新工科背景下物联网工程专业课程改革与建设

孙泽宇，李 蒙，龚 蕾

(洛阳理工学院 计算机与信息工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

“物联网”一词可以追溯到1995年比尔·盖茨在《未来之路》一书中提到的“物互联”[1], 迄今为止已经成为全球信息领域研究的重点，也是我国新型战略产业之一.2010年, 经教育部批准，物联网工程专业在我国高校完成了首届招生任务.“新工科”物联网专业的课程设置包括感知、识别、传输、应用四个主要层次.在物联网专业的课程规划和归类上，传感器技术、嵌入式技术、射频技术、传感网、通信技术、计算机网络、系统开发、工程应用等构成了物联网学科的课程体系，学校按照不同的学科侧重点对相关教学课程进行体系构建[2].经过十年的发展，物联网技术已经覆盖了更多的应用领域，如智能家居、智能交通、智能医疗、智能物流、农业物联、工业4.0等(如图1所示)，技术发展以及应用前景广阔.在此背景下，高校作为应用型人才培养的重要阵地，应当按照社会需求进行人才培养，尤其是对实践性、创新性要求较高的物联网专业更应积极地探索改革之路，面对问题大胆改革，通过专业课程合理改进和设置，强化专业实践性特征，将课程、实验、实践结合起来，帮助物联网教学获得更好的效果.

图1 物联网应用领域

1 物联网工程专业课程面临的问题

因为物联网被广泛应用在各种工程领域，所以在课程设置上往往从基础理论、硬件、软件的角度进行归类和组织.其中硬件包括的内容，如电子测量工具、电路调试、电路设计等；硬件的设计包括单片机、传感器、传输设备等；软件包括开发环境、编程语言、软件调试和协议配置等；所面对的应系统包括Linux、Android等，各种不同的开发环境、应用环境相对多样；编程语言上包括C语言、Java语言等.可见，物联网所涉及的领域广阔，给课程改革以及建设带来了较大的难度.因此，在课程改革和建设中必须充分考虑“应用”，才能保证教学更加有效、有针对性[3].

物联网课程在应用型本科教学中需要突出其“应用”价值，而物联网技术在不断更新，新技术涌现使得基础性教材的调整困难，经典教材为了保障知识传授连贯且完整，容易造成部分内容重叠的情况.比如：传感器原理在多个课程中反复出现，同样数字电路、计算机基础等课程重叠，等等.为此，在课程体系中无法理顺，构建一个完整清晰的课程框架，缺乏融合整理[4].

物联网课程属于新型工程专业，各学校的前期基础性资源准备不够完善，且涉及的学科较多，专业课程、实验课程、实践课程所需要的教师数量和基本素养较高，虽然学校对于物联网技术的重视程度较高，但是毕竟教学资源有限，师资方面的匮乏也随着教学内容多样以及人才需求多样而变得凸显[5].加上课程资源有限，专业学时与专业课程分配容易出现矛盾，也从另一个方面影响了师资分配，造成了师资不足的问题.

2 目标设定与改革措施

2.1 目标设定

应用型本科教育的主要目标是培养专业技术人才，按照工业现代化的要求培养学生具备设计能力、研究能力、实践能力、创新能力.因此，在物联网专业课程改革中，应当把理论知识与具体应用相融合，将基础课程、专业课程、实验课程、工程实践融为一体，构建新的教学模式；针对物联网技术的特征，改进现有课程的不足，将课程改革与教学、科研、实验、实践结合起来，培养学生的研究能力、创新能力、实践能力，从而改变原有专业课程的束缚，引入以核心专业为主导的课程改革措施[6].

按照教育部2018年1月30日发布的《普通高等学校本科专业教学质量国家标准》的相关规定，从专业范围、目标、规格、教学条件、师资队伍等环节进行综合衡量，将物联网工程专业的目标明确锁定在“原理+技术+技能”的思路上，进一步理顺相关教学的课程规划，改进现有的课程结构，按照物联网工程专业的需求，从课程的体系结构和专业方向进行了重新组建(如图2所示).

图2 物联网工程专业课程选择

2.2 具体措施

针对物联网技术的多样性及涉及面广等特征，教学改革中必须突出教学目标和应用价值两个重要改革宗旨[7]，按照改革目标设定整合课程内容及相关教学内容[8].借助目标驱动教学模式来有效整合相关课程.如在嵌入式技术教学中，将核心技术教学与实践结合，进行课程组合与衔接；将嵌入技术与智能农业、智能电力结合，把ZigBee与蓝牙、Wi-Fi技术引入到后续教学中，使网络硬件、网络设计、网络通信等教学结合起来，形成一个完整的逻辑结构；将硬件编程、硬件互联、系统整合等结合起来，达到教学目的[9].

我校物联网专业在教学中不断进行人才培养方案的调整，按照教育部的相关要求，几次对培养方案进行改进，课程设置也在相关要求下进行调整，主要目标是突出应用型本科教学特征，适应专业性、应用型人才培养的基本要求.在物联网课程改革中，突出体现知识体系融合的学科特征，借助课程改革明确专业教学体系化，针对专业方向的教学进行完善和整合，将“基础课程+专业课程+专业选修课程”的模式进行优化，在总体框架不变的前提下推动物联网知识体系的融合，从而使学生达到学有所用、学以致用，成为应用型人才.

应用型本科教育的目标在于应用，物联网教学中必须突出课程的实践性，课程改革中应将教学核心放在实验、实践中[10].借助校内实验室与外部教学基地、实训基地等资源，开展更加有效的实践教学[11].引入先进的教学设备，包括智能交通模拟装置、智能农业模拟装置等，探索将实验室作为第一课堂，用模拟实验替代枯燥乏味的讲解，借助案例、实训教授基础理论和专业知识，使学生认识到“应用”的价值，更加主动地学习.

3 以实践为核心的物联网课程建设

物联网工程专业主要培养的是学生的计算机思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力、应用创新能力.从课程设置的角度，可以按照物联网层次结构进行区分，如感知层、传输层、处理层、应用层，每层都会涉及相关理论和技术、应用实践[12].为此，在课程改革和建设中，应当突出以实验、实践为核心的基本思路，借助系统分析、设计、实践来建立适应应用型本科教学的需求.

3.1 多层次进阶型课程体系设计

多层次主要是针对学生的知识和技术，从简单到复杂设置课程及实验教学内容，建立一个完整的逐级深入的教学规划.进阶型课程设计主要体现在从实验论证、设计实现、综合构建、创新研究四个阶段，进行相关课程与实验、实践设计，将学生的学年学习计划与课程设置结合起来，建立对应的目标来驱动课程建设及学习进程.由此将应用型本科的教学目标与教学相结合(如图3所示).

图3 多层次课程结构建设框架

按照多层次递进的思路，针对不同的应用层次设计对应的理论课程、实验与实践课程，将复杂多样的课程内容进行拆分、组合，形成适应专业需求的课程结构，在完成课程改革的同时，完成相关课程的组合和建设.改革目标是针对物联网专业课程中的专业需求和应用需求，选择课程内容及实验、实践方向，规避学科多元化的负面影响，提高师资的利用效率.

3.2 按照应用型需求融合课程内容

从应用型本科物联网专业的教学内容上看，可以根据物联网的技术应用进行归类，如感知技术、通信技术、识别技术、数据处理技术等，上述各种技术进行组合即实现物联网技术的应用，涉及的课程也可以进行分类和交叉.为此，在课程改革和建设中，可以针对这样的应用需求融合课程内容，组合形成新的课程结构，由此来满足应用需求.按照前面的分析，可以将基础、设计、综合、创新作为教学的目标，由此选择相关的课程内容.在教学中，可以按照学年进度进行改革和建设，由此形成一个完整的教学规划(如图4所示).

图4 物联网专业学年课程建设思路

教学中针对不同的学年进行课程设计和组合，其中培养目标设定为基本素养、专业技术、工程实践与创新、综合设计能力培养等几个方面.按照培养目标选择课程内容、实验内容、实践内容，由此构成一个完整的教、学、做模式.此时教学目标、学习目标、实践目标都将归结到“应用型”人才培养上，教学与学生学习、就业目标保持一致，课程改革和建设也将达到事半功倍的效果.具体思路：基本素养培养是基本技能的理论和技术学习，将电子、工程、软件技术作为基础教学内容，由理论课开端逐步深入地讲解相关物联网的基础知识和技术，并结合软件模拟等实现学习深化.专业技术能力培养则是对电子、电路、通信、测量、传感等相关课程进行有效组合和选择，针对不同专业的学生设计新的课程组合，使之熟悉各类型开发和应用环境，并借助实验、实践进行技术培养，提高应用能力.工程实践和创新是进行分类系统设计教学，将物联网应用技术进行分系统整合，如通信系统、传感器系统等，并针对系统进课程设计，形成教学课程与系统设计的契合，并借助实验、实践来提高学生分系统设计和应用能力.最后就是综合设计能力培养，借助毕业设计、实训等环节，选择针对性案例项目作为课程内容，选择实际问题作为实践目标，选择独立项目设计作为教学手段，以此来完成教学、学习、设计系统结合.

3.3 建立多角度课程建设效果评价模式

应用型本科教学中课程建设效果，不能仅仅以学生成绩作为依据，毕竟应用型教学的目标是培养学生的应用知识并实现创新.为此，在课程建设中需要从多角度评价教学效果，由此获得信息反馈才能进一步适应应用需求.在教学中应当借助更多的视角对学生的学习成果进行检验，建立对应的考核评价体系，借助企业管理模式和思路来检验教学质量.如将学生成绩进行层次化，按照基础知识、实验能力、综合应用、创新应用作为评价基础，并细化二级指标，如基础知识可以被细化为基础理论、应用理论、学科理论等，实验能力则可以细化为操作能力、分析能力、应用能力，综合应用则可以细化为组织能力、设计能力、技术能力、协调能力，创新应用则可以细化为创新能力、思维能力、开发能力、判断能力等.针对每个环节进行细化，由此形成一个完整的多元的教学评价体系.完成评价指标建立后，针对各种指标的权重进行判断，构成一个完整的学生评价体系，将四个方面的学生成绩进行加权，最终得到学生的专业评分.完成评价体系构建后针对不同的学年进行考核方式和内容选择，借助学生的考核来反馈课程改革效果，对不足之处进行协调和改进.同时在每个年度还应借助外部应用需求调查以及分析对课程进行调整，适应物联网技术的发展需求，更新理论、技术内容，适应技术发展与应用需求.

4 结语

应用型本科物联网教学的目标是培养具备理论素养和实践创新能力的相关技术人才，但是物联网技术的多样和复杂性以及相关应用领域的广泛性，使课程设置以及教学组织存在一定的难度，容易导致失去教学重点和方向.从教学实践出发，客观研判教学问题，借助理论、实践、创新的基本思路，对相关物联网课程特征进行分析，对课程改革和建设提出阶段性、目标性组合和建设思路，可以在实际教学中提高物联网相关课程设置的针对性，保障应用型本科教学的效果.