云環(huán)境下基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系研究

張小慶

(武漢輕工大學 數(shù)學與計算機學院，湖北 武漢 430023)

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云環(huán)境下基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系研究

張小慶

(武漢輕工大學 數(shù)學與計算機學院，湖北 武漢 430023)

摘要：物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的實踐教學是整個教學環(huán)節(jié)中必不可少的重要部分，尤其在當前云計算環(huán)境下，其實踐教學更加具有工程化、多元化和系統(tǒng)化等特點。本文分析了當前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學中存在的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的能力要素和CDIO教育理念，提出基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系，形成一體化的實踐教學模型，從而促進學生的基本專業(yè)技能，培養(yǎng)實踐能力較高和具備創(chuàng)新意識的物聯(lián)網(wǎng)工程人才。

關鍵詞：云計算；物聯(lián)網(wǎng); CDIO; 實踐教學體系

1引言

物聯(lián)網(wǎng)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分, 是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后新一輪信息技術(shù)革命, 正推動信息技術(shù)在各行業(yè)更深入應用的新一輪信息化浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設是社會發(fā)展的必然，是我國當前一項重要的戰(zhàn)略任務[2]。云計算作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石，為物聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)環(huán)境，加速了物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)實應用。同時，在云計算環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)應更多體現(xiàn)學科滲透性和知識體系發(fā)展快等特點，人才培養(yǎng)定位于“寬口徑、重實踐”的指導思想。不但要能夠系統(tǒng)掌握基礎理論知識，還要學以致用，通過理論知識指導物聯(lián)網(wǎng)的應用和研究工作。

到2015年，已有上百所國內(nèi)高校開辦了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，可以預見，該專業(yè)的開辦還將隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及而繼續(xù)壯大。我校也于2014年獲得物聯(lián)網(wǎng)工程的招生資格，并依托數(shù)學與計算機學院計算機工程系下進行建設，相關基礎專業(yè)如計算機科學與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡工程、信息管理等已經(jīng)發(fā)展多年，擁有較好的軟硬件基礎，具有較豐富的專業(yè)實踐教學經(jīng)驗。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)工程是新興專業(yè)，實踐性和工程性較強，實踐教學體系構(gòu)建仍是急待解決的問題。本文將借助CDIO的先進思想，探討我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學體系，為培養(yǎng)優(yōu)秀的物聯(lián)網(wǎng)人才提供理論與實踐參考。

2物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學中存在的問題

物聯(lián)網(wǎng)工程作為科技發(fā)展衍生出的新興專業(yè)，在專業(yè)建設和人才培養(yǎng)上仍存在很多不足，主要表現(xiàn)在缺乏系統(tǒng)的理論和實踐教材、課程建設尚未形成體系以及實驗平臺標準不規(guī)范等。而實踐教學環(huán)節(jié)中也存在如下問題[3-4]：(1)缺乏切合實際和成熟的實踐教學體系。作為新興專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系和工程實踐等方面都是一片空白，各高校在培養(yǎng)方案制定和開設課程上差別較大。而物聯(lián)網(wǎng)作為應用性極強的專業(yè)，實驗設備通常非常昂貴，這增加了形成成熟實踐教學體系的難度；(2)物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺復雜。物聯(lián)網(wǎng)作為大型無線通信網(wǎng)絡，許多實驗需構(gòu)建多終端的實驗環(huán)境，這增加了實驗室管理和維護難度；(3)實踐教學中知識跨度大。物聯(lián)網(wǎng)工程是一門綜合性學科，涉及多個知識領域：包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、傳感器技術(shù)等，若學生缺乏某一方面知識，實踐教學較難展開；(4)學生的有限基礎與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高度綜合性和廣泛性必將產(chǎn)生矛盾；(5)師資缺乏工程經(jīng)歷，培養(yǎng)過程脫離工程實際。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)注重工程實踐能力，而高校師資普遍缺乏工程背景和實踐經(jīng)歷，這導致在實踐教學過程中難以確保學生工程意識和素養(yǎng)得到有效提高。

3基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系

CDIO，即構(gòu)思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate),是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程，是國際工程教育的革命性研究成果，該理念是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達[5-6]。從2000年起，美國MIT和瑞典皇家工學院等四所大學共同創(chuàng)立了CDIO工程教育理念。CDIO將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎知識、 個人能力、 人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，并要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標。根據(jù)實踐教學體系的關鍵要素，為使物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生的素質(zhì)得到全面提升，借鑒CDIO教育理念，我們設計了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系，如圖1所示，形成一個融合基礎理論、實驗教學、工程實踐為一體的培養(yǎng)機制，以全面體現(xiàn)工程能力和職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)的思路，以適應物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的需求。

圖1　基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學模型

3.1“構(gòu)思”物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學目標

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學的目標應該立足于專業(yè)課程的學習，即：通過加深對物聯(lián)網(wǎng)相關理論知識的理解和掌握，逐步培養(yǎng)學生應用課堂知識解決實際問題的工程實踐能力，通常以提高學生自身的工程素養(yǎng)為主，培養(yǎng)學生物聯(lián)網(wǎng)工程的實踐能力與創(chuàng)新能力，使其成為適應行業(yè)發(fā)展需要的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才。具體來說，本專業(yè)的實踐教學目標是：(1)掌握一定的網(wǎng)絡通信知識，同時涉獵無線電、無線射頻和無線通信技術(shù)，尤其掌握相當無線傳感器網(wǎng)絡WSNs的知識；(2)以(1)為基礎，掌握物聯(lián)網(wǎng)體系中的四層體系架構(gòu)，包括：標識層、感知層、信息處理層和信息傳送層[7]。通過系統(tǒng)的理論學習和實踐實訓，培養(yǎng)自身的實踐工作能力和創(chuàng)新能力，能從事物聯(lián)網(wǎng)相關的應用工作和研究工作；(3)學生畢業(yè)后能夠勝任物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控、智能交通、公共安全、環(huán)境保護、自然災害監(jiān)測、智能家居、智能消防、衛(wèi)生醫(yī)療等多個領域中的應用工作。

3.2“設計”物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗課程體系

物聯(lián)網(wǎng)工程是計算機科學與通信、自動化技術(shù)等多個學科融合的學科，其人才培養(yǎng)相比于其他傳統(tǒng)工科專業(yè)更具交叉性。為了培養(yǎng)這種復合型人才，其實驗課程體系應面向多學科知識面，以計算機技術(shù)基礎和網(wǎng)絡無線通信為基點，覆蓋計算機科學與技術(shù)、電子信息及控制理論與科學等多個范疇。課程體系設置包括三個部分：公共基礎課、學科基礎課及專業(yè)基礎課，如圖2所示。其專業(yè)課程設置按就業(yè)方向不同可分為兩大類：以電子為方向，主要課程包括無線傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、電路設計、物聯(lián)網(wǎng)控制基礎、單片機原理、數(shù)字邏輯等；以軟件為方向，主要課程包括面向?qū)ο蟪绦蛟O計、云計算、軟件工程、高級程序設計等。課程體系設置的指導思想為：(1)教學方式遵循啟發(fā)式和參與式；(2)培養(yǎng)理念遵循應用性和實踐性；(3)教學實訓遵循教學與科研并重，吸收校外資源的準則。在學生四年制的學習中，第一和第二學年的學習目標是逐步形成對物聯(lián)網(wǎng)學科的宏觀認識，通過課堂學習系統(tǒng)掌握與專業(yè)相關的基礎理論知識和知識架構(gòu)。第三學年以物聯(lián)網(wǎng)相關專業(yè)課程為主，同時增加實踐課程比重，第四學年可綜合運用所學知識，進行專業(yè)實習，參加實踐性較強的競賽，若有條件，可參與生產(chǎn)實習中的實際項目去，并從中選取課題進行畢業(yè)設計。

圖2　物聯(lián)網(wǎng)實驗課程體系

3.3“實現(xiàn)”物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開放式實踐環(huán)境

培養(yǎng)學生的工程實踐能力才是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學環(huán)境的立足點和出發(fā)點，因此，除了要設計系統(tǒng)和層次的實驗課程體系外，還應注重實現(xiàn)開放式實踐教學環(huán)境。首先，應該注重實驗室環(huán)境建設。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗室是進行課程實驗教學的主要場所，實驗教學應該以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的四層分層架構(gòu)為出發(fā)點，分別建設物聯(lián)網(wǎng)感知、信息傳輸、信息處理和上層應用等配套的實驗教學環(huán)境。同時，可以依托我院已有的各科研實驗室和校企工程實訓中心，加強學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。尤其，校企聯(lián)合實訓中心是實現(xiàn)工程教育校內(nèi)校外相結(jié)合的重要途徑，這也符合CDIO教育模式所提倡的工程觀思想。實訓中心更加注重培養(yǎng)學生的工程素質(zhì)，是提高學生動手實踐能力不可缺少的實踐基地。其次，應該建立密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)需求的畢業(yè)設計和生產(chǎn)實習。目前，物聯(lián)網(wǎng)已正式被列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，在這樣的產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，我?？衫米陨淼闹攸c學科優(yōu)勢，立足行業(yè)，通過建立跨學科平臺和校企聯(lián)合實訓基地，促進產(chǎn)學研和成果轉(zhuǎn)化，借助企業(yè)的實踐條件促進物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)。還可以利用企業(yè)提供的平臺和條件，完成質(zhì)量更高的生產(chǎn)實習和畢業(yè)設計。最后，應該注重課外多元化的創(chuàng)新實踐。CDIO強調(diào)從做中學，結(jié)合我校實際環(huán)境，開展科研訓練、科技創(chuàng)新競賽等實踐活動均是有效的實踐方式，這也是對理論教學的最有效補充。通過開展科研訓練，可以以具體物聯(lián)網(wǎng)相關項目為載體，導向式讓學生在項目驅(qū)動下鍛煉學生主動學習和解決實際問題的能力。同時，通過科研訓練項目，學生可以鍛練自身的工程能力，并通過在訓練項目中的練習鍛煉作為工科專業(yè)的分析和解決實際問題的能力。通過開展科技創(chuàng)新競賽，可以讓學生與來自于不同學校不同背景的學生交流與競技，最大限度地培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神，引導樹立創(chuàng)新觀念，還可以有效增強學生在完成項目過程中的合作精神。

3.4“運作”物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學質(zhì)量評價機制

一般情況下，建立完善的教學質(zhì)量監(jiān)控和評估機制是保證實踐教學的重要手段。按照CDIO中的工程性專業(yè)評估方法和要求，建立物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)質(zhì)量評價標準與評價體系，包括與理論課配套的課程實驗、學期末的課程設計和科研訓練、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計和畢業(yè)論文等質(zhì)量評價標準，注重階段性評價與總結(jié)性評價的有機結(jié)合。同時，可以通過組織課堂教學檢查、上機實驗報告打分和與物聯(lián)網(wǎng)相關的科研訓練評比等手段，對各個實踐教學環(huán)節(jié)進行全程監(jiān)督，對實踐教學效果進行多角度和多層次的評估。

4結(jié)束語

本文論述了云計算背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要性，重點分析了目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學存在的問題，并結(jié)合CDIO工程教育理念的優(yōu)勢和我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，提出了基于CDIO的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學模型，分別從“構(gòu)思”、“設計”、“實現(xiàn)”和“運作”四個CDIO元素設計了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實踐教學體系。該體系將有效提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學質(zhì)量，促進其實踐教學改革，為社會提供合格的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才。

參考文獻：

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Research on practical teaching system of internet of things engineering specialty based on CDIO in clouds

ZHANGXiao-qing

(School of Mathematics and Computer Science,Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China)

Abstract：The practical teaching is an essential and important part of the whole teaching link for training of professional talents of Internet of Things, especially in cloud computing environment, which has the characteristics of engineering, diversity and systematization. The problems existing in the practical teaching of IoTs engineering specialty are analyzed, combined with the ability elements of IoTs engineering specialty and the education idea of CDIO, a practical teaching system of IoTs engineering specialty based on CDIO is proposed, which can form integrative practical teaching model, promote students’ basic skills and cultivate IoTs talents with high practice ability and innovation consciousness.

Key words：cloud computing, internet of things, CDIO, practical teaching system

中圖分類號：G 642.3

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.01.026

文章編號：2095-7386(2016)01-0117-04

基金項目：武漢輕工大學校級青年教學研究項目(XQ2014011).

作者簡介：張小慶(1984-)，男，博士，講師，E-mail:51449902@qq.com.

收稿日期：2015-11-08.修回日期：2016-01-15.