王超 刘丽萍 于赫洋

[摘 要] 物联网技术发展迅速，针对课程和实践内容与本行业的最新技术存在脱节、知识讲授与项目实践存在脱节等问题，通过校企合作，对物联网创新实践训练营的技术平台和组织形式进行了探索和实践，提出并实践了基于问题引导的“四段式”教学组织方式，提高学生工程项目开发应用能力和创新能力的培养效率，实践结果表明达到了预期的效果。

[关键词] 校企合作;物联网;工程项目

[基金项目] 2019年度自动化类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究课题“校企合作创新实践课（营）与平台的建设”（2019A01）

[作者简介] 王 超（1973—），男，河北唐山人，工学博士，天津大学电气自动化与信息工程学院副院长，教授，博士生导师，主要从事多相流机理与检测技术研究。

[中图分类号] G640   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）07-0093-04    [收稿日期] 2020-12-07

物联网技术发展迅速，已成为世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一。针对高校教学内容与行业最新技术相脱节的问题，我们与物联网技术的领军企业华为公司在校企协同育人方面进行了全面的合作，2018年创办了物联网创新实践训练营。训练营在整合企业和高校的教育资源基础上，不断创新教学模式，在培养学生自主学习意识，提高解决复杂工程问题、创新实践能力方面获得了比传统教学模式更好的效果。本文从存在问题与改革思路、技术平台建设和教学组织三方面对该项教学改革工作进行介绍。

一、存在问题与改革思路

随着物联网的快速发展，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用场景而设计的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）应运而生。NB-IoT（Narrow Band-Internet of Things）作为一项被广泛认可的LPWAN技术标准，已被纳入国家的工业互联网发展战略[1，2]。但是，已有的物联网相关课程和实验内容对NB-IoT还少有涉及。同时，当前LPWAN的开发和应用需要使用贯穿终端、协议和云平台的解决方案和工具，这也是已有教学内容欠缺的。学生不掌握最新的技术、工具和开发体系，也就难以提出符合行业需求的创新解决方案[3，4]。

华为公司是NB-IoT国际标准的主要贡献企业，其建立了完整的NB-IoT解决方案，处于该技术的领军地位，因此，物联网创新实践营与华为公司合作，将主流的协议、最新的技术和工具引入教学环节。

在引进技术和平台的同时，为了达到更好的教学效果，也要对教学组织进行改革。在常规的培养模式下，和专业、产业相关的项目式实践活动一般都安排大学三、四年级。虽然这一模式非常成熟，但是，由于学生在前期的知识学习过程中没有清晰的应用目标，且知识学习与实践相隔时间较长，知识的遗忘率很高。针对该问题，借鉴UCL（University College London）将知识学习与项目设计集中组织的工程教育改革经验[5]，在物聯网创新实践训练营中，将知识学习、技术集训和项目开发进行了整合，形成了基于问题引导的“四段式”教学组织方式。

二、技术平台建设

物联网创新实践训练营的技术平台引入了华为公司的整套解决方案，拓扑结构如图1所示。终端设备使用LiteOS开发板，网络通信协议采用NB-IoT，物联网连接管理平台采用华为的OceanConnect。

LiteOS是华为公司开发的一款开源轻量级的物联网操作系统，包括任务管理、内存管理、时间管理、通信机制、中断管理、队列管理、事件管理、定时器、异常管理等操作系统基础组件，可有效降低开发门槛，缩短开发周期。本课程选购了LiteOS开发板，该开发板使用STM32L431微处理器，并配有温湿度、光强度、GPS、烟感和WiFi等扩展版，可进行很多应用场景的方案设计和验证。

OceanConnect是华为公司开发的物联网连接管理平台，具有大数据分析与实时智能功能，可简化终端接入，加速应用上线，已在智慧家庭、车联网、智能抄表、智能停车和平安城市等很多实际项目中获得成功应用。

整个技术平台贯穿“端—管—云”，帮助学生高效系统地构建物联网的知识构架，并以此为基础，通过调研实际的行业应用需求，开发项目应用平台，进行创新实训。

三、基于问题引导的“四段式”教学组织

课程的组织如图2所示，包括自主学习、集中实训、项目开发和展示交流四个阶段。问题启发式（PBL，Problem-Based Learning）教学是1969年美国Howard Barrows创立的一种开放式教学模式，借鉴该模式，针对不同课程阶段的教学目标和支撑的毕业要求，设计了引导问题和对应的考核方式。

（一）课程支撑的毕业要求

课程目标支撑6项毕业要求包括：（1）设计/开发解决方案：能够根据工程问题，利用华为相应设备，设计和开发解决方案，掌握全过程生命周期，以及各类影响因素;（2）使用现代工具：熟悉并掌握NB-IoT开发平台、LiteOS操作系统、OceanConnect平台的使用，并应用到解决复杂工程问题当中;（3）工程与社会：能够理解、评价开发项目/工程问题的社会价值、影响范围，以及市场兼容性;（4）个人和团队：理解在项目开发过程中，个人在团队中承担的具体工作与责任，掌握与其他成员的团队协作能力;（5）沟通与表达：了解并掌握在解决复杂工程问题/项目开发过程中的沟通能力，掌握口头与文字的沟通形式;（6）终身学习：建立自主学习与终身学习意识，具备终身学习的思维和行动能力。

（二）“自主学习”阶段的设计

“自主学习”阶段，以四个问题（物联网是什么？你准备做什么？工程与社会的关系是什么？你能为团队贡献什么？）为引导。

表1给出了学生自主学习的纲要，学生可以通过各种途径自主完成，如学校开设的物联网通识课程、华为公司录制的“玩转物联网”视频课程等。学生在学习物联网知识的基础上，以3人为一组，通过需求调研，确定准备利用物联网技术解决的实际问题，完成项目计划和人员分工，形成报告。

（三）“集中实训”阶段的设计

在集中实训中，为每组学生提供LiteOS开发板、支持NB-IoT的SIM卡和OceanConnect账号。为期2天的集中实训由华为企业专家与学校教师联合指导，完成NB模组端侧开发及数据上报、IoT连接管理平台下发命令及设备响应、基于开发板移植与运行LiteOS，以及搭建应用服务器与平台进行鉴权等四项实验，授课内容如表2所示。通过集中实训，使学生掌握贯穿“端—管—云”开发方法。

（四）项目开发与展示交流

“项目开发”阶段为3周。在这期间，学生利用LiteOS开发板完成设计的项目，由企业专家与学校教师提供指导。在项目开发最后阶段，安排了项目“展示交流”环节，各组需提交答辩PPT和演示视频，并进行现场答辩。由教师和企业专家组成的评审专家组进行提问和评分，同时也要求每位同学对各组的项目完成情况进行评分，将两个成绩共同构成各组的答辩成绩。在答辩环节鼓励学生提问，通过记录学生提问和回答过程，配合评选优秀讲解和提问，评价学生思考的深入性和沟通表达能力。

（五）课程的形成性考核

在课程开展过程中，以问题为抓手，对设计过程进行形成性考核。形成性考核依据与毕业要求对应关系如表3所示。

四、结语

物联网创新实践训练营主要进行了三方面的改革：一方面，通过校企合作，将物联网领域最新的技术和工具引入课程，且企业专家参与了课程的全过程，解决了学生所学知识和实践内容与本行业的最新技术相脱节问题;另一方面，课程内容贯穿“端—管—云”，使学生更高效地形成系统的知识构架;最后，基于问题引导的“四段式”教学组织方式解决了知识讲授和项目实践间隔长、学生培养效率较低的问题，并对学生的毕业要求达成形成清晰的支撑。

在训练营第一期课程中，参加课程的30名学生中，20余名通过了华为HCNA-IoT认证，华为公司在搜狐网上进行了报道[6]。选拔出的两支队伍参加2019年华为中国区大学生ICT大赛创新赛，全部成功晋级总决赛，其中一支队伍在总决赛中获得二等奖。由于该课程不限年级，其中一组为大一学生，难能可贵的是他们在课程的最后期限内完成了项目，并进行了展示。这一事例说明了学生学习的巨大潜力，通过改革课程的组织方式，可有效调动学生学习的积极性。

物联网创新实践训练营的建立和组织方式也可借鉴到其他校企合作协同育人项目中。目前，我们采用同样的课程组织方式，与NI公司合作开设的训练营课程也已获得教育部产学合作协同育人项目支持，在2020—2021学年第1学期正式开课。

参考文献

[1]Kais Mekki， Eddy Bajic， Frederic Chaxel， Fernand Meyer. A comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment [J].ICT Express，2019，5（1）：1-7.

[2]国务院. 国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见[EB/OL].（2017-11-27） [2020-08-19]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-11/

27/content_5242582.htm.

[3]郑征，李伟伟.创新实践教学体系 提升工科大学生创新能力[J].实验室研究与探索，2015，34（7）：195-198.

[4]高淑貞，胡亮，蔡印，等.基于创新实践的探究性学习模式环境设计的思考[J].实验技术与管理，2018，35（5）：183-185.

[5]D. R. Graham. The global state of the art in engineering education [M]. Massachusetts Institute of Technology， 2018.

[6]天津大学-华为物联网精英实训营圆满落幕，全营29名学生悉数通过华为物联网认证[EB/OL].（2018-12-25）[2020-08-19].https：//www.sohu.com/a/284420659_12005470

1.

Exploration and Practice of Innovation Practice Training Camp of Internet of Things in School-Enterprise Cooperation

WANG Chao， LIU Li-ping， YU He-yang

（School of Electrical and Information Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： With the rapid development of Internet of Things （IoT） technology， there are some problems such as the disconnection between the course and practice content and the latest technology of the industry， and the disconnection between knowledge teaching and project practice. Through school-enterprise cooperation， the technical platform and organization form of the IoT innovation practice training camp are explored in this paper. The “four-stage” teaching organization model based on problem-based learning is put forward， which improves the training efficiency of students engineering project development and application ability and innovation ability. The practice results show that the expected results have been achieved.

Key words： school-enterprise cooperation; Internet of Things （IoT）; engineering project