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“面向双创、项目驱动”的物联网工程专业实验课程体系研究

计算机教育 / 2018年07月28日 03:51

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实验课程体系构成

张会兵+潘芳+林煜明

摘 要:针对物联网工程专业多学科融合与集成创新的特性,结合国家“双创”战略,研究物联网工程专业实验课程体系设计中的关键问题,分析实验课程要素的关系,构建项目驱动的实验课程内容并说明其设计方法和过程,为构建物联网工程专业实验课程体系提供参考。

关键词:物联网工程;项目驱动;知识点融合

文章编号:1672-5913(2017)07-0144-05

中图分类号:G642

0 引 言

物联网驱动产业发生变革的趋势已经形成,物联网已经从概念解读逐步向产业探索与实践演变[1]。据国际知名电信运营商沃达丰发布的《物联网应用晴雨表2016》披露:在调研的1 000多家企业中,有63%的企业表示物联网给其带来可观的收益。随着产业的发展,对物联网工程专业人才的需求在数量和质量上都提出了更高的需求,如何培养出能够“解决复杂工程问题”能力的“双创”型人才成为摆在高校面前的一个迫切任务[2-5]。

中国工程院院士邬贺铨指出:物联网不是网络,而是应用和业务。换言之,物联网体现的是在技术融合基础上的应用创新、智慧服务和系统集成创新[6]。由此可以看出,物联网工程专业具有两个明显的基本特征:多学科融合与集成创新。从支撑技术和学科知识来源讲,物联网横跨计算机科学与技术、控制科学与工程、电子科学与技术、信息与通信工程等多个学科,是典型的多学科融合;从应用实践来讲,物联网强调与产业、行业结合,应用物联网技术、理念来改造传统产业,通过精准、高效的信息流来重构产业业务流,通过应用创新和智慧服务来促进产业转型升级,并由此创造更高的效益。这两个特征互为因果,共同构成了物联网工程专业课程体系建设的两块基石。

当前,“大众创业,万众创新”(双创)的理念已深入人心,为更好地推动“双创”向更高层次、更广领域发展,对高校人才的培养提出了新的要求:高校的专业建设应体现“双创”的要求,高校的毕业生应引领“双创”的潮流。物联网工程专业多学科融合与集成创新的特征天然地契合“双创”需求,如何将专业特点转化为专业特色和优势、提升“双创”型物联网工程人才培养质量成为物联网工程专业建设的一个核心问题。

物联网工程的专业特点决定了实验(本文中除需要专门指出的地方,统一用实验来涵盖实践、实训、学科竞赛、项目研发等)课程体系的特殊重要性。从一定意义上讲,能否依据专业特点来构建特色鲜明、优势突出的实验课程体系是决定专业建设好坏的关键。

1 “面向双创、项目驱动”的实验课程要素之间的关系

创新创业对学生能力的培养,尤其是对专业核心实验能力提出了新的更高要求,而层次清晰、衔接有序、行业导向的应用项目设计是培养学生专业核心实验能力的有效驱动力。

1.1 “创新创业”对专业核心实验能力的要求

在创新创业环境下,设计实现、探索发现、应用创新和协作交流这4种能力是实验教学需要着重培养的核心实验能力。

(1)设计实现能力。通俗地讲,就是依据设定好的功能目标及约束条件,利用所学的专业知识给出详细可行的技术方案,并能依据该方案通过软件或硬件的方法构建可实际运行的系统。它强调对专业基础知识的掌握及工程开发能力。

(2)探索发现能力。从知识学习的角度讲,具备课堂教学之外的专业知识自学及学科前沿知识跟踪学习能力,能够对新的问题发现规律、建立模型等;从工程实践的角度讲,能够对学习的理论、模型进行试验验证、评价等。它强调对未知知识学习或未知领域的实践。

(3)应用创新能力。依据用户需求(或潜在需求)设定系统功能目标和约束条件,通过多学科知识融合,构造新的系统或功能模块。它强调在对用户需求深刻理解基础上的系统目标设定及新技术、新方法应用,即通过创新的方法解决应用实践中的新问题、新需求。

(4)协作交流能力。这里着重包括两个方面的能力:团队内部成员协作交流以及与外部协作交流。需特别指出,外部协作交流主要是指能够基于工程、社会及环境等相关背景,对工程实践结果进行社会、健康、安全、环保及文化等多角度进行评估,并能够将评估结果与政府、投资人、用户或大众进行高效沟通。

这4种能力之间的关系如图1所示。前面3种能力呈正三角形状,设计实现能力是基础与当下,需要针对每个学生进行扎实严格的训练;探索发现能力兼顾长远与当下,需要依据个人兴趣因材施教、差异化培养;應用创新能力是提升和长远,需要依据领域行业特点进行拓展。协作交流能力与前面3种能力相辅相成,并相应地呈倒三角形状,也就是说与前面3种能力相匹配,依次需要更多的协作交流能力。

1.2 基于“项目驱动”的实验课程要素逻辑关系

面向“双创”需求,以项目为核心,兼顾课内、课外协调发展,统筹课内实验、实践实训、专业竞赛、项目研发及创新创业5大要素,形成如图2所示的课内、课外协同培养的双环结构。

以课内实验为起点(顺时针看),通过科学合理的内容设置、一丝不苟的设计操作,培养学生扎实的技术功底、严谨的实验作风,从而为实践实训打下良好基础;相对独立的实践课程、真刀真枪的实训环境能够培养学生独立解决实际问题及满足工作需求的能力;独立解决问题的能力为参加各类学科专业竞赛提供技术和思想准备;面向学科前沿或实际应用需求的学科竞赛内容,能够提升学生独立探索学科前沿或解决实际工作的能力,重点在于参与、探索与创新意识的培养,并且能够在参赛的过程中发现问题、培养兴趣,为参与实际的前沿理论研究、项目产品开发提供基础;以学校先进的学科平台、教师的纵向或横向项目为依托,在深入的研究开发过程中培养创新思维、问题意识与产品意识,研发的成果为创新创业提供思想、技术或产品源泉;创新创业的核心要点在创和试,以过程为导向形成创新创业的氛围,在创和试的过程中探索未知、沉淀技术与经验;创新创业的成果既可以用来替换部分课内实验学分,从而为创新创业提供更多的时间,也可以将创新专业过程中积累的新经验、发现的新知识融合到课内实验中,驱动课内实验不断更新。

以创新创业为起点(逆时针看),创新创业的氛围和成效对学生项目研发有很大的影响。一方面,良好的创新创业氛围能够影响、调动学生参与教师项目研发的兴趣,激发学生参与项目研发的热情;另一方面,学生在创新创业过程中会遇到新的问题,这些新问题可转化为研发项目,驱动研发深入发展。项目研发的阶段性成果可以用来参加各种学科专业竞赛,提升参与专业竞赛的竞争力,并通过全国甚至全球范围内的竞赛来检验项目研发对人才培养的成效。根据专业竞赛的成果来动态调整实践实训的内容,使实践实训能够适合甚至引领学科或应用的方向。实践实训既与课內实验一起构成完整的课程体系,也是检验校正课内实验成效最直接的途径。

2 项目驱动的实验课程内容构建

2.1 面向产业需求的专业目标定位

应用驱动创新创业逐渐成为当前的共识,而产业需求是工程应用产生的最直接、最真实来源。物联网工程专业的基本特征决定了专业建设必须面向物联网产业需求,以培养解决物联网应用复杂工程问题能力作为核心任务和目标。从人才培养的角度来看,产业应用需求是相对宏观和抽象的概念,而项目作为产业应用的具体承载形式,它包含了具体的设计要求、实现技术、知识单元等。因此,以产业需求为导向、以项目驱动人才培养的全过程已成为我们探索物联网工程专业人才培养模式主要指导思想。

2.2 基于知识点融合的实验课程内容设计

黄旭等指出物联网工程专业的课程体系建设应以知识点为中介,从课程与项目两个视角来看待学科融合问题,支撑物联网工程专业多个学科融合的内涵就是各个学科原有知识点的有机融合[6]。基于这样的理念,我们来构建物联网工程专业的实验课程内容,如图3所示:以项目为基础驱动培养目标的实现,以知识点为核心贯通培养目标、技术素养与课程内容。

以项目为基础驱动培养目标的实现。从产业需求中凝练典型项目群,项目之间相互衔接、难度递进并能有机地构成一个整体;每一个项目都涵盖若干知识点,所有项目的知识点集合覆盖整个教学内容的要求。整个教学过程通过项目来驱动:实验课程内容直接来源于项目,体现原汁原味的产业需求;每一个项目都体现了产品研发的具体技术集(技术素养);每个项目都可以直接、明确地还原为若干知识点。

以知识点为核心贯通培养目标、技术素养与课程内容。解决物联网应用复杂工程能力的专业素养体现为具体知识点构成及掌握程度;实验课程的内容及教学效果也体现为学生对知识点掌握与理解程度;项目开发所需要的技术体现为知识点的应用与综合能力。因此,从专业培养目标、过程及结果来看,都围绕着知识点展开,是知识点在不同角度的呈现方式。

3 项目驱动的实验课程体系设计

实验课程体系设计需要综合考虑校内校外、课内课外、实验实践、行业专业这4个要素在时间与空间上的合理分布,如图4所示。

该课程体系全程贯穿“一个中心、两个基本”:以核心实验能力培养为中心,在实验教学过程中,以项目为基本单位和驱动力,培养基本的工程开发与科学研究素养。通过对调查研究、问题分析、探索创新、协作交流、报告撰写与展示等培养环节的科学设置与实施,为物联网创新创业提供扎实的基础支撑。在不同的学期对观念理念、基本技能、工程能力、创新创业等能力素养有重点地逐步推进:第1学期,选取物联网应用典型项目,对其应用背景、经济效益、社会效益及关键技术的现状趋势等通过各种方式进行展示,以科普的形式使学生了解物联网,对物联网产生兴趣;第2—3学期,通过物联网创意大赛(学院组织)、创青春全国大学生大赛等重点培养物联网应用创新、创意设计能力,通过物联网技术发展报告、调研实践培养文献查阅、整理、报告撰写与展示的能力,并初步接触物联网项目开发,以培养问题分析及理论向实践转化的能力;第4—5学期,通过物联网产业发展报告,使学生了解物联网技术、产品、产业链、产业布局的发展现状与趋势,通过学校组织的物联网设计大赛(学院组织),使每个学生都参与进来进行设计开发。在此基础上,为广西大学生电子设计大赛、全国大学生课外学术科技作品竞赛选拔参赛人员、储备技术和作品,并且在进入第4学期后实施科教协同计划,鼓励学生参与到教师的科研工作中进行科研训练。学生以参与各种项目(有一定难度和规模)的形式进行实际的设计、开发工作;第6—8学期,通过物联网行业应用调研报告,使学生了解物联网与各个行业的融合情况,选择自己感兴趣的行业领域,开始学习相应行业的特定专业知识,为行业应用奠定基础。这个阶段,学生能够深入融合到教师的科研团队中,独立承担起具体的任务,进行探索研究。对相应的开发研究成果,经过进一步的总结来参加“互联网+”全国大学生创新创业大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、全国高校物联网创新应用大赛等国家级的高水平专业大赛。在大赛中开阔视野、锤炼技能、提升产品设计创新的能力,为创新创业提供支撑。

4 结 语

物联网工程专业多学科融合与集成创新以及与产业密切结合的特性使其天然地顺应了当前国家的“双创”战略以及社会对人才的需求。因此,以产业需求为导向、以典型项目为载体实施实验、实践教学成为物联网工程专业培养高素质工程人才的一个优选方案。今后还需要在教学实践中贯彻、优化相关的理念,并进一步研究建立相应的保障机制,如学分替换、质量保障、教师(导师)保障、项目更新等。

参考文献:

[1] 物联网智库. 物联网产业全景图谱报告[EB/OL]. [2016-12-10]. http://gongkong.ofweek.com/2016-09/ART-3100 03-8100 -30040348.html.

[2] 李东. 物联网工程专业卓越工程师培养: 以哈尔滨工业大学软件学院为例[J]. 计算机教育, 2015(5): 16-19.

[3] 沈艳霞, 孙子文. 物联网工程专业协同育人培养模式探索与实践[J]. 物联网技术, 2015(8): 107-108.

[4] 孙士明, 刘新平, 张晓东. 竞赛驱动的物联网工程专业实践教学体系[J]. 计算机教育, 2016(1): 153-156.

[5] 钱慧. 物联网工程应用创新型实践教学培养体系探索[J]. 大学教育, 2015(3): 37-38.

[6] 黄旭, 蒋云良, 顾永跟. 物联网工程专业建设中多学科融合的探索与实践[J]. 高等工程教育研究, 2016(2): 86-90.

(见习编辑:景贵英)

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