新工科背景下物联网工程专业实践教学体系探索

摘  要：随着我国产业结构的转型升级，教育部提出新工科的建设，并动员全国高校积极推进高等教育的改革。新工科更加强调学科的实用性、交叉性与综合性。文章探索新工科背景下物联网工程专业的实践教学模式，该模式不但注重学生专业基础知识的夯实，而且还注重对学生工程实践能力和创新意识的培养。此外，还提出了交叉学科的融合实践课程体系，制定出符合物联网专业特点的实践教学方案，在整合优化多学科实践资源的基础上，建立了校企合作物联网实训平台，此举既提升了教学质量，又推动了行业发展。

关键词：新工科；物联网工程；实践教学；交叉学科；校企合作

中图分类号：TP393；G434  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）05-0171-04

Exploration of Practical Teaching System of Internet of Things Engineering Specialty under the Background of New Engineering

CAO Yuanqing

（School of Mathematics and Computer Science， Hetao College， Bayan Nur  015000， China）

Abstract： With the transformation and upgrading of China's industrial structure， the Ministry of Education has proposed the construction of new engineering and mobilized colleges and universities across the country to actively promote the reform of higher education. The new engineering emphasizes more on the practicality， intersection and comprehensiveness of the discipline. This paper explores the practical teaching mode of the Internet of Things engineering specialty under the background of new engineering. This mode not only focuses on the consolidation of students' professional basic knowledge， but also focuses on the cultivation of students' engineering practical ability and innovation consciousness. In addition， it has also proposed a cross-disciplinary integrated practice curriculum system， developed a practical teaching program that conforms to the characteristics of the Internet of Things specialty， and established a school-enterprise cooperation Internet of Things training platform on the basis of integrating and optimizing multidisciplinary practical resources， which not only improves the teaching quality， but also promotes the development of the industry.

Keywords： new engineering; Internet of Things engineering; practical teaching; interdisciplinary; school-enterprise cooperation

0  引  言

2016年，教育部首次提出“新工科”的概念[1]，隨后反复数次深入高校进行计议、调研和考证，从而在2017年最终确定“新工科”计划，而后又规划并制定了三个指导性文件：“北京指南”“天大行动”和“复旦共识”。“新工科”建立在传统工科的基础之上，为了推动行业的发展，不仅要敦促传统工科的改革，还要探索出满足工程育人模式的崭新人才培养架构，建立一批新生工科专业，并在此基础上强化学科建设，提高人才质量[2]。

物联网起源于传媒领域，是信息科技产业中继计算机和互联网之后的第三次革命。我国于2009年8月首次提出大力发展物联网，2010年3月，教育部颁发的相关文件中明确指出，要将物联网技术归为国家战略新兴产业，而后全国诸多高校陆续申请并开设物联网工程专业。2018年，教育部颁发的相关文件中确定了将物联网工程专业纳入国家首批“新工科”科学研究与工程实践项目[3]。为满足“新工科”的需求，物联网工程专业需要革故鼎新才能紧随信息化时代的脚步，从而推动国家产业的变革和经济的进步。国内的众多学者纷纷开始研究“新工科”背景下物联网工程专业的教学体系改革和实践教学方案。如深入研究“物联网通信技术”的课程特色、知识结构、理论体系、实践背景、教学资源、授课过程，以及专业教师和实验资源配备，从培养工程应用型人才的角度出发，提出了基于CDIO（构想—规划—实践—运行）的主动实践式学习，课题化和探究式有机结合的实践教学模式。以工程实践能力资质认证为导向，通过校企融合、多语授课、CDIO等方式探究了“传感器技术与基本原理”专业课的教学改革。

一些研究人员在“新工科”的时代背景下提出了改进的物联网工程专业人才培养方案[4]，在制定和实施人才培养方案这两个环节上进行深入的研究后，将人才培养方案中的实践部分分解为五个主要方面：课程建设、能力要求、培养规划、实验结构、学分配比，并全面解析了物联网工程专业的实践教学内容。还有一些学者指出在建设物联网工程专业这门学科过程中存在的一些问题（如课程结构与培养目标脱节、重视理论知识掌握能力轻视实践技能培养、就业岗位类型与物联网专业不对口、毕业生综合专业素养参差不齐等问题），深入探讨了实践教学过程中各种课程模式的不同特性，提出物联网工程专业对学生实践能力培养的新方向[5，6]。

因为“新工科”的核心思想是知识的实践性、学科的交叉性与能力的多元性，尤为注重互联网编程、系统设计、应用软件开发和数据挖掘等新兴技术的综合，此外，“新工科”还倡导培养具有创新能力的实践型人才，主张产学合作联合育人。

为此，本文以提升学生的实践能力为核心，设计了“新工科”背景下多元协同实践教学体系，启发学生循序渐进地学习物联网工程专业的相关知识，强化学生的实验动手能力，着力提高学生的创新创业水平，开展多样化的实践教学模式探究，以期为物联网工程专业应用型人才实践能力培养提供新思路。

1  物联网工程知识体系架构

物联网工程是一个交叉学科，所涉及的学科有云计算、大数据、通信原理、模拟电路技术、数字电路技术、电子技术和汇编语言等[7]。在物联网专业的教学过程中，教师不仅要讲授基本的物联网理论知识，还要教会学生如何结合理论知识解决物联网工程实践问题，提高学生的实验实践能力和创新水平。如图1所示为物联网工程知识体系架构，从层次流向不难看出，物联网工程的知识体系结构由下至上依次为公共基础模块、专业基础模块、专业核心模块和应用领域模块四层。

由图1可知，公共基础模块为物联网工程专业学生在第一学年学习的公共基础知识课程，也是整个物联网知识体系的基础支撑。专业基础模块主要是为大二学生初步接触物联网专业知识做理论铺垫，如数据结构与算法、电路与电子技术、单片机原理与数据库系统等。专业核心模块按照理论与实验相结合的方式将物联网的关键技术课程安排到第三学年，目的是使学生在已有公共基础和专业基础知识的基础上，逐步掌握物联网核心技术，初步建立物联网知识体系，并开始接触相关的实验内容，从中获得一定的实践技能。专业核心模块主要包含三个部分，分别是感知技术、传输技术和处理技术。从数据流向的角度来看可以将三种技术的工作机制概况如下：

（1）利用传感器节点感知层技术和物联网控制技术对数据进行采集。

（2）利用短、中、长距离物联网通信技术将传感器节点采集到的数据汇聚到物联网网关。

（3）物联网网关通过Internet层将数据发送给上位机或客户端计算机进行数据处理和分析，进而对底层节点发送控制信令，完成交互。应用领域层是指以校企合作为主要形式的实训实习，分布时间段为第四学年，将学生在校期间学习到的物联网知识通过实训项目的方式运用到实践中，如指引学生将物联网知识应用到智能交通、物流监控和医疗检测等领域。

2  物联网工程递进式实践教学体系

物联网工程递进式实践教学模式是一种面向校企合作并以工程实践能力为导向的教学模式，该实践教学模式的架构如图2所示。从图2中可以看出，该体系分为设计交叉学科校企融合实践教学体、以制定项目应用能力为导向的实践教学方案和探索多元协同的人才培养方案3个方面，并且是逐级递进的，而建立实践能力档案作为递进式教学的数据归口贯穿整个教学体系。通过设计交叉學科校企融合实践教学体系来夯实学生专业实践技能，在此基础上，通过制定以项目应用能力为导向的实践教学方案使学生在实训项目的整个周期中不断强化项目运作能力，并在此过程中激发学生的创新意识，为其后续工作岗位的专业技能需求做好充足准备。而后通过探索多元协同的人才培养方案来整合多元化交叉学科的实验实训软硬件资源，以及提升物联网实践教学氛围。建立实践能力档案与递进式的三个方面皆有关系，这三个方面的成果最终会体现在实践能力档案中，而实践能力档案的持续更新又会反过来动态调整和优化实践教学体系架构，形成递进式教学的促进与反馈。

2.1  设计交叉学科校企融合实践教学体系

为了引导并强化学生的物联网工程技术实践能力，首先需要设计科学合理的实践教学课程体系。图3是在图1的基础之上设计的物联网实践课程体系，该体系囊括了图1中涉及的所有核心知识，并且是循序渐进，前后衔接。

从横向来看，该体系的时间跨度为四个学年，第一学年到第四学年的课程难度逐级递增，涵盖了主要的学科知识，便于学生循序渐进地进行专业知识的系统性学习。物联网感知层知识课程安排在大二，数据库知识、信息技术和通信原理知识课程安排在大三，企业实训实习安排在大四。从纵向来看，该实践课程体系分为理论铺垫、实验操作、课程设计和项目实践四个过程，由浅入深，培养学生运用物联网理论知识解决工程实际问题的能力，同时培养学生的创新意识。

在第一学年，首先通过物联网导论让学生初步了解和学习物联网相关的基础知识，为学生后续专业课程的学习做好理论方面的准备。其次通过引企入校和现场观摩物联网项目的方式激发学生的学习兴趣，辅以大学物理、数字电路基础、模拟电路基础和电路原理等课程知识锻炼学生的实验能力。最后通过对高等代数和概率论与数理统计的学习，使学生能够在后续的专业学习中具备一定的逻辑推理能力和数据分析能力。

在第二学年，课程任务增多，知识难度增大，学科类目增加，需要学生针对模拟和数字电路技术及传感器技术动手实验，培养学生中级动手能力，并使学生掌握硬件相关知识。此外，在硬件知识的基础上，学生学习单片机原理、嵌入式开发与应用和汇编语言，增强学生软件知识储备，以更好地迎接第三学年难度更大综合性更强的感知层技术课程，也为大学生创新创业大赛做好准备。

在第三学年，专业课程无论从数量上还是难度上都有所增加，主要分为两个课程分支，分别是信号处理和通信技术。其中，信号处理技术主要涉及自动处理和AI算法等，总体偏向于软件，而通信技术主要涉及电路原理和计算机硬件结构，总体偏向于硬件。

在第四学年，学生对基础课程与专业课程的学习基本完成，主要是通过毕业设计将所学知识加以综合运用，而毕业设计中所涉及的项目经验、创新方法和思维灵感，需要从企业实训和顶岗实习中获取。

2.2  制定以项目应用能力为导向的实践教学方案

衡量一个物联网专业学生实践能力的标准就是其是否具备工程实践的项目应用能力，如图4所示为培养学生项目应用能力的实践教学方案，此方案主要是针对基础实验和课程设计而制定，具体过程可分为两步：第一步是通过基础实验使学生逐渐形成初步的动手能力，从而形成学生的实践能力档案。这一步主要分布在大一和大二学年，在这一阶段，学生通过对物联网基础课程的学习，初步构建物联网知识体系。在实际的教学过程中，教师设计多组难度不等的基础实验供学生选做，而后依据学生的实验兴趣表现形成个性化的实践能力档案。第二步就是通过课程设计环节训练学生的创新意识，涉及时间段为大三和大四学年，通过两个学年的学习，学生已具备基本的物联网专业技术知识，并具有一定的创新能力，形成了相对固定的学生实践教学档案。在这一步中，实践教学的主体已由教师转移到学生。

2.3  探索多元协同的人才培养方案

为了能够充分利用学校已有的教学资源，对多个实验实训中心的软硬件资源进行优化整合，发挥物联网工程多学科交叉的专业优势，提出了多元协同的物联网人才培养方案。该机制主要包含以下三个方面：

（1）构建综合实验实训平台与学生之间的纽带，并依据学生的实践能力档案定向给学生推送定制化的信息，其中，所推送的信息包括课程教案实验设计、科研进展、专业前沿、公司招聘等。

（2）建立创新创业大赛培训队伍，通过遴选专业教师资源，建立一支专业性强、创新辅导经验丰富的培训队伍，为每届国家级大学生创新创业大赛输送综合素质和实践能力较高的物联网学生。

（3）充分利用学校及社会资源，学校与企业合作共同建立校企合作实习基地，给大四学生提供专业讲座、学术交流和就业推荐等资源。

2.4  搭建物联网综合实训平台

在物联网工程专业的人才培养方案中，传统的做法是将物联网综合实训安排在第四学年第二学期，这是一门综合了所有物联网专业课程的实践性课程，主要考察学生物联网技术的实际应用能力，使学生达到物联网行业各工作岗位的能力要求。

然而，现有的实践教学平台仍存在很多的不足之处，例如，设备软硬件资源有限，学生实验分组的合理性与庞大教学体系的复杂性之间存在矛盾，虽然通过团队合作可以完成一些简单的实验任务，但对于一些难度较大的综合性实践项目，由于学生理论知识的新鲜性和动手操作的不熟练性，往往会在实验环节出现连线错误、设备烧损、代码报错等问题，从而影响了实践教学的效率。

综上，在实践教学体系的整体框架下，设计了基于校企合作的物联网综合实训平台，平台结构如图5所示。该平台包含三个模块：数据采集模块、数据处理模块、智能控制模块。其中，数据采集模块利用各类传感器（声、光、电、温度、湿度、压力、烟雾等）对外接输入节点的信号进行采集，外接节点的输入量可以是数字量，也可以是模拟量。在数据处理模块中，由客户端上位机控制的协调器通过位于网络层的网关节点对所有采集到的信号进行收集和汇聚，再将数据传输给数据库服务器进行分析处理（通信过程中所用到的物联网通信技术为ZigBee技术）。智能控制层对经过采集、处理、分析的信号进行输出，再针对输出的数字量或模拟量大小对协调器进行反馈，从而控制整个物联网实训平台的工作。

该实验平台以物联网通信技术为核心，利用模拟和物理两种传感设备，通过无中心、自组织的方式进行拓扑组网。实验平台由具有不同功能的嵌入式开发板、扩展板、传感器、通信模块组成。操作者可以依据实验内容和要求的不同自由搭配组合不同的实验模块，甚至是在同一个实验中，也可以更换通信模块进行对比验证。功能面板具有不同的功能区，如设备类型选择区、供电区等，这些功能区可以提高操作者的实验效率（连线、跳线、驱动等），方便操作者观察实验数据的走势。物联网综合实训平台示意图如图6所示。

3  实践教学质量评价

验证新工科背景下物联网工程专业实践教学体系的方式有很多，除了将学生的实验报告、实践测评、项目参与度和比赛获奖等作為测评标准之外，还要在每一学年的不同学期对学生进行线上问卷，问卷的几个主要问题如“你的职业发展目标是什么？”“你的专业技术实践能力如何？”“你最感兴趣的学科课程有哪些？”等。不同年级以及同一年级不同班级学生的问卷结果差异都会侧面映射出实践教学体系的成效。因为只有学生能够做到明确自己的目标，知道实现目标的基本途径，以及评估自己实现目标的可能性，才会使其大学生活变得意义非凡。

4  结  论

物联网是新工科专业课程体系中的重要一员，其发展模式也应该遵循新工科倡导的基本思想（即“创新”“融合”“共享”）。为响应国家新工科建设及创新型人才培养的号召，提出了面向物联网工程专业的实践教学体系。该体系不仅涵盖物联网领域的多学科技术，体现出交叉融合与联动应用的特点，还注重对学生自主意识、实践技能和创新思维的培养，并以新型实践能力档案进行表征。通过校企合作综合实训平台对多元化的实验资源进行优化整合，通过项目实践实现了学生的个性化发展，同时还提高了物联网专业的实践教学质量，推动了实践教学的发展。

参考文献：

[1] 周梅，张登银，李养群，等.新工科人才创新创业能力培养实践与研究——以物联网工程专业为例 [J].软件导刊，2020，19（11）：262-267.

[2] 王秀娟，郑康锋，张佳玥，等.面向新工科建设的物联网工程实践课设改革思路 [J].教育教学论坛，2020（43）：186-188.

[3] 方娟，张佳玥，王秀娟，等.新工科背景下物联网工程专业产教融合与多元协同育人模式研究 [J].计算机教育，2021（3）：153-156.

[4] 朱金秀，段蓉，刘艳，等.新工科背景下物联网工程专业协同育人机制的探究 [J].计算机教育，2021（3）：157-160.

[5] 杨聪，林楠，曹仰杰，等.新工科背景下物联网工程专业产学研协同创新机制的研究与实践 [J].信息与电脑：理论版，2021，33（16）：219-221.

[6] 张琰.基于物联网工程的新工科实践平台分析 [J].电子技术，2021，50（10）：116-117.

[7] 丁昊，石鸿凌，孙美静.基于国际合作项目的民族高校物联网实验课程之实践探索 [J].科教导刊，2021（35）：117-119.

作者简介：曹园青（1985—），男，汉族，内蒙古巴彦淖尔人，讲师，硕士研究生，研究方向：计算机网络、信息安全、云计算。

收稿日期：2022-12-01

基金项目：内蒙古自治区高等学院科学技术研究项目（NJZY22247）；内蒙古自治区哲学社会科学专项项目（ZSZX21090）；河套学院教学研究与改革项目（HTXYJY2102）；河套学院新冠肺炎重点研发项目（HYZX202089）