新工科背景下的物联网课程教学模式

曾红武，王 佳

(重庆医科大学 医学信息学院，重庆 400000)

一、前言

物联网(IoT，Internet of things)即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络。物联网是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通，物联网上的每个“物”一般来说具有四种能力，即标识能力、感知能力、通信能力和可控能力[1]。随着信息技术的发展，特别是5G技术的突破，物与物、人与物之间大容量、高速的信息交换逐渐成为现实。智能家居、工业物联网、智慧城市等物联网产业已经形成，物联网相关产品需求呈爆炸式增长。

物联网技术在多个领域应用成功之后，相关行业对物联网技术人才的需求日益增长。近年来，培养的物联网技术从业人员逐年呈现几何数增长，但是从需求方来说仍出现无法招聘到合适人才的现象。物联网产业蓬勃兴起，但人才短缺的状况没有好转。目前，全国开设物联网专业的院校有1 000多所，但每年毕业生人数不足10万，未来几年，随着人工智能与物联网的结合，物联网领域的人才需求量将达到20万以上，供不应求态势很明显。

业内一般将物联网分为传感层、网络层、应用层。物联网的三层架构模型决定了物联网技术的多样性。传感层需要对硬件及嵌入式开发有系统的了解，主要涉及到硬件的设计与研发；网络层主要涉及物联网网关、短距离无线通信、自组织网络、简化IPv6协议、低功耗路由、增强的机器对机器无线接入和核心网标准、M2M模组与平台、网络资源虚拟化标准、异构融合的网络标准等；应用层包括应用层架构、信息智能处理技术以及行业、公众应用类标准。应用层架构重点是面向对象的服务架构，包括SOA体系架构、面向上层应用业务的流程管理、业务流程之间的通信协议、元数据标准以及SOA安全架构标准。应用层信息智能处理类技术标准包括云计算、数据存储、数据挖掘、海量智能信息处理和呈现等。云计算技术标准重点包括开放云计算接口、云计算开放式虚拟化架构(资源管理与控制)、云计算互操作、云计算安全架构等。物联网技术的技能包含了业务理解能力、数据探索能力、项目管理能力。

从上述的物联网各层技术分布来看，物联网技术有多样性、复杂性等特点。因此，物联网技术能力难以在短时间内培养，一个有较高水平的物联网技术人才需要较深厚的理论知识，并且需要参与大量的实践才能逐步提高。如何培养高素质的物联网技术人才已成为新工科背景下各高校物联网相关专业任课教师的重点，值得各高校相关任课教师关注和探讨。

二、物联网课程教学现状

当前，面对激增的物联网技术人才的需求，广大高等院校作为物联网技术人才培养的摇篮，肩负着向社会各行业输送优秀人才的重担[2]。2017年，教育部发布了“新工科建设”计划，这个计划强调了理论与实践的融合。最近几年广大高校也开展了大量的课程教学改革，比如，运用酷课、慕课等形式进行教学，并取得了一定的成效，同时各高校也建立了一批与物联网技术相关的专业和学院。有一些高校还联合企业成立了相应实验室，比如，江苏大学与富士通半导体公司成立物联网联合实验室，该实验室提供给江苏大学学生进行微处理器技术的创新性实验和研究。广大高校还积极与企业对接，让学生到企业中实习，比如，重庆医科大学将学生送往中联进行为期2—3个月的实训。但是，纵观多数高校的物联网技术人才培养计划和相应的课程，可以发现一个普遍的问题是重理论知识的培养，缺乏物联网技术技能的培养。

从各高等院校开设的物联网技术课程来看，课程的主要内容处于理论知识传授阶段。由于课时较少，大部分的课程以理论教学为主，多数教师也局限于传授相关物联网技术的理论知识。教师在授课过程中对物联网的三层架构进行了比较充分的讲解，也能对物联网每一层涉及的理论知识、运用场景进行总结，同时还能利用一些简单的案例进行讲解。但是，大量的高校学生很难有实际的工程案例实践，课程教学过程中无法延伸到物联网技术技能培养阶段。部分高校在培养学生物联网技术技能方面也引入了企业进行实训教学，从实训过程和结果来看，这种方式也存在三方面的不足，一是这种方式不是长久之计；二是校外实训企业能力参差不齐；三是校外实训时间较短，实训内容单一，无法完成整个工程的实践。

在新工科背景下，最近几年有的高校也对物联网技术课程进行了改革，引入了项目驱动、任务驱动等教学方法来进行物联网技术课程的教学[3]。但是这类方式的项目和任务都是现成的，有明确的需求和考核目标，学生也只是按照项目的要求或任务按部就班的完成，学生需要思考的问题很少，通常只是对理论知识的简单运用。事实上，一个真正落地的项目是需要从最初的项目需求开始，到最终的项目实施全过程。例如，在ETC停车收费系统中，往往是对现有项目的重现。课程项目与实际的工程项目有很大不同，实际的工程项目没有明确的问题分析，需要物联网技术人员从现场的实际环境出发，从复杂的业务背景和实际问题中提取，同时这个需求还可能随着对项目的深入了解发生深刻变化，这些历练的过程在现有的项目驱动和任务驱动教学中是无法体会的[4]。事实上，实际工程项目中传感层获得的数据非常杂乱，需要进行大量的预处理，同时还有客户近乎严苛的验收标准和项目预期时间节点。上述问题在教科书式的课堂上、在企业的实训上都不曾发生，需要在实战项目中不断纠错并创新地去解决发现的问题。因此，传统的项目驱动式、任务式培养出来的物联网技术人员将无法面对企业的实际项目。

综上所述，由于部分高校课程内容陈旧、学时有限，广大学生在物联网技术学习的过程中实践能力得不到有效锻炼，学习的内容与实际需求有较大的脱节是目前物联网技术人才培养面临的最大问题。

三、基于“行动学习”的物联网技术课程教学模式

行动学习(Action learning，又译作“行动学习法”)，英国管理思想家雷格·瑞文斯(Reg Revans)于1940年发明，并将其应用于英格兰和威尔士煤矿业的组织培训，因此，雷格·瑞文斯也被尊称为“行动学习之父”。所谓“行动学习”，就是通过行动实践学习。即在一个专门以学习为目的的背景环境中，以组织面临的重要问题为载体，学习者通过对实际工作中的问题、任务、项目等进行处理，从而达到学习的目的。

“行动学习法”看起来非常简单，因此，该学习方法多年来一直被人们所忽视，从未发现其背后隐藏的力量。“行动学习”之于学习方面的基本方法就是：人们获得实践经验的最好方法是通过实际的项目操作而非通过传统的课堂教学。“行动学习法”的目的不仅是为了促进某一具体项目，更致力于推动一个人的学习能力，将知识学习全面转化成能力和技能提高。

雷格·瑞文斯教授认为“行动学习”可以表述为以下公式：AL=P+Q+R+I。AL(Action Learning)：行动学习；P(Programmed Knowledge)：结构化的知识；Q(Questions)：质疑；R(Reflection)：反思；I(Implementation)：执行，即行动学习=结构化的知识+质疑+反思+执行。“行动学习”是一种综合的学习模式，是学习知识、分享经验、创造性研究解决问题和实际行动“四位一体”的方法。

从上述的公式可以看出，“行动学习”是一个循环学习的过程。第一阶段代表结构化知识的获取，也就是理论知识阶段的学习；第二阶段是在实践中将理论知识加以运用，并归纳总结实践中发现的问题，获取质疑；第三阶段是反思发现的问题，并提出解决方案；第四阶段是执行第三阶段提出的解决方案。“行动学习”方法是从P→Q→R→I这几个阶段的循环交错进行，构成了从“行动学习”到“认知学习”和“改造学习”的过程。

将“行动学习”方法运用到物联网技术技能培养，这个过程可以由四个阶段组成。第一个阶段对物联网技术的基本架构、基本理论、基本方法、基本工具进行学习，对应“行动学习”的P阶段；第二阶段是项目模仿阶段，对应行动学习的Q阶段，这一阶段是将P阶段的理论知识加以简单的应用，可以将知识转化成质疑；第三阶段是“行动学习”的R阶段，这一阶段将反思Q阶段出现的问题，并提出解决方案；第四阶段是将R阶段提出的解决方案加以执行，即“行动学习”的I阶段。综上所述，四个阶段的学习过程可细分为以下四个具体的步骤。

1.物联网技术理论基础知识的掌握

这一步骤是“行动学习”的P阶段，这一阶段强调的是掌握物联网技术的理论知识，这是后续步骤的基础，这阶段可以让学生了解和掌握物联网的基本架构、基本运用、运用领域、各层开发的工具以及如何实现[5]。只有扎实的理论知识，后续的实践和反思才有基础。“行动学习”中强调实践的反思，理论知识是其反思的奠基石。“行动学习”的主体是学生，教师的作用在于为学生构建学习的环境，设计合理学习物联网技术的路径，使学生在学习的过程中掌握项目执行的流程和流程中每一步的方法和技巧，同时鼓励学生每个阶段善于反思和乐于反思。

这一阶段，教师不必让学生懂得每一行代码的意思，应聚焦在分析问题的思路上。在功能的实现上可以直接调用一些开源的框架的API尝试功能及算法的实现，强化对数据的理解及思维方法。例如，学习的初期可调用OpenCV，Face++ 的接口实现简单的人脸识别功能。这种所见即所得的学习方式能很快地提高学生的学习兴趣。

2.模仿优秀物联网技术人员的思路

这一阶段是“行动学习”的Q阶段，教师应督促学生在小的实践项目中将P阶段的知识加以应用。整个流程应贯穿物联网的三层架构，从数据的获取到数据传输，最终到数据的有效应用，这是一个完整的物联网技术流程。每个环节都对应了物联网相关层的理论知识，这个阶段应该反思如何有效的将理论知识运用到物联网运用的整体思路当中[6]。作为一个初学者模仿优秀的物联网技术人员的思路尤为重要。这个阶段教师可以整理已完成的物联网应用项目，这些项目包括但不限于经典的的项目。

任课教师将整理好的项目做成实验文档，将整个项目完整的呈现出来，实验文档中需要强调整体项目的思路和需要注意的难点。这个阶段应将学生分组，组员以4—5人一组为宜。成员分组原则上既要考虑成员之间性格相投以便组员之间有良好的沟通，也要考虑组员间能力结构，以便各组都能顺利完成任务。各组拿到实验项目后进行项目的重现，项目重现过程中每个阶段让学生将理论知识与项目的过程进行映射，同时各组及不同分组之间进行相互讨论，重点讨论每个阶段选择用什么技术，可能会遇到的问题，这些问题应该如何解决，思考有没有更加优化的办法解决这些问题。这个过程就是“行动学习”的Q阶段到P阶段的平滑移动。在这个过程中学生能逐渐掌握物联网项目运作的技能，这就是从理论知识的学习到实践并质疑的学习过程。在这个过程中既锻炼了学生团队协作能力，更能发现理论知识的不足，这为复习理论知识和循环到下一阶段奠定基础。

3.项目的反思

在进行简单的项目复现时，学生的物联网技术处于基本技能阶段，但对实际业务问题理解还处在一个较低的层次。现在应该进入“行动学习”的R阶段，即质疑阶段，这是“行动学习”的循环提升阶段。这个阶段应让学生参与一些新项目，在新的项目实现过程中，注重让学生将新知识、新技能与已有的知识体系融会贯通，并尝试摸索解决新问题的方法、思路。这个阶段教师参与度较低，只需要留时间给学生自主完成即可，教师的着重点应该放在督促学生按时间节点完成阶段任务。同时教师应根据不同学生的能力和所处阶段合理的推荐一些实践项目，这些项目应是真实有效的，例如，校园内自行车定位项目、校园内的智慧路灯系统等。这些项目可操作性强，且实际存在，项目实践性较强，在项目的实践过程中学生的获得感较强，容易激发学生的主观能动性。教师在项目的实践中应组织并鼓励学生不断反思，总结，再反思，再总结。条件成熟的情况下可以指导一些优秀的学生参与大赛活动。新的项目过程中的反思过程可以提高学生分析问题和应用物联网知识的能力，项目的实践中学生的项目管理能力、团队协作能力也会显著提升。

4.工程项目的执行

前面三个阶段的学习完成了“行动学习”的P、Q、R阶段，即结构化的知识、质疑、反思三个阶段，现在进入“行动学习”的最后一个阶段，执行I阶段，这个阶段是对“行动学习”的最终检验。在前面三个阶段的学习积累后，需要参与实际的工程项目。实际的工程项目难度较大，因为在项目的初期，用户只提出一些简单的愿景，并没有一个总体的目标，物联网技术人员需要走访现场，并与使用人员交流，抽象出合适的需求分析报告，这就需要物联网技术人员有较高的专业知识和业务能力。实际的工程项目的数据源可能分散在不同的传感器中，因此，提取哪些数据，什么时候提取，如何提取，都要根据业务需要来考虑。同时实际的项目中，业主单位会有严格的业务审核流程，数据的传递速度、量级、稳定性必须要达到一定的性能要求。在应用层方面数据如何处理，如何运用，如何展示，这些问题都需要与用户深度沟通，同时由于用户使用数据的多样性、不统一性都需要物联网技术人员与客户一同思考和探讨后才能得出结论。与第三阶段的比赛等相比，此阶段对物联网技术人员的要求会更高。实际的项目也会有一定的时间限制，相应的会给学生带来一定的压力。这个阶段学生会面对更大的困难和挑战，需要有项目经验的教师给予积极的指导。针对学生的问题，指导教师应该利用企业专家丰富的经验为学生提供有益的建议，这个阶段需要学生理论与实践深入结合[7]。总之，如何解决客户提出来的业务问题，如何解决实际的问题，无法从技术上解决相应问题时如何说服客户更改相应流程是物联网技术人员培养的终极目标。

四、总结

当前，物联网相关行业对物联网技术人才的需求旺盛，但大部分高校培养的人才却不能适应市场的需求。高校的物联网技术课程侧重理论知识的讲解，学生在实际的工程项目中还需要大幅提高相应能力。物联网技术涉及的知识多，人才培养周期长，对技能要求高，需要从模仿项目、比赛项目到实际项目的长时间积累。物联网技术技能培养对高校教师和学生来说都是一个不小的挑战，教师应积极参与实践，积累必要的项目能力，并与企业积极对接合作，培养出能解决实际问题、为社会所用的物联网技术人才。