工程实践为中心的实践项目，建立有效的人员管理及培养方式，促进理论与实践紧密结合，以满足社会对该专业人才实践与应用创新能力的需求。

关键词：物联网;开放实验室;开发平台;工程实践

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-0-04

0 引 言

作为下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，物联网将人类生存的物理世界通过智能感知识别的方式与互联网整合在一起，被称为世界信息产业领域的第三次科技革命[1]。2011年，为适应这一战略性新兴产业技术的发展，国家设置了物联网专业，旨在培养具备传感技术、通信技术及网络技术等物联网相关理论知识的物联网高级工程人才。目前，物联网工程属于社会产业领域快速发展的新学科专业，无论专业学科发展，还是社会市场前景，企业人才需求都非常庞大。

1 物联网专业实践教学现状

基于社会产业领域的应用前景，本专业要求学生具备工程设计和运用综合知识解决问题的能力，以适应行业对应用型人才的强烈需求。然而，作为一个新兴专业，尽管各高校在专业建设方面已取得较为明显的成绩，但在课程设置、培养计划等方面仍然处于起步阶段，学生的实践及应用创新能力难以完全贴合物联网行业需求，存在不同程度的学校教育和企业需求相脱节问题[1-2]。究其原因，主要存在以下三点。

（1）专业知识繁多复杂，学生无法从整体上理清各学科的关系。

物联网专业涉及多个学科领域内容，包括电子科学与工程、通信工程、控制科学与工程及计算机科学与技术等学科，各课程内容具有较强的交叉性和相关性，形成了物联网专业知识繁杂的特点[3]。本专业学生通常因难以理清各个课程之间的关联性而不能系统地将多个学科知识进行有机整合[2]。目前，实验课是物联网专业学生获得工程实践能力的主要方式，而实验课通常按照课程单独配置，知识点孤立，很难兼顾前后课程，对综合类实验更是很少支持。这种单一的实践教学模式必然使得课程之间失去相应的贯通性，使学生无法整体提升知识应用能力。

（2）先理论教学后实验验证的教学模式不利于培养学生的实践能力。

传统教学模式对理论知识给予较高的重视，一般先花较多课时在课堂上讲授理论知识，再集中安排少量实验课验证所学理论的正确性。实验课上，学生经常仅仅按照要求简单地重复实验步骤而非在充分理解实验内容的基础上进行，难以理解实验的意义，不知如何将实验内容应用于以后的实践中，实际收获不大，不利于学生分析问题及解决问题能力的发展，难以培养学生对学科的兴趣及创新能力[4]。

（3）使用现成的物联网开发平台，束缚了学生的思维。

目前各高校物联网专业使用的实验设备大多是已搭建好且集成度较高的设备。学生在这些现成的实验平台上做面向特定知识点的验证性实验时，很难系统全面地了解本专业多学科结合的特点，无从知晓在没有现成开发平台的实际工程中如何设计系统、调试系统[5]。例如，物联网无线传感器技术课程的实验涉及数据感知、获取、传输、处理、应用及通信协议等多个功能模块。很多高校都采用封装度较高的实验箱，每个实验箱内部传感器固定且传感网络已调试完成，实验过程中学生仅需修改调试软件的接口观察实验现象。这种现成的实验设备使学生很难掌握每个功能模块的细节知识，与实际应用中所接触的系统差异较大，阻碍了学生掌握知识的全面性，束缚了学生的思维。

针对上述问题，在教学方案设置上，应着重体现物联网专业的交叉性、连贯性和系统性，让学生清楚理解专业需要解决的问题，能够自主解决问题，将知识用于实际工程实践中，给学生更多的实践机会[6]。除此之外，为了进一步使学生更好地将理论知识与实际应用结合起来，提高学习的积极性和自主實践能力，本校物联网专业鼓励教师开放自己的实验室，每年选拔本科学生进入实验室与高年级学生特别是研究生一起进行学习及科研活动。开放实验室为学生提供了自主实践环境的软硬件条件，营造了教师与学生之间的良性互动，取得了良好的效果。

2 物联网开放实验室的建设与管理

开放实验室的好处具有几方面：

（1）开放实验室有利于发挥学生的主观能动性[1，6]。通过为学生提供课后自主学习的场所，激发其学习兴趣，减少其在宿舍上网或打游戏的时间，有利于各年级学生的相互交流。

（2）开放实验室有利于培养学生的工程实践能力。给学生制定学习目标并让其参与科研项目，培养学生独立分析问题、查阅资料、系统设计、调试系统及文档写作等方面的能力[8]。

（3）开放实验室可促进教师的科研工作。通过鼓励本科学生较早进入实验室参与科技活动，让他们尽早熟悉科研过程，参与实验室项目，同时也可促进教师的科研进展，且利于研究生导师从本科生中选拔研究生。

2.1 物联网开放实验室人才培养的分类及目标定位与分类

作为一个新兴的国家战略性产业，物联网技术对加快社会经济发展具有重要的推动作用[9]。全面分析社会对物联网人才的需求，根据不同专业的领域、岗位类型，对物联网人才培养层次进行划分，可对培养对象进行更好的目标定位，以适应社会需求。明确培养方向及人才培养类型后，需进一步优化实践内容，构建物联网开放实验室实践锻炼的人才培养教学体系。

物联网体系结构从技术和功能角度可分为三层，即感知层、网络层和应用层[9]，见表1所列。基于这三个层次的划分，将物联网专业的人才培养方向分为如下三个：

（1）对应于“感知层”的传感器与嵌入式系统方向，涉及的知识模块包括传感器节点设计技术、RFID技术、低功耗电路技术、嵌入式系统技术等;

（2）对应于“网络层”的物联网传输网络方向，涉及的知识模块包括有线网技术、无线传感器组网技术、无线通信与无线网络技术等;

（3）对应于“应用层”的智能终端系统方向，涉及的知识模块包括智能终端软件设计技术、数据库设计技术、数据挖掘技术、云计算技术等。

因传感器与嵌入式系统方向属于硬件类，物联网传输网络方向和智能终端系统方向属于软件类，故又可将培养方向分为硬件开发和软件开发两个基础方向。

硬件开发能力的培养主要包括基本硬件测试设备的使用、电子器件选型、常用传感器及外围电路设计、RFID标签设计、控制电路设计、电路焊接测试等。软件开发能力的培养主要包括基础语言程序设计、数据库开发、网页制作、移动终端软件开发、图像处理、大数据挖掘与决策、云计算等。学生可根据自己的兴趣及精力侧重选取软件或（和）硬件方向进行重点学习;指导教师也可根据各个学生的情况，为其制定不同的实践教学培养方案。除软硬件基本开发能力外，还需培养学生的物联网系统设计开发能力，包括构建物联网开发环境、物联网系统的设计及综合调试等方面。由以上分析可知，软件开发能力和硬件开发能力是基础，物联网系统设计开发能力是培养目标。

2.2 构建软硬件基础实践及物联网系统实践两大平台

人才的培养离不开支撑平台的建设。物联网实践教学平台是培养本专业技术人才的必备实验设备。良好的开放实验室平台及环境有利于学生发挥学习的潜力及积极性，有利于实践创新能力的及早培养。学生可基于实践平台使理论知识与实践开发相结合，掌握基本的软硬件开发能力，掌握物联网软硬件环境及工具的使用，获得物联网系统开发能力。因此，物联网开放实验室的实践平台应满足学生软硬件基础能力训练和物联网系统设计开发训练两大需要。

首先，以本专业已有的实验室为基础实践环境，根据学生个人实际情况进行专业基础及课程设计等基本能力培养，构建软硬件基础实践平台。在硬件培训方面，实验室提供电路设计、制作、调试所需的常用设备及工具，如示波器、万用表、信号发生器、焊台、电烙铁、焊锡等;提供常用的电子器件，如电阻、电容、放大器、常用传感器、RFID芯片、ZigBee芯片、MCU芯片等。在软件培训方面，实验室提供基础语言程序开发软件、IAR集成开发环境、嵌入式Linux系统开发平台、Android開发环境及网络设备等。

其次，采用循序渐进、由浅入深的教学方法，使学生由基础能力培训逐渐上升到系统设计开发能力的培养，构建以工程实践为核心的物联网系统实践平台。本专业通过与外部物联网设备公司合作，专门定制了物联网系统开发实验箱。不同于以往实验箱集成度较高的特点，此平台采用模块化结构，集验证性、实践性、创新性于一体，集成了物联网全部关键性技术，让学生能彻底理解从感知层到应用层的基本架构和工作流程，全方位提高学生的实践及创新能力。该平台还可采用定制化设计模式，根据不同的需求选配不同模块组建应用系统，鼓励学生进行二次开发。在传感层提供多样的传感器接口，可与多种类型的传感器配合使用，帮助学生掌握各种传感器的应用，熟悉传感器信息的采集分析，可进行接口电路及控制电路的设计;在网络层，可选择WiFi、蓝牙、ZigBee等不同的网络路径进行数据传输，培养学生掌握主流的网络信息交换技术;在应用层，可根据自身需求改写新的控制接口及应用程序，以适应系统需求。

构建软硬件基础实践及物联网系统实践两大平台，促进学生掌握多种软硬件开发技术，并从整体上认识物联网专业的理论及应用。采取阶梯式教学方法，从基础能力培养逐步上升到系统应用及创新能力培养，实现不同知识模块的融合，有利于学生在此平台上完成课程设计、毕业设计，并参与竞赛及项目研发。

2.3 以工程实践为核心的物联网实践项目

工程实践能力是物联网开放实验室人才培养的核心及目标。本文实验室采用项目培训方式，培养学生发现、分析及解决物联网领域相关问题的能力。将物联网理论与工程实践有机结合，把课堂上学生难以理解的学科知识在真实的项目开发过程中进行展示，使学生身临其境最大限度地开发自己的潜能，并提升实践应用技能，积累实际项目开发经验，培养团队合作能力，进而提高其创新能力。

工程实践项目的来源是多方面的，可来源于教师的横/纵向项目、创新基金项目、校企联合实验室项目及学生自选课题，使他们能利用所学的软硬件知识进行完整的物联网系统设计及开发。同时，鼓励学生参加一些较高质量的科技竞赛，如大学生电子设计竞赛、蓝桥杯、全国智能设计大赛、挑战杯、物联网设计竞赛等，促进对学生工程实践能力及创新能力的培养。工程实践项目的顺利进行离不开项目经费的支持。通过申请学校大学生创新基金项目、校企合作经费及参加教师科研项目等方式，开放实验室的学生可获得经费支持作为实验室项目开发资金。根据自由组队原则，将班级学生分成若干个小组。每个小组选择一个课题，成员之间分工合作，小组长负责，并由高年级学生及指导教师对项目进行指导。学生可在完成任务的过程中熟悉各个专业知识点，了解企业的产品开发流程，同时也锻炼了团队合作能力。项目开始阶段，每个小组为自己的项目制定切实可行、适宜性高的相关项目计划。项目开始实施后，各小组从项目的应用背景分析该项目的意义，通过需求分析、硬件设计、电路板制作、硬件测试、软件程序设计、系统综合调试、成果验收等开发过程，从无到有完成项目。在项目开发过程中，要注重文档、代码及电路图的规范性，便于后面的同学进行参考及改进。同时，建立完善的考核及激励制度。实验室根据项目阶段性成果如项目申请书、设计文档、实物展示等对学生进行考核。要求学生对项目成果以提交专利申请、学术论文等形式进行转化，并鼓励学生后续对项目进行迭代开发;在奖学金评定及保研方面，根据项目的成果、论文、专利及竞赛获奖级别，学生都有相应的加分值。

2.4 建立有效的人员管理及培养方式

开放实验室的管理制度是人才培养的基础和保障。除了制定实验室管理实施细则、仪器及电子器件使用制度、安全操作规定和门禁管理等制度外，对人员的管理及培训也是物联网开放实验室实践活动的关键。

2.4.1 建立合理的实验室指导教师制度

指导教师是学生科技创新活动的领航者，通过为每个课题小组配置指导教师，可为其在学习内容、项目选题、实验过程、材料撰写、学科竞赛及项目答辩等方面得到有效指导，从而使整个科技活动得到高质量的专业化指导。然而，由于学校教师存在教学任务重、科研压力大的问题，为保证有效的竞赛指导及项目管理，实验室也让一部分高年级本科生及研究生协助教师的管理及指导工作。这种“老带新”的方式不但减轻了教师的压力，也锻炼了学生的管理能力。

2.4.2 采用定期班会的方式提高学习效率

除了每学期最后几周让学生准备期末考试外，其余每周组织一次班会让学生自己汇报工作进展。这种方式不但让教师及指导师兄了解了学习、项目及竞赛的进展情况，也能让学生在相互交流比较中发现自己的局限性，从而提高自己的能力水平，同时也增加了学习乐趣，让整个实验室更有活力。

2.4.3 积极开展培训活动

定期开展基础能力培训、赛前辅导，请各个专业领域的优秀教师进行专题讲座，引导学生进行理论知识及专业技能的訓练。制定寒暑假期培训计划，聘请合作企业的工程师到实验室进行授课和技能培训，进一步提高学生的工程实践及科技创新能力，也让他们在培训中理解企业对人才的需求。本校物联网专业与中兴通讯、龙芯、长虹及上海因仑等多个公司建立了联合实验室，开展过多次培训并取得了良好效果，使学生的工程实践能力得到了进一步提升。

3 结 语

提高学生的工程实践能力，培养出具备传感技术、通信技术及网络技术等物联网相关技术及应用能力的综合型人才，对于高校而言是全新的探索。本文对现行物联网专业在实践教学体系中的不足进行了客观评价，并分别从人才培养目标定位、实践平台构建、物联网实践项目及人员管理培养方式等几个方面介绍了本单位物联网开放实验室的建设情况。采取阶梯式，促进学生从基础能力逐步上升到系统设计能力的培养，实现不同知识模块的融合，激发学生的学习兴趣，培养学生的实际动手能力和科技创新能力，为物联网实践人才的培养提供了可借鉴思路。

参 考 文 献

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