物联网工程专业课程建设与实践教学研究

张志刚 刘美娟 段嗣妍 原帅 李爱华

[摘 要]物联网专业是新工科建设的重点专业，其建立时间短，涉及的专业知识内容丰富。应根据物联网专业人才培养方案规定的培养目标做好专业群建设和课程优化，针对物联网工程专业的特点、课程计划，充分挖掘现有资源，统筹兼顾，妥善安排，物尽所用，提高实验室的利用率，同时加快专业实验室的建设，使有限的资源利用率最大化。通过校校互助以及校企合作的方式可以解决在物联网专业课程建设和实践教学中遇到教师资源、教师专业能力，实践教学资源建设匮乏等诸多问题。

[关键词]物联网;课程群;课程优化;实践教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）08-0072-03

物联网专业是新兴的以“应用型人才”培养为目标的新工科专业，是根据我国信息产业发展，依据智慧中国的战略进程发展提出来的，其富有强烈的时代感。物联网专业技术人才是我国信息智能技术发展急需的人才，缺口很大。据统计，我国未来五年该专业的人才需求缺口约1000万，而物联网专业从2012年开始建设至今还处于发展初期，人才培养目标的定位、课程体系的建设、实践教学环节和综合设计创新能力的培养都需要大量的研究和探讨。物联网专业课程群的建设和人才培养定位是各高校从事物联网专业建设面临的问题。由于物联网专业建设时间不长，各大高校物联网专业建设的基础不同，分别有在自动化、计算機、电子技术、通信工程专业基础上建设的，因此存在着培养方向和培养目标的差别。由于教学资源的约束导致课程内容、学时、专业核心课和专业课的设置安排不同，特别是物联网专业涉及的专业方向多，可选的课程内容多，在规定的专业总学时约束下如何整合课程和课程内容就成了一个主要问题。物联网工程专业是一个多学科交叉融合的专业，其中包括网络工程、控制系统、计算机应用技术、通信与信息系统、电子科学等[1]。因此，在物联网专业课程群的建设中，加强课程内容的整合是非常重要的，同时要在新工科教育的思想下加强实践教学的研究和探讨，保证在专业建设中做到“课程精，实验强”[2]。

教育部2018 年1月颁发的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》对物联网专业的知识体系和核心课程体系建议中指出，物联网专业要“培养学生将基本原理与技术运用于物联网及其应用系统的规划、设计、开发、部署、运行、维护等工作能力。建议教学内容包含电路与电子技术、标识与感知、物联网通信、物联网数据处理、物联网控制、物联网信息安全、物联网工程设计与实施等知识领域的基本内容”[3]。本文在解读标准的基础上，根据2017版物联网专业人才培养方案，基于我校“应用型人才培养”的目标，对物联网专业课程群的专业课程内容及课程设置优化做初步探讨，以促进物联网专业的建设和发展。

一、现代交换技术、计算机网络

2017版物联网专业人才培养方案中将计算机网络与现代交换技术融合成一门课，整合后的课程名称改为现代交换技术与网络通信。计算机网络课程是目前高等学校计算机类和电子信息类本科教学的主要内容，一般选用谢希仁教授编写的教材。该教材自1989年首次出版以来，曾于1994年、1999年、2003年、2008年和2013年分别出了修订版。2006年教材通过教育部的评审，被纳入普通高等教育“十一五”国家级规划教材;2008年出版的第5版获得了教育部2009年精品教材称号;2013年出版的第6版是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材;2017年发行的第7版又在第6版的基础上进行了一些修订。 教材分为九章，比较全面系统地介绍了计算机网络的发展和原理体系结构、物理层、数据链路层（包括局域网）、网络层、运输层、应用层、网络安全、互联网上的音频/视频服务，以及无线网络和移动网络等内容。该教材从第二章至第五章分别介绍网络的分层结构及每一层所实现的功能以及网络协议和工作原理，只是在第一章中简单提及交换技术的内容。现代交换技术主要介绍电路交换和分组交换技术以及IP交换技术，是学好网络通信的知识基础，是网络开发设计的必备知识，掌握交换技术的专业基础知识对理解和掌握通信网原理技术是非常重要的。目前已有的介绍有关交换原理及技术方面的教材中，关于网络分层和网络协议的内容又偏少，而较好地掌握交换技术和网络通信技术对于物联网专业尤为重要。因此，有机地把它们整合成一门课是有意义的。同时增加二、三层交换机的原理介绍和路由器的工作原理等相关内容，目前各大出版社出版的教材中尚未发现这样完美整合到一起的教材，这需要任课教师在课程准备上下足功夫，把上述有关内容进行合理整合或者自编教材。随着现代通信技术的快速发展，教材的内容有时过于陈旧，为了培养适应新环境下物联网技术人才的需求，在教学内容上可适当取舍，减少电路交换的内容和网络分层内有些功能的讲解，如数据链路层的差错控制等。有些内容可以一带而过，尽量突出重点，这样做的目的是让学生掌握电路交换和分组交换的基本原理和方法、实现并完成信息的交换，让学生掌握重点内容及实现方法、充分理解同步交换技术和异步交换技术的差异，以提高学生的综合分析、处理问题的能力。简化网络分层的有关具体细节介绍，重点说明网络分层在通信系统程序设计开发及网络维护管理方面的优越性，让学生了解掌握各层的主要功能和信息在各层的处理过程和目的。在现代交换技术与网络通信教学过程中可以考虑通过对有关专业安排2～3次的课程讲座，在电路交换、分组交换和IP交换的基础上，通过课程讲座的模式进一步拓展介绍通信技术的新发展和新思路，包括软交换技术、移动交换技术和移动通信网络等。

二、计算机原理与接口技术、单片机原理及接口技术、嵌入式系统与应用

目前高校开设的计算机原理与接口、单片机原理与应用及嵌入式系统设计与开发教材中有很多重复的内容，这三门课对物联网专业都很重要。计算机原理是重要的学科基础课，单片机原理是学习嵌入式系统的基础课程，同时也是智能传感器及其检测仪表的常用的控制器件。单片机原理与计算机接口技术在感知设备的设计和开发中又是重要的支撑技术，是从事物联网感知层产品开发设计的必备知识。因此，把三门课程合理的整合，按课程的先后顺序，通过合理整合去掉彼此重复的课程内容，突出各课程的重点内容，可以降低理论课总的学时数，便于增加实践教学的内容，提高实践教学的学时数，这对提高学生的实践能力以及创新能力都具有重要的意义。

微型机系统与接口是传统的计算机专业基础课程，也是自动化、信息类专业课程的基础课。在物联网工程专业授课时间的安排上，首先应安排计算机原理与接口技术，重点教学内容是讲授基础知识，主要讲解计算机的基本结构和微型计算机的基本结构和系统，CPU的组成结构和工作原理，系统的寻址方式和指令系统，汇编语言程序设计以理论为主，对于接口技术的有关内容可以简单介绍。接口技术涉及的实践教学内容多，主要安排在单片机课程之后。接下来安排单片机原理及接口技术课程的学习，重点讲授单片机的组成、结构布局和C语言程序设计的内容，对于单片机的汇编语言可简单介绍。同时加强实践教学，把计算机接口技术与单片机技术结合起来，通过课程实验和课程设计，加强学生实践能力的培养，从设计扩展接口开始逐步到产品的开发和产品设计，重点在设计方案的选择比较以及实现，培养学生从产品设计到安装调试整个过程中分析问题和解决问题的能力。学生在具备较好的微型计算机原理知识和较好的实践设计能力之后，对接下来学习的嵌入式系统与设计就可以轻松驾驭，应付自如了。嵌入式系统与设计课程在内容上重点介绍与嵌入式操作系统的有关知识及嵌入式系统的设计方法，包括中间件技术。

总体上看，这样的理论教学内容课时减少，整体内容饱满充实，避免了内容的重叠;课程内容清晰，学生容易掌握;在保证教学质量的基础上，理论学时的合理降低也给实践教学内容的安排创造了条件，更有利于满足《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》对人才培养多样化的要求。

三、RFID技术、短距离无线通信、传感器网络技术原理与应用

RFID射频识别技术是物联网感知层的主要技术之一。考虑到物联网专业培养的重点在于应用，因此在教学内容上可适当降低或者去掉有关原理知识内容的介绍，重点介绍RFID的应用技术。鉴于这门课程安排得比较早，在有限的学时内也不适合过多讲解和学习有关的标准、中间件技术等。

短距离无线通信是一门相对比较新的课程，主要讲授的是一些最基础的通信技术， 介绍短距离无线通信技术和通信网络的技术和应用，内容包括蓝牙技术、Wifi技术、UWB技术和ZigBee技术。作为物联网专业掌握通信层知识的基础入门级课程，在选择上主要讲授前三种知识及应用，综合考虑到接下来的无线传感器网络课程的设置，可以把ZigBee技术的内容安排到传感器网络中重点介绍，并结合课程实验加强实践教学。

在教学安排上，短距离无线通信与RFID射频识别技术一起各设置16学时的教学内容，分别安排在小学期（第二、第三学期）。

无线传感器网络技术原理与应用是物联网感知层的重要的专业基础课程，在课程内容上重点介绍无线传感器网络的控制和覆盖技术、传感器网络的通信和组网技术、传感器网络支撑技术、传感器网络的技术标准和ZigBee协议标准。设置了移动通信或者无线移动互联网的学校课程可考虑对课程内容进行适当取舍，避免重复教学。

四、实践教学与实验室建设

实践教学是新版《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》和新版专业人才培养方案强化的重点内容，也是实现新工科教育概念下重点建设的内容。物联网工程作为一个新兴本科专业，它不以理论为主导，而重点在于工程应用[4]。物联网工程专业自2012年开始创建，至今陆续在全国各高校招生，队伍不断扩大。综合国内各高校物联网工程专业建设的情况，新专业建设主要是依托计算机专业、自动化专业和电子科学与技术等信息类专业为基础建设的。由于建设时间短，专业建设的基础不同，因此，在实践教学中实验课程的设置和综合创新类实验的配置各异，重点各异。如何根据物联网专业人才的需求，根据现有的师资条件开设出有关实践教学的课程，准确定位，办出特色，是应用型高校值得深入思考和研究的重点问题。

我院的物联网工程专业是在计算机科学与技术、电子信息科学与技术、通信工程专业的基础上建设的。针对物联网工程专业的特点、课程计划，我院充分挖掘现有资源，合理利用现有教学资源，统筹兼顾，妥善安排，物尽所用，提高实验室的利用率，同时加快专业实验室建设。在制定人才培养方案时，我们统筹考虑，使有限的资源利用率最大化。在专业基础课程中，硬件课程电路理论与分析、模拟电子技术、数字电子技术等基础课程分别由电子科学与技术专业实验室承担，软件类课程如高级语言程序设计、数据结构等课程的实验由计算机科学与技术专业实验室承担;对专业基础课程的实验则部分由上述两个实验室承担，如嵌入式系统、Java语言等;部分专业课程的实验通过对现有实验室进行局部改造以满足物联网专业基础实验的需求，而有关网络技术、通信类课程则由通信工程专业实验室承担。对于物联网专业特有的一些课程则争取资金，加强建设，如RFID实验、短距离无线通信技术、传感器网络实验，以及创新创业综合技术实验室等。

五、校企联合与专业实践教学

2018版《计算机类教学质量国家标准》指出，物联网工程专业是培养学生将基本原理与技术运用于物联网及其应用系统的规划、设计、开发、部署、运行、维护等工作的能力，培养以现有技术实现实际应用的专门人才，强调的是学生的应用創新能力和工程创新能力[5]。社会上物联网工程专业人才短缺，同样，在物联网专业课程建设和实践教学中也存在教师资源、教师专业能力、实践教学资源建设匮乏等诸多问题。如何解决这些棘手的问题也是物联网专业建设过程中必须面对的。实践证明，通过校校互助以及校企合作可以部分解决这些问题。

首先，通过加强与校本部的横向合作，加强与校本部的横向联系，充分利用校本部的教学资源，对教学实验课程暂时力争在本部实验室解决。目前，RFID射频识别技术、短距离无线通信技术、无线传感器网络技术原理与应用的课程实验均安排在本部的实验室完成。

其次，在师资力量上，加强落实工程师进校园计划，聘请企业有实力的工程师承担对部分专业基础及专业课程的授课任务。

而针对课程设计和专业实习等实践课程的实施，我们先后与中兴通信亚太培训基地、华清远见济南分公司合作，解决了部分实践教学落实中的难题。借助企业的力量，物联网工程专业的实践教学困难得到了缓解。同时我们积极推进与学院管理部门的沟通，加强学院自身实验室建设的速度，加强实践教学课程资源整合和建设的规模。

六、结束语

物联网工程专业课程群的建设涉及的内容多而广，本文只是介绍了部分内容，主要涉及硬件技术。而物联网工程专业所涉及的软件技术，包括传统的数据结构、面向对象的程序设计及应用、Java程序设计以及现代的数据融合与挖掘、云计算、大数据等课程的内容均对物联网专业的技术人才培养非常重要。对这些课程的整合和优化也是非常必要的，需要广大的物联网专业的教师付出更多的努力，在课程的性质、课程的内容、学时等方面安排得更加合理，以便于学生学习理解和掌握，达到让学生学以致用的目的。新版的物联网工程专业人才培养方案增加了专业新技术讲座课程，这可根据实际需要灵活安排，强化对现代专业新知识、新技术及专业发展趋势和方向的拓展。

随着信息技术、就业需求和高校教学理念的不断更新，在课程群建设中，采取“弱化教师课堂，加强实验实践动手环节，鼓励自主创新学习，推动课外创新和课内教学的教学模式”[6]等一系列教学改革和实践，必将探索出适合物联网工程专业人才培养的教学模式和完善的课程群建设思路。

[参考文献]

[1] 王鑫，张钰，唐成华，刘建明. 物联网工程专业硬件课程体系建设的研究[J].中国教育技术装备，2014（12）：7-10.

[2] 吴功宜.對物联网工程专业教学体系建设的思考[J].计算机教育，2010（21）：26-29.

[3] 姜颖，刘国丽，刘佳.物联网工程专业课程体系的探索与研究[J].时代教育，2013（17）：127-128.

[4] 教育部高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准[M].北京：高等教育出版社，2018：325-326.

[5] 朱俊岭，邵平，王俊波，等.物联网专业学生创新实践能力培养的探索[J].教育教学论坛，2015（8）：152-153.

[6] 吴珺，王春枝，叶志伟.物联网创新班课程体系与专业能力培养研究[J].教育教学论坛，2017（20）：106-107.

[责任编辑：陈 明]