面向卓越工程師培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式改革與探索

朱 辰， 魏 兵， 王 琳， 史治國， 賀詩波

（浙江大學(xué) a.工程師學(xué)院，杭州310015；b.國家卓越工程師學(xué)院，杭州 310015；c.信息與電子工程學(xué)院，杭州 310027；d.浙江省協(xié)同感知與自主無人系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310015）

0 引 言

隨著現(xiàn)代5G移動(dòng)通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、人工智能、嵌入式微處理器芯片等與物聯(lián)網(wǎng)融合的軟硬件技術(shù)迅猛發(fā)展，基于現(xiàn)代移動(dòng)通信和人工智能的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用已成為智慧城市建設(shè)中的關(guān)鍵研發(fā)領(lǐng)域，是國內(nèi)外重點(diǎn)投入的熱點(diǎn)研究方向［1-3］。該研發(fā)方向涉及電子信息和網(wǎng)絡(luò)通信與多個(gè)學(xué)科的融合及其軟硬件工程應(yīng)用，對(duì)卓越工程人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力和國際化視野等提出了新的要求［4-6］。

我校工程師學(xué)院以工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)急需出發(fā)，從2019 年起實(shí)施“項(xiàng)目制”專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)模式，在電子與通信工程、計(jì)算機(jī)工程等工程領(lǐng)域以“移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)”這一方向作為各個(gè)學(xué)科的交叉點(diǎn)，設(shè)立跨學(xué)科的“移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目”人才培養(yǎng)機(jī)制，面向物聯(lián)網(wǎng)智慧城市、智能制造等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展新需求，重點(diǎn)培養(yǎng)具有物聯(lián)網(wǎng)感知與通信技術(shù)和人工智能信息處理基礎(chǔ)及其在智慧制造、智慧城市、智慧診療、智慧糧庫、物聯(lián)網(wǎng)安全等技術(shù)領(lǐng)域綜合應(yīng)用的高端工程技術(shù)人才，解決物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)工程師數(shù)量不足、質(zhì)量不高的問題，探索專業(yè)知識(shí)復(fù)合型高端工程人才培養(yǎng)的新方法、新模式，并付諸實(shí)踐檢驗(yàn)。但是，傳統(tǒng)的研究生專業(yè)實(shí)踐課程設(shè)置、培養(yǎng)方式及其目標(biāo)定位等難以適應(yīng)新的需要，需要完善物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)碩士研究生工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)人才，已成為高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)研究生培養(yǎng)中的重要工作［7-9］。

本文根據(jù)移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目制專業(yè)碩士研究生的特點(diǎn)，探索具有自身特色的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“卓越工程師”實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)規(guī)律和有效途徑。以物聯(lián)網(wǎng)方向卓越工程師人才培養(yǎng)為目標(biāo)，充分利用現(xiàn)有的“移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)信息安全防御工程實(shí)踐平臺(tái)”和與知名企業(yè)合作共建開發(fā)的專業(yè)碩士研究生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，充分發(fā)揮在人才培養(yǎng)中的校企聯(lián)合主體作用，探索物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)碩士研究生實(shí)踐教學(xué)新模式。

1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀與背景分析

移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目是專業(yè)碩士研究生改革首批設(shè)置的“項(xiàng)目制”人才培養(yǎng)模式，從招生開始就基于行業(yè)工程設(shè)計(jì)與研發(fā)需求出發(fā)，直接從新一代電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制等各個(gè)專業(yè)招收學(xué)生以學(xué)科交叉方式列入本項(xiàng)目的專項(xiàng)招生。因此，項(xiàng)目的生源首先就植入了“跨界”的基因。近年來，為滿足跨學(xué)科的專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)新要求，對(duì)教學(xué)課程進(jìn)行了許多改革，也取得了明顯的成效。但是，相對(duì)于課堂教學(xué)改革的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)廠景搭建對(duì)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜性和實(shí)景應(yīng)用場景要求高，國內(nèi)大部分高校缺乏專門的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，實(shí)踐教學(xué)過程面臨很大困難，產(chǎn)業(yè)和教育融合度不夠，項(xiàng)目實(shí)踐比例小，造成專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革發(fā)展相對(duì)滯后，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)碩士研究生實(shí)踐教學(xué)中還明顯存在著重課堂理論教學(xué)、輕實(shí)踐教學(xué)和實(shí)踐不實(shí)的問題［10-12］。

研究生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解不透，理論與實(shí)踐脫節(jié)、工程意識(shí)缺乏、工程綜合技能欠缺，進(jìn)入工作崗位后，擁有扎實(shí)的理論知識(shí)，但是解決工程實(shí)際問題能力不足，對(duì)工程中復(fù)雜問題更是感到無從下手［13-14］。從企業(yè)對(duì)卓越工程師培養(yǎng)的要求來看，具有跨界基因的物聯(lián)網(wǎng)復(fù)合型高端技術(shù)人才的培養(yǎng)需要更好的工程技術(shù)突破能力、更強(qiáng)的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力、更廣闊的國際視野和更全面的工程綜合素質(zhì)。

卓越工程的高層次培養(yǎng)定位在專業(yè)碩士層次，與工程實(shí)踐密不可分，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)體系比較單一，學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)比較單一，學(xué)科交叉性不強(qiáng)，缺乏“大工程”意識(shí)。新時(shí)代的卓越工程師應(yīng)該具有“大工程觀”，應(yīng)該具備多學(xué)科的背景知識(shí)，注重工程的綜合性和實(shí)踐性，更注重解決工程實(shí)際問題和具備解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式改革和探索

實(shí)踐是工程的本質(zhì)，實(shí)踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，專業(yè)實(shí)踐課程以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、基本的綜合素質(zhì)能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)方向卓越工程師的培養(yǎng)，以“大工程觀”為引導(dǎo)、以物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目制培養(yǎng)方案為指導(dǎo)，構(gòu)建高起點(diǎn)、重綜合實(shí)踐的工程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系；以物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需求為牽引，以實(shí)際需求應(yīng)用為導(dǎo)向，基于國家卓越工程師學(xué)院工程創(chuàng)新與訓(xùn)練中心現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)設(shè)備和行業(yè)知名企業(yè)捐贈(zèng)設(shè)備共同搭建校企融合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)院實(shí)訓(xùn)資源和企業(yè)研發(fā)應(yīng)用資源的融合和相互促進(jìn)；以卓越工程師培養(yǎng)為目標(biāo)，引入“學(xué)科前沿”和“工程實(shí)際”案例，重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)未來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)人員實(shí)踐能力的要求；以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，在實(shí)踐教學(xué)中融入思政元素，培養(yǎng)有思想、有靈魂的卓越工程師；以卓越工程師能力評(píng)價(jià)為指引，建立多維度的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)考核體系。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐課程體系建設(shè)

緊密圍繞新一代移動(dòng)通信技術(shù)與傳感器技術(shù)兩大主題，以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向、以職業(yè)需求為目標(biāo)，利用工程師學(xué)院已建成的電氣、智能制造、土木、物聯(lián)網(wǎng)、新能源等8 大實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，建設(shè)具有8 個(gè)專項(xiàng)實(shí)踐模塊和4個(gè)綜合系統(tǒng)的“高階工程認(rèn)知實(shí)踐課程”，形成以“設(shè)計(jì)-制造-測試-分析-集成-協(xié)同”的工程技術(shù)認(rèn)知訓(xùn)練體系，培養(yǎng)學(xué)生加深產(chǎn)業(yè)認(rèn)知、強(qiáng)化工程意識(shí)、增強(qiáng)系統(tǒng)觀念和掌握綜合技能，為解決復(fù)雜工程技術(shù)問題奠定基礎(chǔ)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)培養(yǎng)要求，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層相應(yīng)實(shí)踐課程，開設(shè)“物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與邊緣計(jì)算”“物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)應(yīng)用與基礎(chǔ)”和“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)踐”等專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)的課程，培養(yǎng)學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問題的能力。打破傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)研究生實(shí)踐課程框架，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)課程內(nèi)容體系，設(shè)置遞進(jìn)的有層次的實(shí)踐教學(xué)課程，提出并實(shí)施認(rèn)知課程與行業(yè)實(shí)踐課程有效銜接融合的實(shí)踐教學(xué)體系。以“大工程觀”的理念構(gòu)建工程認(rèn)知實(shí)踐課程與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐課程融合促進(jìn)的工程創(chuàng)新實(shí)踐課程體系，如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐課程教學(xué)體系

2.2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)卓越工程培養(yǎng)的重要載體［15］，需要充分發(fā)揮科教協(xié)同產(chǎn)教融合優(yōu)勢，系統(tǒng)建設(shè)校內(nèi)外專業(yè)研究生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。通過布局重點(diǎn)行業(yè)、多層次深化合作的建設(shè)思路，先后與華為、中國聯(lián)通、樹根互聯(lián)、阿里巴巴等21 家國有大型企業(yè)、科技領(lǐng)軍企業(yè)、領(lǐng)域特色企業(yè)建立校外研究生聯(lián)合培養(yǎng)實(shí)踐基地，所建立的專業(yè)碩士研究生實(shí)踐教學(xué)基地的企業(yè)類型、行業(yè)領(lǐng)域、地區(qū)分布均豐富多樣，發(fā)揮不同企業(yè)的特色和優(yōu)勢。通過實(shí)踐基地的布局和建設(shè)，安排不同的實(shí)習(xí)實(shí)踐內(nèi)容，并為后續(xù)開展的課程設(shè)計(jì)實(shí)施、科研項(xiàng)目實(shí)踐實(shí)施和企業(yè)實(shí)習(xí)創(chuàng)造良好條件。

校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要運(yùn)用學(xué)院實(shí)際場景，與行業(yè)知名企業(yè)搭建物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)場景，使學(xué)生通過獨(dú)立或團(tuán)隊(duì)創(chuàng)意、構(gòu)思設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、制作與運(yùn)行的實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，提高分析問題、解決問題的工場實(shí)踐能力。利用工程師學(xué)院現(xiàn)有的智慧工廠產(chǎn)線、智慧車聯(lián)網(wǎng)、智慧糧庫等實(shí)訓(xùn)基地，構(gòu)建移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)場地，這些場地真實(shí)地重現(xiàn)了工廠的生產(chǎn)環(huán)境。以圖2 所示的智慧工廠生產(chǎn)線為例，若干機(jī)器人、子系統(tǒng)與工站必須高度協(xié)同工作，部署在工廠中的總線錯(cuò)綜復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)課堂教學(xué)無法完整地描述移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所要解決的優(yōu)化排產(chǎn)、設(shè)備智慧管理和能源信息化管理問題。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)課堂選擇在這些場地中開展，以更加直觀、身臨其境的方式進(jìn)行課程內(nèi)容的教學(xué)，同時(shí)將教學(xué)場地由教室搬到了“工程現(xiàn)場”。學(xué)生可以近距離觀察工程現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境情況以及真實(shí)的應(yīng)用效果，輔以授課導(dǎo)師逐步講解，得以更加直觀高效的開展課程學(xué)習(xí)。另外將學(xué)生實(shí)踐作品拿到工程現(xiàn)場場景中進(jìn)行測試檢驗(yàn)，更能體現(xiàn)出作品的綜合性能。

圖2 智慧工廠生產(chǎn)線工藝示意圖

2.3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中的“學(xué)科前沿”和“工程實(shí)際”案例

從企業(yè)對(duì)卓越工程師崗位的要求出發(fā)，充分發(fā)揮具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和不同視野的高級(jí)工程師的作用，引入企業(yè)專家講授物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與邊緣計(jì)算前言技術(shù)、智慧物聯(lián)網(wǎng)糧庫中儲(chǔ)糧精準(zhǔn)測控最新技術(shù)、智慧高鐵及軌道交通相關(guān)大數(shù)據(jù)與人工智能物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的整體規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新研發(fā)工程案例等前言知識(shí)內(nèi)容，讓實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探究前言技術(shù)，提升課程高階性，創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，使課程案例內(nèi)容更加適應(yīng)卓越工程師培養(yǎng)的需要［16］。此外，圍繞企業(yè)的大型復(fù)雜工程項(xiàng)目或工程技術(shù)項(xiàng)目開展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的科研訓(xùn)練活動(dòng)，依托物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課題項(xiàng)目積極開展前言探究性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握復(fù)雜工程項(xiàng)目的全過程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和方法，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程技術(shù)問題能力、工程技術(shù)創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力［17］。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中的思政元素

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐課程具有復(fù)雜性和工程性特點(diǎn)，是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程［18］?；谡n程特點(diǎn)，學(xué)習(xí)者首先要具備社會(huì)主義核心價(jià)值觀。所以，實(shí)踐教學(xué)課堂上以潤物細(xì)無聲的方式將愛國精神、工匠精神和團(tuán)隊(duì)精神融入實(shí)踐教學(xué)中［19］，課后采用觀看視頻、課后調(diào)研、撰寫小論文、利用學(xué)在浙大平臺(tái)推送有教育意義的案例等，建立涵蓋物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)全過程的思政育人體系，引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)一些問題的深入思考，進(jìn)而受到啟發(fā)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，建立思政案例庫，部分實(shí)踐教學(xué)思政案例內(nèi)容如表1 所示。

表1 思政教學(xué)案例

2.5 建立多維度的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐課程評(píng)價(jià)考核體系

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐課程考核評(píng)價(jià)采取多維度的評(píng)價(jià)考核體系，成績由平時(shí)成績和期末實(shí)訓(xùn)作品成績組成，平時(shí)成績占50%，實(shí)訓(xùn)作品成績占50%。平時(shí)成績主要是平時(shí)課堂表現(xiàn)和實(shí)踐作業(yè)報(bào)告，實(shí)訓(xùn)作品為一次移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的作品設(shè)計(jì)，要求同學(xué)們依托工程師學(xué)院校內(nèi)外的智慧物聯(lián)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，尋找改進(jìn)方向，設(shè)計(jì)一個(gè)移動(dòng)智慧物聯(lián)網(wǎng)與研究方向結(jié)合的解決方案，解決實(shí)際項(xiàng)目中可能存在的問題。作品設(shè)計(jì)方案將由學(xué)生親自在實(shí)踐場景中部署測試，評(píng)估作品運(yùn)行效果。除了常規(guī)的創(chuàng)新性、完成度等指標(biāo)，課程引入了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最終作品進(jìn)行評(píng)分，如代碼格式檢查、高并發(fā)壓力測試、數(shù)據(jù)流速率測試、IOPS 評(píng)估等方法。要求學(xué)生們的創(chuàng)新不能脫離現(xiàn)實(shí)，作品的設(shè)計(jì)具有良好的現(xiàn)實(shí)可行性。

3 改革成效

通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)探索與實(shí)踐，專業(yè)碩士研究生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力得到提高，發(fā)揮出了課程獨(dú)特的卓越工程師培養(yǎng)優(yōu)勢，所培養(yǎng)的專業(yè)碩士研究生大都被多個(gè)國家重點(diǎn)單位以及騰訊、阿里、華為、網(wǎng)易、百度、?？低暤绕髽I(yè)的核心研發(fā)部門錄用，收到用人單位的一致好評(píng)。部分學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯、研究生電子設(shè)計(jì)競賽、網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)賽等大賽，取得研究生電子設(shè)計(jì)競賽全國二等獎(jiǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全競賽全國特等獎(jiǎng)等優(yōu)異成績。

4 結(jié) 語

在卓越工程師培養(yǎng)背景下，物聯(lián)網(wǎng)高端工程技術(shù)人才培養(yǎng)面臨新一輪產(chǎn)業(yè)革命和科技革命的疊加推進(jìn)。本文在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目制研究生培養(yǎng)的過程中，開展物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式探索和實(shí)踐，對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建工程認(rèn)識(shí)實(shí)踐課程與專業(yè)實(shí)踐課程遞進(jìn)融合的實(shí)踐教學(xué)體系。積極探索產(chǎn)教融合協(xié)同育人模式，打破課堂理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間的壁壘，利用校內(nèi)資源和企業(yè)優(yōu)質(zhì)資源搭建研究生實(shí)踐基地和現(xiàn)場教學(xué)平臺(tái)，拓展了實(shí)踐教學(xué)空間。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中融入前沿技術(shù)知識(shí)、工程實(shí)際案例、思政元素和多維度的評(píng)價(jià)考核體系，豐富了物聯(lián)網(wǎng)方向?qū)I(yè)碩士研究生的課程教學(xué)體系和內(nèi)涵，拓寬了專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)已有的實(shí)踐教學(xué)研究成果，有助于進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)技術(shù)理論研究。教學(xué)改革成果突出，獲校級(jí)教學(xué)成果特等獎(jiǎng)和省級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，受到同行高校認(rèn)可，為其他高校物聯(lián)網(wǎng)方向?qū)I(yè)碩士研究生培養(yǎng)提供借鑒。