應(yīng)用型人才培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系改革

引 言

1999 年提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）概念，到2009 年 IoT 被正式列為中國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。作為新工科的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，其課程內(nèi)容包括“感知 - 傳輸 - 應(yīng)用”三個(gè)層次相關(guān)的技術(shù) 。感知層包括傳感器、嵌入式技術(shù)、射頻識(shí)別等，網(wǎng)絡(luò)層包括傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等 [2-3]，應(yīng)用層主要是工程應(yīng)用、行業(yè)產(chǎn)業(yè)相關(guān)應(yīng)用 [4]。經(jīng)過了近 10 年的發(fā)展，IoT 的應(yīng)用越來越廣泛，已覆蓋智能家居、智能交通、智慧醫(yī)療、可穿戴設(shè)備、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，如圖 1 所示，都在引領(lǐng)行業(yè)創(chuàng)新與變革。

高校作為專業(yè)人才的發(fā)源地，人才培養(yǎng)應(yīng)以社會(huì)需求為導(dǎo)向，特別是對(duì)實(shí)踐性和創(chuàng)新性要求很強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè) [2]， 從學(xué)生大一入校開始，就灌輸給學(xué)生 IoT 技術(shù)的應(yīng)用前景， 使他們有意識(shí)地愛上 IoT 技術(shù)，激發(fā)他們的動(dòng)力和明確學(xué)習(xí)的方向 [4-5]。再通過后期專業(yè)課程層層遞進(jìn)、循序漸進(jìn)地培養(yǎng)， 使學(xué)生具有較強(qiáng)的應(yīng)用能力，能跟上物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的步伐。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)存在的問題

河池學(xué)院于 2014 年開始招收物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生。在學(xué)科建設(shè)上沒什么經(jīng)驗(yàn)可借鑒，摸著石頭過河地走了一遍流程。經(jīng)過近5年的積淀，尤其在應(yīng)用型和新工科的理念推動(dòng)下，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)取得了不少進(jìn)步。2018 年 11 月順利地通過了新設(shè)本科新專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)評(píng)估。但是物聯(lián)網(wǎng)工程畢竟是一門新專業(yè)，具有很強(qiáng)的學(xué)科性 [1]，整個(gè)課程內(nèi)容、課程建設(shè)、師資力量等方面還是存在以下一些問題和不足。

1.1 IoT 技術(shù)內(nèi)容多且雜

IoT 技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，包括軟件和硬件技術(shù)。老師給學(xué)生上物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論課時(shí)，就給學(xué)生打過“預(yù)防針”，告訴學(xué)生課程有點(diǎn)多、內(nèi)容有點(diǎn)雜，叫學(xué)生做好心理準(zhǔn)備。隨著專業(yè)課的深入，發(fā)現(xiàn)這些課程不僅有點(diǎn)雜，而且還有點(diǎn)亂。學(xué)生 4 年內(nèi)需要掌握硬件和軟件兩個(gè)方面的知識(shí)。

硬件方面主要是常見電子測(cè)量工具的使用、簡(jiǎn)單電路的調(diào)試、PCB 電路原理圖設(shè)計(jì)與焊接、主流單片機(jī)（51， CC2530，CC2420，STM32，Arduino，F(xiàn)PGA）最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、傳感器和 RFID 數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)能力、短距離（藍(lán)牙，WiFi，ZigBee）和長(zhǎng)距離（NB-IoT，LoRa 3G、4G 和 5G）無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能力、各種下載工具的調(diào)試安裝能力。

軟件方面包括軟件開發(fā)環(huán)境和編程語言。IoT 技術(shù)經(jīng)常使用到的軟件環(huán)境有 VC++，Visual Studio 2015，Keil μVision，Quartus Ⅱ（包括仿真工具 ModelSim、插件 Qsys 和 Nios Ⅱ ），IAR Embedded，Linux 操作系統(tǒng)，Android 操作系統(tǒng)，μC/OS 操作系統(tǒng)，TinyOS 操作系統(tǒng)，ZigBee 協(xié)議棧， Arduino 和 Ecilpse 等。編程語言有 C 語言、C++ 語言、nesC 語言、Java 語言、Python 和 Verilog HDL 語言等。

這些內(nèi)容就像一座座大山，老師和學(xué)生都感覺壓力山大， 苦不堪言，迫切地需要教學(xué)改革，將這些內(nèi)容糅合到一起， 形成教師易于傳授知識(shí)和學(xué)生容易理解和掌握的體系。

就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這門實(shí)驗(yàn)課程而言，目前使用的開發(fā)平臺(tái)有 CC2420，CC2430 和 CC2530。CC2420 和 CC2430 運(yùn)行的開發(fā)環(huán)境是 TinyOS系統(tǒng)，采用的語言是 nesC語言。但是這兩個(gè)芯片也有差別，CC2420只是一個(gè)射頻收發(fā)模塊， 不帶處理功能，需要結(jié)合 51內(nèi)核單片機(jī)（MSP430）才能用 ； 而 CC2430是集成了 51處理器和射頻模塊。引腳和 RF的變化使得 CC2420的設(shè)計(jì)不能在 CC2430平臺(tái)上使用。CC2530 是 CC2430升級(jí)版，但是運(yùn)行環(huán)境是在 IAR環(huán)境下進(jìn)行。同樣的 CC2430和 CC2530的設(shè)計(jì)也是不兼容的。這三個(gè)平臺(tái)可以選擇一個(gè)來開發(fā)就可以，但筆者所在學(xué)校，這幾個(gè)平臺(tái) 都采購了，需要將這些平臺(tái)充分利用起來，這無疑增加了教 學(xué)的難度。

1.2 知識(shí)體系沒有形成一種融合貫通的思路

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個(gè)比較新的專業(yè)，這幾年教材出版物確實(shí)不少。有些比較經(jīng)典的教材，為保證知識(shí)點(diǎn)的完整性，不同課程的教材內(nèi)容之間會(huì)有部分重疊，比如 C 語言、Java 語言和 C# 等程序設(shè)計(jì)語言的前幾個(gè)章節(jié)都會(huì)講述數(shù)據(jù)類型、變量和函數(shù)的定義等。這無可厚非，因?yàn)橛泻芏鄬W(xué)者可以不學(xué)習(xí) C 語言直接開啟面向?qū)ο蟮膶W(xué)習(xí)。數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)組成原理等課程，前面的章節(jié)也會(huì)介紹數(shù)制、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換和編碼等知識(shí) ；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的物理層技術(shù)和通信原理課程內(nèi)容也有部分重疊。

也有些教材都是介紹性的，比如很多物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)這門課程的教材，包括物聯(lián)網(wǎng)概述、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、感知層通信技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。這一門課就涵蓋太多的技術(shù)，盤根錯(cuò)節(jié)地羅列出讓人眼花繚亂的知識(shí)，似乎面面俱到，其實(shí)很多知識(shí)在物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論課程上就已經(jīng)介紹過，知識(shí)體系沒有融會(huì)貫通。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)師資力量匱乏

物聯(lián)網(wǎng)屬于新工程專業(yè)，前期基礎(chǔ)比較薄弱，師資力量嚴(yán)重匱乏，在制定培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃時(shí)，專業(yè)總學(xué)時(shí)數(shù)和專業(yè)核心課程的安排受到了相應(yīng)的限制，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)從現(xiàn)有師資力量、團(tuán)隊(duì)和知識(shí)能力結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況出發(fā)，形成對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和建設(shè)不太有利的情況。

2 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系改革目標(biāo)

在“井噴式”的 IoT 技術(shù)發(fā)展下，為了追趕上 IoT 發(fā)展的步伐，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力、提升學(xué)生就業(yè)水平為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、研究能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、課堂教學(xué)深度改革， 延續(xù)深度校企合作，采用“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的課內(nèi) + 課外的實(shí)踐教學(xué)模式，把課程體系改革、科研訓(xùn)練和課程設(shè)計(jì)融為一體，著重學(xué)生“研究能力、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力”的培養(yǎng)，同時(shí)解答培養(yǎng)目標(biāo)和課程體系的確定、破除專業(yè)藩籬、確定專業(yè)建設(shè)的核心、解答實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)怎么開展等的專業(yè)謎思。

3 應(yīng)用型課程體系改革的措施

3.1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，突出應(yīng)用

針對(duì) IoT 技術(shù)內(nèi)容多且雜的問題，課程教學(xué)中，以實(shí)際應(yīng)用為背景，整合跨課程、跨章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)化方式的案例教學(xué)模式。

在學(xué)習(xí)嵌入式 STM32 開發(fā)時(shí)，可以使用具有 ARM 內(nèi)核的 STM32 系列 CPU、配合圖形化操作的 STM32CubeMX 使用，就能構(gòu)建如智慧農(nóng)業(yè)、遠(yuǎn)程抄表、公交系統(tǒng)、智慧路燈、智慧垃圾桶等項(xiàng)目的教學(xué)案例項(xiàng)目。再結(jié)合 ZigBee、藍(lán)牙或WiFi 技術(shù)，通過串口與 STM32 進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或組網(wǎng)。這種跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)、跨課程的開發(fā)，整合了大量信息， 有利于學(xué)生的快速成長(zhǎng)。

在學(xué)習(xí)數(shù)字電路 FPGA開發(fā)基本實(shí)驗(yàn)課程后，可以適當(dāng)?shù)亟柚?Qsys，SOPCBuilder插件和 NiosⅡ軟件來設(shè)計(jì)綜合項(xiàng)目。SOPCBuilder可以實(shí)現(xiàn) IP核的硬件框架。NiosⅡ提供軟核處理過程，采用 C 語言編寫實(shí)現(xiàn)，降低了開發(fā)的難度 ； 同時(shí)提供尋址方式、讀寫時(shí)序和總線，總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線 [6-7]。這些擴(kuò)展的項(xiàng)目對(duì)后續(xù)計(jì)算機(jī)組成原理課程有很好的導(dǎo)入作用，保證課程的延續(xù)性 [6]。

采用項(xiàng)目式的案例教學(xué)，讓學(xué)生樹立項(xiàng)目開發(fā)的整體過程思維，將理論與實(shí)踐有機(jī)融合，結(jié)合豐富的教學(xué)案例，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性。

3.2 知識(shí)體系的融合

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)從 2014 年開始招生，人才培養(yǎng)方案已經(jīng)進(jìn)行了 2014 版、2016 版和 2018 版的 3 次修訂，幾乎每?jī)赡暌淮未蟾模陂g每個(gè)學(xué)期都會(huì)有微小的調(diào)整，在課程體系上做了銜接。針對(duì)教材內(nèi)容重疊的問題，以人才培養(yǎng)方案和專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量為依據(jù)，以教研室為單位開展課程內(nèi)容的銜接， 將整個(gè)專業(yè)的課程形成一個(gè)完整的體系，減少大量重復(fù)內(nèi)容所占課時(shí)，把課時(shí)集中在核心內(nèi)容上，以提高整體效果。

3.3 充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)

從 2014 年增設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開始，學(xué)校就在廣州飛瑞敖、武漢創(chuàng)維特、北京凌陽愛普、北科融創(chuàng)和桂林華智等幾家公司采購過教學(xué)設(shè)備。這些設(shè)備主要包括物聯(lián)網(wǎng)綜合試驗(yàn)箱、射頻識(shí)別試驗(yàn)箱、智能交通沙盤、智慧教室系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、TinyOS 實(shí)驗(yàn)床、NB-IoT、Arduino 和 FPGA 開發(fā)板等。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備幾乎覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃， 應(yīng)當(dāng)充分利用起來，并探索“實(shí)驗(yàn)室授課模式”，建設(shè)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。將課堂搬到實(shí)驗(yàn)室中，隨時(shí)隨地讓學(xué)生可以動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐操作，主動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，更好地掌握課程中相互聯(lián)系的知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能的目的。

3.4 改革課堂教學(xué)

為了培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)W習(xí)和掌握物聯(lián)網(wǎng)的基本原理和思想、發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢(shì)、核心內(nèi)容、典型應(yīng)用和應(yīng)用熱點(diǎn)，需要進(jìn)行課堂教學(xué)模式改革，打破章節(jié)之間界限，把邏輯相關(guān)的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，為在物聯(lián)網(wǎng)課程的系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用中，深入利用關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

3.5 設(shè)置理論、應(yīng)用和綜合實(shí)踐階段的內(nèi)容

重新梳理和整合課程知識(shí)點(diǎn)，按照應(yīng)用要求和使用前景，分別設(shè)置理論基礎(chǔ)部分、工程應(yīng)用部分和綜合工程實(shí)踐三個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容，對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)要有明確的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)以及教學(xué)思考。同時(shí)引入一些仿真工具軟件輔助教 學(xué)， 如 NS，Protel，LabVIEW，Proteus，Multisim， ModelSim 以及 TOSSIM 等，以工程實(shí)踐性很強(qiáng)的案例形式有機(jī)地整合到課程體系中。在軟件仿真環(huán)境中進(jìn)行案例教學(xué)，實(shí)現(xiàn)起來比較方便，教師易于傳授知識(shí)，學(xué)生容易理解和掌握，使學(xué)生知識(shí)體系融合了理論和實(shí)踐，并向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變。

3.6 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合

建立校企聯(lián)合育人機(jī)制，與相關(guān)企業(yè)制定相關(guān)方向的課程體系。圍繞前沿應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行課程規(guī)劃和設(shè)計(jì)，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。改革授課方法 ：邀請(qǐng)企業(yè)專家及高級(jí)工程師授課，采用啟發(fā)式、討論式、參與式的教學(xué)方法，避免理論灌輸式的教學(xué)，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力。2018 年，河池學(xué)院曾邀請(qǐng)凌陽愛普和華清遠(yuǎn)見的工程師給 2015 級(jí)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生講授嵌入式開發(fā)的課程，從工程應(yīng)用的角度給學(xué)生上課，受到學(xué)生的一致好評(píng)。也可以采用教師參加企業(yè)培訓(xùn)，通過案例講解和動(dòng)手實(shí)踐，使教師能夠深入了解當(dāng)前真實(shí)業(yè)務(wù)生產(chǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)的處理流程和工程實(shí)踐的開發(fā)。

3.7 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源緩解師資力量的匱乏

為了有效緩解物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)師資和教學(xué)資源匱乏等問題， 建立課程 MOOC 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)。建立和完善教學(xué)網(wǎng)站，將國內(nèi)比較知名的相關(guān) IoT 課程網(wǎng)站鏈接到教學(xué)網(wǎng)站上，使學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)學(xué)習(xí)知識(shí)、探討問題、設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)際項(xiàng)目。在課堂教學(xué)中融入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，將“雨課堂”和“微助教” 兩個(gè)平臺(tái)引入課堂教學(xué)中，增進(jìn)教與學(xué)的互動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)課程網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，加快信息交流，提高課程學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié) 語

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)存在的問題，提出課程體系改革目標(biāo)，給出改革措施。從項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的校企合作培養(yǎng)模式等方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系進(jìn)行改革。在此基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整和改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案和質(zhì)量，使之更好地滿足 IoT 技術(shù)的發(fā)展，更好地適應(yīng)應(yīng)用型技術(shù)的發(fā)展。