面向卓越工程师培养的物联网实践教学模式改革与探索

朱 辰， 魏 兵， 王 琳， 史治国， 贺诗波

（浙江大学 a.工程师学院，杭州310015；
b.国家卓越工程师学院，杭州 310015；
c.信息与电子工程学院，杭州 310027；
d.浙江省协同感知与自主无人系统重点实验室，杭州 310015）

随着现代5G移动通信、无线传感器网络、人工智能、嵌入式微处理器芯片等与物联网融合的软硬件技术迅猛发展，基于现代移动通信和人工智能的物联网行业应用已成为智慧城市建设中的关键研发领域，是国内外重点投入的热点研究方向［1-3］。该研发方向涉及电子信息和网络通信与多个学科的融合及其软硬件工程应用，对卓越工程人才的知识结构、系统设计与工程综合应用创新能力和国际化视野等提出了新的要求［4-6］。

我校工程师学院以工程项目驱动、服务产业急需出发，从2019 年起实施“项目制”专业硕士研究生培养模式，在电子与通信工程、计算机工程等工程领域以“移动智慧物联网”这一方向作为各个学科的交叉点，设立跨学科的“移动智慧物联网项目”人才培养机制，面向物联网智慧城市、智能制造等物联网产业的发展新需求，重点培养具有物联网感知与通信技术和人工智能信息处理基础及其在智慧制造、智慧城市、智慧诊疗、智慧粮库、物联网安全等技术领域综合应用的高端工程技术人才，解决物联网产业工程师数量不足、质量不高的问题，探索专业知识复合型高端工程人才培养的新方法、新模式，并付诸实践检验。但是，传统的研究生专业实践课程设置、培养方式及其目标定位等难以适应新的需要，需要完善物联网专业硕士研究生工程专业实践教学体系，强化学生的实践能力和工程创新能力，培养高素质的物联网工程技术人才，已成为高等学校物联网工程相关研究生培养中的重要工作［7-9］。

本文根据移动智慧物联网项目制专业硕士研究生的特点，探索具有自身特色的物联网工程专业“卓越工程师”实践教学培养规律和有效途径。以物联网方向卓越工程师人才培养为目标，充分利用现有的“移动智慧物联网与网络信息安全防御工程实践平台”和与知名企业合作共建开发的专业硕士研究生实践教学平台，充分发挥在人才培养中的校企联合主体作用，探索物联网专业硕士研究生实践教学新模式。

移动智慧物联网项目是专业硕士研究生改革首批设置的“项目制”人才培养模式，从招生开始就基于行业工程设计与研发需求出发，直接从新一代电子信息技术、计算机技术、自动控制等各个专业招收学生以学科交叉方式列入本项目的专项招生。因此，项目的生源首先就植入了“跨界”的基因。近年来，为满足跨学科的专业硕士研究生培养新要求，对教学课程进行了许多改革，也取得了明显的成效。但是，相对于课堂教学改革的发展，物联网实训厂景搭建对产业应用的复杂性和实景应用场景要求高，国内大部分高校缺乏专门的实训环境，实践教学过程面临很大困难，产业和教育融合度不够，项目实践比例小，造成专业实践教学改革发展相对滞后，物联网专业硕士研究生实践教学中还明显存在着重课堂理论教学、轻实践教学和实践不实的问题［10-12］。

研究生对学科知识的理解不透，理论与实践脱节、工程意识缺乏、工程综合技能欠缺，进入工作岗位后，拥有扎实的理论知识，但是解决工程实际问题能力不足，对工程中复杂问题更是感到无从下手［13-14］。从企业对卓越工程师培养的要求来看，具有跨界基因的物联网复合型高端技术人才的培养需要更好的工程技术突破能力、更强的工程实践创新能力、更广阔的国际视野和更全面的工程综合素质。

卓越工程的高层次培养定位在专业硕士层次，与工程实践密不可分，传统的实践教学体系比较单一，学生知识结构比较单一，学科交叉性不强，缺乏“大工程”意识。新时代的卓越工程师应该具有“大工程观”，应该具备多学科的背景知识，注重工程的综合性和实践性，更注重解决工程实际问题和具备解决复杂工程技术问题的能力。

实践是工程的本质，实践是创新的基础，专业实践课程以培养学生工程实践能力、基本的综合素质能力和创新能力为目标。针对物联网方向卓越工程师的培养，以“大工程观”为引导、以物联网项目制培养方案为指导，构建高起点、重综合实践的工程创新实践教学体系；
以物联网行业需求为牵引，以实际需求应用为导向，基于国家卓越工程师学院工程创新与训练中心现有的实训设备和行业知名企业捐赠设备共同搭建校企融合实践教学平台，实现学院实训资源和企业研发应用资源的融合和相互促进；
以卓越工程师培养为目标，引入“学科前沿”和“工程实际”案例，重构实践教学内容，以适应未来物联网产业发展带来的对物联网工程技术人员实践能力的要求；
以综合素质培养为目标，在实践教学中融入思政元素，培养有思想、有灵魂的卓越工程师；
以卓越工程师能力评价为指引，建立多维度的实践教学评价考核体系。

2.1 物联网实践课程体系建设

紧密围绕新一代移动通信技术与传感器技术两大主题，以实际应用为导向、以职业需求为目标，利用工程师学院已建成的电气、智能制造、土木、物联网、新能源等8 大实训平台，建设具有8 个专项实践模块和4个综合系统的“高阶工程认知实践课程”，形成以“设计-制造-测试-分析-集成-协同”的工程技术认知训练体系，培养学生加深产业认知、强化工程意识、增强系统观念和掌握综合技能，为解决复杂工程技术问题奠定基础。根据物联网专业技术培养要求，建设物联网感知层、网络传输层和应用层相应实践课程，开设“物联网操作系统与边缘计算”“物联网安全技术应用与基础”和“移动互联网智能设备设计与实践”等专业实践性强的课程，培养学生的物联网工程实践创新能力和解决复杂问题的能力。打破传统物联网研究生实践课程框架，优化实践教学课程内容体系，设置递进的有层次的实践教学课程，提出并实施认知课程与行业实践课程有效衔接融合的实践教学体系。以“大工程观”的理念构建工程认知实践课程与物联网专业实践课程融合促进的工程创新实践课程体系，如图1 所示。

图1 物联网实践课程教学体系

2.2 物联网实践教学平台建设

实践教学平台是实现卓越工程培养的重要载体［15］，需要充分发挥科教协同产教融合优势，系统建设校内外专业研究生实训平台。通过布局重点行业、多层次深化合作的建设思路，先后与华为、中国联通、树根互联、阿里巴巴等21 家国有大型企业、科技领军企业、领域特色企业建立校外研究生联合培养实践基地，所建立的专业硕士研究生实践教学基地的企业类型、行业领域、地区分布均丰富多样，发挥不同企业的特色和优势。通过实践基地的布局和建设，安排不同的实习实践内容，并为后续开展的课程设计实施、科研项目实践实施和企业实习创造良好条件。

校内实训平台主要运用学院实际场景，与行业知名企业搭建物联网创新实践教学场景，使学生通过独立或团队创意、构思设计、系统集成、制作与运行的实践训练，培养创新意识和创新精神，提高分析问题、解决问题的工场实践能力。利用工程师学院现有的智慧工厂产线、智慧车联网、智慧粮库等实训基地，构建移动智慧物联网实践教学场地，这些场地真实地重现了工厂的生产环境。以图2 所示的智慧工厂生产线为例，若干机器人、子系统与工站必须高度协同工作，部署在工厂中的总线错综复杂，依靠传统课堂教学无法完整地描述移动智慧物联网系统所要解决的优化排产、设备智慧管理和能源信息化管理问题。物联网实践教学课堂选择在这些场地中开展，以更加直观、身临其境的方式进行课程内容的教学，同时将教学场地由教室搬到了“工程现场”。学生可以近距离观察工程现场的实际环境情况以及真实的应用效果，辅以授课导师逐步讲解，得以更加直观高效的开展课程学习。另外将学生实践作品拿到工程现场场景中进行测试检验，更能体现出作品的综合性能。

图2 智慧工厂生产线工艺示意图

2.3 物联网实践教学内容中的“学科前沿”和“工程实际”案例

从企业对卓越工程师岗位的要求出发，充分发挥具有丰富实践经验和不同视野的高级工程师的作用，引入企业专家讲授物联网操作系统与边缘计算前言技术、智慧物联网粮库中储粮精准测控最新技术、智慧高铁及轨道交通相关大数据与人工智能物联网项目的整体规划、系统设计和创新研发工程案例等前言知识内容，让实践教学内容紧密联系国内外研究现状，探究前言技术，提升课程高阶性，创新性和挑战度，使课程案例内容更加适应卓越工程师培养的需要［16］。此外，围绕企业的大型复杂工程项目或工程技术项目开展物联网应用领域的科研训练活动，依托物联网相关课题项目积极开展前言探究性实验，让学生掌握复杂工程项目的全过程系统结构、原理和方法，提高学生解决复杂工程技术问题能力、工程技术创新能力和团队合作能力［17］。

2.4 物联网实践教学中的思政元素

物联网实践课程具有复杂性和工程性特点，是一门理论与实践紧密结合的课程［18］。基于课程特点，学习者首先要具备社会主义核心价值观。所以，实践教学课堂上以润物细无声的方式将爱国精神、工匠精神和团队精神融入实践教学中［19］，课后采用观看视频、课后调研、撰写小论文、利用学在浙大平台推送有教育意义的案例等，建立涵盖物联网专业硕士研究生培养全过程的思政育人体系，引导同学们对一些问题的深入思考，进而受到启发。结合物联网实践教学内容，建立思政案例库，部分实践教学思政案例内容如表1 所示。

表1 思政教学案例

2.5 建立多维度的物联网实践课程评价考核体系

物联网专业实践课程考核评价采取多维度的评价考核体系，成绩由平时成绩和期末实训作品成绩组成，平时成绩占50%，实训作品成绩占50%。平时成绩主要是平时课堂表现和实践作业报告，实训作品为一次移动智慧物联网相关的作品设计，要求同学们依托工程师学院校内外的智慧物联实训平台，寻找改进方向，设计一个移动智慧物联网与研究方向结合的解决方案，解决实际项目中可能存在的问题。作品设计方案将由学生亲自在实践场景中部署测试，评估作品运行效果。除了常规的创新性、完成度等指标，课程引入了行业标准对最终作品进行评分，如代码格式检查、高并发压力测试、数据流速率测试、IOPS 评估等方法。要求学生们的创新不能脱离现实，作品的设计具有良好的现实可行性。

通过物联网实践教学探索与实践，专业硕士研究生的工程实践创新能力得到提高，发挥出了课程独特的卓越工程师培养优势，所培养的专业硕士研究生大都被多个国家重点单位以及腾讯、阿里、华为、网易、百度、海康威视等企业的核心研发部门录用，收到用人单位的一致好评。部分学生参加挑战杯、研究生电子设计竞赛、网络安全挑战赛等大赛，取得研究生电子设计竞赛全国二等奖、网络安全竞赛全国特等奖等优异成绩。

在卓越工程师培养背景下，物联网高端工程技术人才培养面临新一轮产业革命和科技革命的叠加推进。本文在物联网项目制研究生培养的过程中，开展物联网实践教学模式探索和实践，对实践教学环节和内容进行设计，构建工程认识实践课程与专业实践课程递进融合的实践教学体系。积极探索产教融合协同育人模式，打破课堂理论教学和实践教学之间的壁垒，利用校内资源和企业优质资源搭建研究生实践基地和现场教学平台，拓展了实践教学空间。物联网实践教学中融入前沿技术知识、工程实际案例、思政元素和多维度的评价考核体系，丰富了物联网方向专业硕士研究生的课程教学体系和内涵，拓宽了专业硕士研究生培养已有的实践教学研究成果，有助于进一步推动相关技术理论研究。教学改革成果突出，获校级教学成果特等奖和省级教学成果一等奖，受到同行高校认可，为其他高校物联网方向专业硕士研究生培养提供借鉴。

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