以能力为导向构建物联网工程专业实践教学体系

［摘 要］ 以培养学员的创新意识与工程能力为导向，通过分析物联网工程专业特点，探索物联网工程专业人才实践能力的培养方法，设计了涵盖物联网三层体系架构的五类实践教学体系。以国防科技大学物联网工程专业建设为例，在所构建的体系框架下面向毕业要求能力达成，有效组织与实施了实践教学活动，基于专业能力与课程内容之间的对应关系，设计了五类实践教学相关内容，形成了以核心课程实验、综合课程设计、专业实习、课外创新实践和毕业设计为一体的循序渐进式实践教学体系。

［关键词］ 物联网工程专业；实践教学体系；能力导向

［基金项目］ 2018年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“物联网工程专业应用性与创新性人才培养研究与实践”；2019年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“大数据背景下物联网工程专业改革实践”；2020年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“‘科教融合、训赛一体、平台支撑’的认知域安全人才创新实践能力培养”（HNJG-2020-0008）

［作者简介］ 逄德明（1984—），男，内蒙古兴安盟人，博士，国防科技大学计算机学院副教授，主要从事智能物联网与时序数据挖掘研究；罗玉川（1990—），男，四川广安人，博士，国防科技大学计算机学院讲师，主要从事云数据安全和隐私计算研究；陈颖文（1979—），男，湖南株洲人，博士，国防科技大学计算机学院教授，主要从事物联网研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）16-0005-04 ［收稿日期］ 2021-09-27

一、物联网工程专业概述

自2010年物联网工程专业被批准开设以来，我国共计五百余所本科院校开设了物联网工程专业，成为近十年院校新增数量最多的专业［1］。教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会已于2012年颁布了《高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》和《高等学校物联网工程专业实践教学体系与规范（试行）》［2-3］，以指导高校物联网工程专业的办学定位和专业建设，在此基础上国内高校物联网工程专业建设逐步得到完善，但如何开展物联网工程专业实践教学设计与实施从而提高学员的物联网实践创新能力，仍是教育工作者面临的较大挑战。因此，加强物联网工程专业建设、实践教学改革、物联网核心技术及其典型应用研发已成为相关高校和企业关注的新方向［4］。

物联网工程专业具有跨学科、技术广、综合性强等特点，多学科知识交叉融合，涉及通信、计算机、网络、嵌入式系统、自动控制等领域，致力于培养学员综合实践、应用创新等方面的能力，以满足当前社会信息化及智能化环境下对人才的多样化需求。其中，物联网的体系架构分为感知层、网络层及应用层。我校自开设物联网工程专业以来，经过几年的专业教学实践探索，围绕物联网工程专业实践能力指标点，针对教学过程中存在的问题，从培养学员创新意识、工程意识、工程能力出发，对物联网工程专业实践教学体系进行了设计和完善，构建了“三层五类”的物联网工程专业实践教学体系。

二、实践教学体系设计

物联网工程专业应以应用为驱动，明确人才培养目标，培养目标主要涉及两个方面：一是要明确培养什么样的人，即清楚企业需要什么样的专业人才；二是要明确这类人才的质量标准，即学员毕业时需要达到怎样的基本要求。以新时代人才需求的变化为依据，通过走访用人单位、调研企业生产环境，研究物联网工程专业毕业生工作岗位与专业实践能力的对应关系，以及专业实践能力与课程知识体系的对应关系等，最终按照工程教育认证通用标准，形成了包含专业实践能力在内的33项能力指标点的毕业要求。

为支撑各个实践能力指标点，需要合理设计物联网工程专业课内实验与课外实践项目，实现物联网工程专业方向实践教学的三个转换，即从单一结构型向复合结构型转换，从以课堂教学为主向课堂教学与实践教学并重转换，从知识传授型教学向能力培养型教学转换。

在具体进行实践环节的教学设计时，根据物联网技术体系中的三层结构设计实践教学，以配合加强学员对于感知层、传输层、数据处理与应用层理论和技术的认识、理解和应用。以物联网实践教学体系的设计原则为指导，围绕专业能力培养和专业规范，建设五类实践教学体系，包括核心课程实验、综合课程设计、专业实习、毕业设计和学科竞赛及创新创业竞赛。

在实践教学的具体实施过程中，以工程化项目作为载体，采取项目驱动式及实施方案反推原则进行构建，即按照校外实践基地建设—实践教学师资建设—校内实践环境建设—实践教学模式建设四个阶段实施物联网工程专业实践教学体系建设。

（一）核心课程实验实践教学建设

专业课程设置的课内实验以验证性实验为主，侧重于训练学员的基本学科能力。通过整合计算机、电子信息和通信等专业课程，梳理出国防科技大学物联网工程专业课程体系，其主要课程设置如表1所示。

针对专业核心课程的教学内容，循序渐进地按照基本认知、基本技术和综合实践三层开展实验教学。以“物联网技术基础”课程为例，同步开展课程实验与课程教学。针对物联网基本系统组成相关知识，设计传感器技术实验、RFID技术实验和二维码技术实验，使学员对课程面向的技术对象有实感上的认知，了解传感器的工作原理、传感器节点的功能及传感器的组成和分类，并能够通过编程实现传感器信息采集功能。在此基础上，结合物联网典型应用案例，设计三点定位实验、Hadoop实验及MapReduce实验，巩固学员的课程学习成果，进一步锻炼学员综合运用理论和技术解决实际问题的能力。

实践教学过程突出“三实”，即选取实际案例、使用实际设备、基于实际数据开展实践教学。在实践教学课程中，设计贴近实际应用的内容和项目，如在“物联网综合实践”课程中，设计人员身体状态检测系统、无人车自动驾驶等在真实应用下可能出现的场景；在“工业控制网络”课程实验中，使用CAN总线嵌入式平台开发CAN总线通信系统；在“物联网安全课程设计”中，使用真实的车载控制数据集中完成入侵检测的设计与实现。

（二）综合课程设计实践教学建设

以应用为牵引设计综合性实验，初步训练学员解决问题的能力，并设置难度依次递进的若干实验。综合课程设计应更强调综合性和设计性，因此，在设计实践项目时强调覆盖物联网体系结构的三层模型，并在此基础上建立物联网应用。物联网工程专业开设的综合课程设计包括“物联网综合实践”“物联网安全综合实践”和“物联网应用开发与系统集成”。

以“物联网综合实践”课程为例，该课程是团队项目，主要面向物联网工程专业大学四年级学员开设，涉及计算机网络技术、传感器技术、嵌入式系统开发等各方面内容。要求学员能够运用“物联网技术基础”“物联网应用开发与系统集成”等课程所学的知识，设计并实现具有一定功能的物联网系统，并完成报告的撰写，模拟真实物联网应用系统各个关键部件的设计与实现过程。

“物联网综合实践”课程设计的第一个项目是智能花盆，要求学员运用课堂所学知识，自己动手制作一个能够自动降温、灌溉、调节植物生长环境的花盆；第二个项目要求学员基于蓝牙模块，设计一个室内定位系统；第三个项目要求学员通过编写程序，实现智能小车的自动驾驶，并在赛道上通过比赛结果评定成绩；最后一个项目即要求学员设计心率分析系统，通过测量人的心率，利用可视化的方式展现人体健康状况。

通过上述实践项目的开展，有利于学员掌握多传感器应用，能够通过编程获取传感器数据；掌握传感器对环境的感知，并根据感知信息进行系统反馈；掌握提升室内定位精度的经典方法；能够设计软硬件系统，实践完整的开发流程，并且能够覆盖物联网工程专业培养标准33项能力指标点中的12项实践能力目标指标点。

（三）建设院校与用人单位协同育人体系，聚焦岗位与专业能力的紧耦合

通过建立实践基地，能够使院校更准确地了解用人单位需求，据此更新培养方案。在培养过程中实行单位与院校的双导师制，充分利用社会资源为学校服务，充实和完善校内实践教学的各个环节。通过基地实习环节，有利于形成实习案例和实习规范，有序衔接课程实验、综合课程设计与毕业设计等校内实践课程学习，拓展学员的综合能力和综合素质。

校内实践项目与校外基地建设聚焦学员的实践动手能力与综合应用能力的提升。院校要梳理实践能力生成模型，以此为纲，打造高水平师资队伍，优化实践教学环境，加强实践基地建设，最终落实于学员物联网工程专业能力培养这一靶心，促使学员的专业能力在新的维度锚定，在实践全过程中得到锤炼。

（四）毕业设计

毕业设计是体现本科生各方面能力的总结性独立作业，具体形式是要求学员针对某一课题，综合运用物联网工程专业有关课程的理论和技术，做出能够解决实际问题的或具有创新意义的设计。毕业设计是物联网工程实践教学体系的最后一个环节，既可以在学校完成，也可以在与用人单位共建的实践基地完成。通过毕业设计的实施，学员可以对某一课题开展深入系统的研究，从而巩固、扩大、加深已有知识，培养综合运用已有知识独立解决问题的能力。

物联网工程专业的毕业设计课题涵盖了物联网三层体系结构中的感知、传输与应用二十余项。其中一些有代表性的毕业设计课题，如“电梯疲劳度智能感知与分析系统”的主要内容是设计与实现电梯运行状态数据采集模块，通过电梯运行状态参数的采集与智能分析，实现对电梯疲劳度的判定，辅助电梯系统的维护保养。通过参与课题研究，可以提高学员对物联网系统中数据的采集与分析处理能力。另一项课题“云众包系统的信誉建模技术研究”的主要任务是让学员通过独立调研，了解基于云平台的众包系统架构，构建众包用户的信誉评价模型，最后通过仿真实验验证信誉评价模型的合理性。通过该课题的研究，可以让学员对云计算的概念及其优势有更深入的理解，学会基于云平台进行数据的收集与加工。“无线认知网络接入技术设计与实现”课题的主要内容是在USRP开发平台实现无线认知网络的主要功能，包括频谱的感知与接入。要求学员能够具体完成物联网系统中节点对无线信号的能量感知，获取无线信道状态信息后分析判断信道状态，最终能够选择合适的多个信道实现信息的传输，并测试分析动态频谱接入模式下的网络性能与服务质量。该项目主要训练和考核学员对物联网中信息传输层的设计与开发能力。

（五）以学科竞赛为牵引，提高学员创新实践能力的培养

课外创新实践活动旨在训练学员的高层次专业能力，因此，要将最新的科学研究成果及时地融入教学实践中，有意识地培养学员的创新思维，激发学员独立思考、勇于探索的精神，构建创新型教学平台。

国防科技大学充分利用网络安全重点实验室积累的一系列国际先进科研成果，面向学员创新能力的培养，开发了丰富的教学资源，并探索了与之相配套的教学方法，取得了显著成效。其中NetMagic是国防科技大学重点实验室面向下一代互联网络创新体系结构而研究开发的网络实验平台，该平台具有硬件可重构性和软件控制可编程性的特点，而且其内部具有计算存储模块以及丰富的功能扩展接口，有助于打破传统商业网络设备的封闭性束缚，显著缩短网络技术科研创新周期，有效减轻学员的系统设计和验证工作，帮助学员摆脱单纯的验证式实验方式，避免无法触及和改变网络内部工作机制的缺憾，为新型传输机制和网络协议的研究提供有效的验证手段。

基于NetMagic平台设置物联网综合性实验环节，以现实应用为驱动，助力学员设计开发学科竞赛作品，以更有效地激发学员的创新能力，感受物联网设计与改造的成就感。结合网络体系结构领域最新研究热点、最前沿研究课题和学员毕业课题内容，将最具有代表性的教学案例应用到课程实验中。其中典型教学案例包括：路由器原型、基于规则的数据流镜像和阻断工具、网络数据采集和Trace生成工具等。此外，为进一步增强学员参与课外创新的积极性，在物联网工程专业培养方案中设置课外创新实践活动的最低学分要求。创新实践活动形式可以多种多样，如参加创新实践竞赛、申报项目、发表学术论文、申请专利等，多举措鼓励学员参加科技创新活动，培养创新能力。