1.基于新工科理念的物联网工程专业建设
2.新工科背景下以数据为中心的计算机专业教学改革
3.湖南省高校教师信息化教学应用调研报告
基于新工科理念的物联网工程专业建设
摘要：作为服务国家战略性新兴产业的物联网工程专业，具有显著的新工科专业特征。本文从新工科建设理念出发，围绕“问产业需求建专业，问技术发展改内容，问学生志趣变方法，问内外资源创条件，问国际前沿立标准”五个方面剖析了物联网工程专业的建设历程，为新工科专业建设中解决“人才培养如何契合产业需求、教育内容如何融合产业技术、实践体系如何满足学生志趣”等问题提供了明晰的思路。
关键词：新工科，物联网工程专业，知识体系，课程体系，专业规范
一、新工科的建设理念
2017年2月18日，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，共同探讨了新工科的内涵特征、新工科建设与发展的路径选择，并达成了10项共识。这是新工科建设的里程碑，我们称之为“新工科”建设的“复旦共识”[1]。
2017年4月8日，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，共商新工科建设的愿景与行动。研讨会为新工科建设描述了美好的图景：到2020年，探索形成新工科建设模式，主动适应新技术、新产业、新经济发展；到2030年，形成中国特色、世界一流工程教育体系，有力支撑国家创新发展；到2050年，形成领跑全球工程教育的中国模式，建成工程教育强国，成为世界工程创新中心和人才高地，为实现中华民族伟大复兴的中国梦奠定坚实基础。这是新工科建设的第二个里程碑，我们称之为“新工科”建设的“天大行动”[2]。
围绕“新工科”建设的“天大行动”，张大良于2017年4月18日在《光明日报》发表了题为《新工科建设的六个问题导向》的文章[3]。文章指出，未来几十年，新一轮科技革命和产业变革将同人类社会发展形成历史性交汇，必须面向当前急需和未来产业发展，提前进行人才布局，培养具有创新创业意识、数字化思维和跨界整合能力的“新工科”人才。该文从问题出发，总结了“问产业需求建专业，问技术发展改内容，问学校主体推改革，问学生志趣变方法，问内外资源创条件，问国际前沿立标准”的新工科建设六大理念(简称“天大六问”)。“天大六问”为新工科专业建设指明了方向。
“新工科”通过一年多的建设，取得了令人瞩目的成绩。围绕新工科专业建设，教育部不仅批准了大数据、人工智能、网络空间安全等新工科专业，而且通过产学研协同育人计划项目，为传统工科专业建设引入新技术提供了新途径，促进了传统工科专业向新工科专业转化。
物联网工程专业作为最早批准建设的“新工科”专业，为近一年批准建设的大数据、人工智能、网络空间安全等新工科专业建设提供一个可供参考并具有操作意义的实际案例。
二、物联网工程专业简介
2010年2月，《教育部办公厅关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知》(教高厅函[2010]13号)明确要求在2010年4月前完成一次战略性新兴产业相关专业的申报和审批工作，物联网技术名列其中。2010年7月，教育部发布了教高[2010]7号文件，批准了30所高校设立物联网工程专业。该专业原则上2011年开始招生，部分高校2010年通过转专业方式提前招生，2013年首届物联网工程专业学生毕业。截至2017年3月，教育部共分8个批次备案和批准了461所高校的物联网工程本科专业。
作为围绕战略性新兴产业设置的、与产业发展同步建设的物联网工程专业，国内外没有相关专业可供参照。“人才培养如何契合产业需求、教育内容如何融合产业技术、实践体系如何满足学生志趣”面临巨大挑战，迫切需要解决专业建设“从无到有”过程中的一系列重要问题，为专业发展提供科学引导。为此，教育部计算机专业教指委组织成立了“物联网工程专业教学研究专家组”。专家组成员根据“产业导向、行业牵引、学科交叉”的专业特点，采取校企协作、校校协同的“众创”模式，深入开展了物联网工程专业的知识体系研究、系列教材与实践基地建设，基本解决了物联网工程专业建设过程中的专业规范和人才培养规格“从无到有”、课程体系和教材内容如何融合产业技术、产学研协同的实践教学基地严重不足等问题。
三、基于新工科理念的物联网工程专业建设
物联网工程专业从设立到今天，已经走过9个年头。物联网工程专业从创立到建设，始终围绕物联网产业的需求和最新技术发展而展开，体现了新工科专业的建设特点，也是“新工科”建设理念“天大行动”的先行实践者。
1.问产业需求创建物联网工程专业
物联网工程专业是围绕国家战略性新兴产业需求而设立的工科专业，是新工科建设理念“问产业需求建专业”的典型案例。
2007年以来，伴随着网络技术、通信技术、智能嵌入技术的迅速发展，“物联网”一词频繁出现在世人眼前。物联网概念的提出，受到了学术界、工业界的广泛关注，特别是它在刺激世界经济复苏和发展方面的预期作用，帮助全世界度过了2008—2010年经济危机。从美国IBM的“智慧地球”到我国的“感知中国”，各国纷纷制订了物联网发展规划并付诸实施。特别是自从2009年8月提出“感知中国”以来，物联网被列为国家五大战略性新兴产业之一，并已经成为国家抢占新一轮经济制高点的重大战略。物联网技术已经带来一场新的技术革命，并由此推动了云计算、大数据和人工智能的发展。教育部根据国家战略性新兴产业发展需求，2010年批准设立了“物联网工程专业”，目前已经为国家培养了5万余名契合物联网产业发展的高级专门人才，极大缓解了物联网产业对专业人才的迫切需求。
2.问技术发展构建物联网工程专业教学内容
物联网作为战略性新兴产业，对人才培养提出了更高要求，迫切需要将物联网最新技术和研究成果转化为教学内容，建成契合行业发展需要、融合产业技术的课程体系和教材资源。物联网工程专业的知识体系和教学内容的建设方法是新工科建设理念“问技术发展改(或建)内容”的典型实例。
首先，依据物联网产业发展需求，围绕感知、标识、定位、控制、传输、处理、决策和预警等物联网技术，深入开展了物联网工程专业战略发展研究。从时间、空间、技术和应用四个维度定义了专业的内涵和外延，从感知、传输、处理和应用四个层次凝练了专业的理论与技术体系，从素质、知识和能力三个方面提炼了学生毕业要求，从感知、通信、计算、控制和数据五个方面界定了学生基本能力。如图1所示。
图1 物联网工程专业顶层设计
其次，依据物联网产业需求，根据“产业导向、行业牵引、学科交叉”的专业特点，设计了包括6个知识领域、29个知识单元的专业基础知识体系(见表1)和7个知识领域、49个知识单元的专业核心知识体系(见表2)，给出了11个重点行业的领域应用知识。
表1 专业基础知识
知识领域 | 知识单元 | 知识领域 | 知识单元 |
AP算法与程序设计 | AP1程序设计语言 AP2数据结构与算法 AP3离散数学(选修) | DB数据库系统 | DB1数据库 DB2数据库管理 DB3数据库系统 |
CE电路与电子技术 | CE1电路的基本概念和基本定律 CE2电路基本分析方法和电路定理 CE3模拟电路 CE4基本放大电路 CE5数字电路 CE6EDA技术基础 CE7数模与模数转换器 | CN计算机网络 | CN1计算机网络体系结构 CN2网络设备 CN3网络软件 CN4局域网、广域网与无线网 CN5网络协议 CN6网络管理 CN7网络安全 |
CS计算机系统 | CS1计算机组成 CS2操作系统 CS3微机与接口 CS4计算机体系结构(选修) | ES嵌入式系统 | ES1嵌入式系统组成 ES2嵌入式系统硬件 ES3嵌入式操作系统 ES4嵌入式系统软件 ES5嵌入式系统开发 |
表2 专业核心知识
知识领域 | 知识单元 | 知识领域 | 知识单元 |
AR物联网技术体系 | AR1计算模式的演化 AR2物联网模型 AR3物联网感知 AR4物联网通信 AR5智能数据处理 AR6物联网控制 AR7物联网安全 AR8物联网应用 | ID标识与感知 | ID1物体编码 ID2条形码 ID3 RFID ID4传感器 ID5智能传感器 ID6视频监控 ID7定位技术 ID8感知系统部署 |
CO物联网通信 | CO1物联网通信组网技术 CO2互联网与物联网 CO3无线通信 CO4无线传感网 CO5多网融合 | CT物联网控制 | CT1物联网控制的特征 CT2自动控制技术 CT3计算机控制系统 CT4分布式控制系统 |
DP物联网数据处理 | DP1物联网数据特征 DP2数据预处理 DP3磁盘阵列 DP4网络存储技术 DP5海量存储系统 DP6海量数据的组织与管理 DP7数据质量 DP8数据检索 DP9数据挖掘 DP10智能决策 | IS物联网信息安全 | IS1物联网的安全特征与目标 IS2物联网的安全体系 IS3物联网感知层安全机制 IS4物联网传输层安全机制 IS5物联网数据处理层安全机制 IS6物联网应用层安全机制 IS7隐私保护 |
PD物联网工程设计与实施 | PD1物联网设计基础 PD2需求分析与可行性研究 PD3网络设计 PD4应用软件设计 | PD物联网工程设计与实施 | PD5工程实施 PD6运行维护与管理 PD7物联网工程案例 |
再次，按学生掌握知识的规律，设计了包括基本认知、应用认知、基本理论、应用技术和创新培养5个层次的专业实践能力体系，构建了包括课程实验、综合设计、专业实习、毕业设计和学科竞赛5个环节的专业实践教学方案，设计了7门核心课程实验和5门综合课程实验。针对每一门专业核心课程实验，按学生掌握知识的规律，设计了包括基本认知(消除学习的畏难感)、应用认知(认识学习的价值)、基本理论(掌握基本的理论)、应用技术(具有应用实践能力)、综合实践(系统层次的实践)五层次的循序渐进实践课程的教学方法。
最后，聚合物联网领域专家和知名学者，成立物联网工程专业规划教材编委会，根据物联网工程专业的基础知识体系和核心知识体系，在对计算机、通信、电子、控制等多学科知识进行交叉、融合与创新的基础上，设计了包括8门专业基础课程(见表3)和10门专业核心课程(见表4)的专业课程体系。结合产业技术发展最新成果，研究并构建了物联网工程专业核心课程内容，新编并出版了10部专业系列教材，上述教材被列为“十二五”国家规划教材；根据不同高校的物联网工程专业的差异化需求，研究并出版了3本特色教材。
表3 专业基础课程及其覆盖的知识单元
表4 专业核心课程及其覆盖的知识单元
此外，由于各高校正在进行大规模的专业改革，包括大类专业招生和压缩专业学时，因此，物联网工程专业的总学时难以完全支撑表3和表4所开列出的18门课程。因此，在新的形势下，有必要对上述课程体系进行优化组合，构建更加符合各高校实际情况的物联网工程专业课程体系。一个建议的方案是：
(1)开设“物联网技术原理”课程，涵盖“物联网技术导论”“物联网通信技术”“RFID原理及其应用”“传感器原理及其应用”四门课程；
(2)开设“云计算与大数据”课程，涵盖“物联网数据存储”“物联网数据管理”两门课程；
(3)开设“物联网智能控制”课程，将人工智能的部分知识点引入课程中，完成课程的与时俱进，并完全覆盖“物联网控制技术”课程内容。
通过优化组合后，物联网工程专业的核心课程体系如表5所示
3.问内外资源创建物联网工程专业实习实训基地，问学生志趣创办全国大学生物联网设计竞赛
物联网工程专业紧紧围绕物联网产业需求，形成了贯穿课程内外、对接校企的多层次立体化实践教学体系，构建了贯通知识与技能的实践教学新模式，率先实践了“问学生志趣变方法”和“问内外资源创条件”的新工科专业建设理念。
通过与中国移动、百度、阿里、华为、TI、谷歌等物联网产业链知名企业进行了产学合作，在北京、上海、无锡、西安和武汉等地联合共建20个专业实践基地，为全国高校提供了物联网专业校外实习实训平台，为学生提供了“以训促学”的实习实训环境。通过与上述企业联合创办全国大学生物联网设计竞赛，构建了覆盖全国的物联网竞赛服务平台。通过成立竞赛指导委员会和竞赛组织委员会，采取“分赛区决赛—全国总决赛”两级管理模式，竞赛学生覆盖全国，连续四年吸引了来自全国530余所高校的4485支队伍、19230名学生参赛，形成了“以赛促创”的良好氛围，激励了学生的创新思维，提升了学生的创新创业能力。
4.问国际技术前沿创立物联网工程专业规范
制订专业教学规范和教学质量国家标准是建立我国高等本科教育标准体系的基础，它将有助于推进新工科专业建设，提高高等工程教育质量[4]。物联网工程专业作为服务于战略性新兴产业的工程类专业，主动适应了物联网新技术、新产业、新经济的发展，为新工科专业建设提供了规范和样本。其专业规范或标准必须结合国际技术前沿进行研究。图2给出了物联网工程专业规范的研究思路。物联网工程专业教学研究专家组通过深入分析国内外物联网产业的最新前沿技术和行业标准，遵循“既有规矩，又有空间；既有底线，又有目标；既有定性，又有定量”原则，采取“契合产业需求、对接产业技术、注重学科交叉”的工作思路，从专业顶层设计、专业知识体系、课程体系、实践体系和支撑条件等方面入手，制定了物联网工程专业规范。上述规范通过了教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会组织的专家组评审，并正式出版了《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)》，为物联网工程专业的建设提供了方向性指导。
