吴 迪, 朱金秀, 徐 宁,2, 刘 景, 张学武, 江 冰, 朱昌平

(1. 河海大学 物联网工程学院, 江苏 常州 213022;2. 南京邮电大学 宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室, 江苏 南京 210003)

借鉴TRIZ理论构建物联网工程实践教学体系

吴 迪1, 朱金秀1, 徐 宁1,2, 刘 景1, 张学武1, 江 冰1, 朱昌平1

(1. 河海大学 物联网工程学院, 江苏 常州 213022;2. 南京邮电大学 宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室, 江苏 南京 210003)

在实践中总结出一种借鉴TRIZ理论的物联网工程专业实践教学体系,并给出体系框图。该体系框图主要包括物联网工程专业师资建设、物联网工程专业实践课程建设、物联网工程专业实践教材建设、专业实验室及实践基地建设、物联网工程专业研究型实践教学、物联网工程专业双创教育6个环节,并对其中的每一环节进行了多次完善。该物联网工程专业实践教学体系的实施,能有效提升物联网工程专业的实践教学内涵,提高物联网工程专业学生的实践创新能力和创业能力。

物联网工程; 实践教学; 体系框图; TRIZ理论

作为全国首批开设该专业的高校之一,河海大学将物联网工程专业设在常州校区,在学生自愿申请的基础上,从2010级各专业选拔出34人组成该专业的首批学生。这批学生已于2014年6月毕业,成为全国首届物联网工程专业本科毕业生。物联网工程专业作为新建的本科专业,为了提高学生的实践创新能力,河海大学物联网工程学院在对该专业实践教学开展探索的基础上,提出“构建借鉴TRIZ理论的物联网工程专业实践教学体系”,通过该体系的实施,全面提升物联网工程专业学生的实践创新能力、创业能力。

1 TRIZ理论

TRIZ理论是由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒所提出的,能够帮助我们打破思维定势、扩展创新思维的能力,是一种思想武器和方法。TRIZ理论认为“发明问题”的核心是解决“冲突”,在“设计过程”中不断地发现冲突,利用“发明原理”解决“冲突”,才能获得理想的“产品”[1]。培养物联网工程专业创新型学生的核心也是解决“冲突”,此处的“冲突”是指瓶颈问题。

我们在对物联网工程专业实践教学体系的探索中,发现了其中相互联系、相互制约的六大“冲突”,提出“构建借鉴TRIZ理论的物联网工程专业实践教学体系”,给出体系框图并对对框图中每一环节分别进行了阐述。

2 借鉴TRIZ理论的物联网工程专业实践教学体系

2.1 体系框图

河海大学物联网工程学院根据物联网产业的发展需求、长三角地区物联网应用实际情况、“211工程”高校的人才特点以及学校的行业优势来制定物联网工程专业的实践教学目标[2]。借鉴TRIZ理论,指出影响物联网工程专业实践教学质量的六大“冲突”,在“物联网工程专业实践教学过程”中不断发现“冲突”,不断解决“冲突”,最终培养优秀的物联网工程专业毕业生。该实践教学体系的体系框图如图1所示。

图1 借鉴TRIZ理论的物联网工程专业实践教学体系

由图1可以看出,该物联网工程专业实践教学体系主要包含6个关键环节:

(1) 物联网工程专业师资队伍建设;

(2) 物联网工程专业实践课程建设;

(3) 物联网工程专业实践教材建设;

(4) 专业实验室、实践基地建设;

(5) 物联网工程专业研究性实践教学;

(6) 物联工程专业双创教育。

在该体系框图中,物联网工程专业师资队伍建设为基础、物联网工程专业实践课程建设为保证、物联网工程专业实践教材建设为媒介、物联网工程专业实验室建设以及课外实践基地建设为平台、开展研究型实践教学为手段、物联网创新创业教育为贯穿始终的主线。

2.2 物联网工程专业师资建设

物联网工程专业涉及到通信工程、计算机科学与技术、自动化等多专业的融合与提升,涉及到多门专业课程的汇聚和结合[3]。河海大学物联网工程学院提出建设一支具有TRIZ创新精神的物联网工程专业高水平的师资队伍,主要包括7个方面,如图2所示。

图2 物联网工程专业师资建设

(1) 建设物联网工程专业硕士点和博士点。为了培养物联网行业的高层次人才以及高水平的师资队伍,河海大学物联网工程学院在建设物联网工程本科专业的同时,积极申报该专业的硕士点和博士点。目前,河海大学物联网工程学院该专业的首届博士研究生为2014年博士研究生,并且已经于2014年5月录取完毕。

(2) 整合现有各专业师资。河海大学物联网工程学院原有专业包括通信工程专业、电子信息工程专业、自动化、电子科学与技术以及计算机科学与技术等专业,这几个专业恰恰与物联网工程专业紧密相连,因此河海大学物联网工程学院在开办物联网工程专业方面具有较好的先天条件。整合这几个专业的优秀师资,能够为又好又快地建设物联网工程专业的师资队伍开创良好的局面。

(3) 成立专门的二级机构。为更好地开展物联网方面的教学、科研工作,河海大学物联网工程学院分别成立了物联网工程系、物联网工程研究所2个二级机构。物联网工程系、物联网工程研究所的工作重点不同,集中优势力量,因“师”施“教”,更有利于开展工作。

(4) 培养物联网工程专业骨干教师。培养骨干教师是专业师资发展的重点任务,河海大学物联网工程学院在培养骨干教师方面采取了一系列切实可行的措施,包括鼓励教师深造、出国访问、国内访问、短期培训、企业实践以及校内培训与交流等形式。目前,河海大学物联网工程学院物联网工程专业师资队伍的76.9%的教师具有博士学位,15.4%的教师正在攻读博士学位。此外,不仅鼓励骨干教师积极申报各个层面的物联网方面的研究课题,还在校内设立了若干相关的教育教学研究课题,比如,河海大学物联网工程学院在2013年校内教改立项20项,2014年校内教改立项18项。

(5) 引进优秀的物联网工程专业师资队伍。2014年,河海大学物联网工程学院拟招聘云计算、射频技术以及传感网等物联网相关研究方向的高层次人才。在满足基本条件的应聘者中,再进行综合考察,实行“优中选优”,确保新引进的每一名教师都是优秀的师资。对于新引进的优秀师资,我校可提供一系列优惠政策,包括:①提供住房补贴、安家费;②提供科研经费,优先推荐高层次人才申报科研课题及科研成果奖励;③提供开展教学科研工作的良好工作条件和工作环境;④实行跟踪培养,优先提供国内外学术交流、出国进修等机会;⑤特别优秀的,可以直接聘用到教授、副教授、青年教授岗位;(6)校企联合。河海大学物联网工程学院积极与物联网行业相关企业实行“互嵌”发展,一方面聘请物联网行业相关企业的优秀人才或资深专家担任兼职教师,另一方面选派骨干教师或学生到相关企业进行深入的交流,最终实现与物联网相关企业间资源互享、人才互享、共同发展、共同提高。

(7) 培养精通TRIZ理论的物联网工程专业师资。TRIZ理论是由前苏联人所发明并获得蓬勃发展,TRIZ课程是前苏联理工科本科生、研究生的必修课程,甚至还设有TRIZ研究生专业。在美国,大多数院校都开设了TRIZ方面的课程。在北欧和西欧,许多院校也都开设了TRIZ课程。在日本、韩国,TRIZ理论也得到了迅速发展。我国目前也有许多高校开设了TRIZ相关课程[4-5]。目前在我国高校推行基于TRIZ理论的发明式教学最大的困难就是师资匮乏。因此,用TRIZ理论武装现有的师资队伍成为一个有效的解决方法,根据TRIZ理论方法研究教学方式、改革教学方法、以创新教育教学方式培训专业教师,培养一批理论水平高、实践能力强、精通TRIZ理论的物联网工程专业师资队伍[6]。

2.3 物联网工程专业实践课程建设

河海大学物联网工程学院坚持“以学生为本”的基本原则,结合物联网工程专业学科特点,狠抓物联网工程专业实践课程建设,主要包括以下3个方面[7-9]:

(1) 完善物联网工程专业实践课程体系。根据物联网工程专业共性基础和我校的特色,建设物联网工程专业课程体系,如图3所示。同时,为了强化物联网工程专业本科生动手能力、创新能力的培养,完善实践教学体系,河海大学物联网工程学院以上述物联网工程专业课程体系为基础构建了物联网工程专业的实践教学课程体系,如图4所示。

(2) 积极培育物联网工程专业核心实验课。为促进实验教学内涵建设,提高实验教学质量并为其他实验课程教学提供示范经验,河海大学物联网工程学院今年着重建设了包括无线传感器网络实验在内的3门核心实验课。

(3) 立项建设实验开放课程。为了更好地培养学生的创新能力、动手能力,河海大学物联网工程学院积极探索开放式的实验室管理模式。目前,河海大学物联网工程学院已经通过立项的形式建设包括云计算实验等课程在内的实验开放课程4项,并发布了相关建设文件。

图3 物联网工程专业课程体系

图4 物联网工程专业实践教学课程体系

2.4 物联网工程专业实践教材建设

由于物联网工程专业是新专业,所以还比较缺乏合适的实践教材。针对这种情况,我院物联网工程专业的实践教材的主要来源有4类:

(1) 主讲教师负责编著适合本院物联网工程专业学生使用的、能公开出版的实践类教材;

(2) 主讲教师自编相关实验指导书,缓解一时之需;

(3) 采用其他已经公开出版的相关实践教材;

(4) 鼓励骨干教师编著适合物联网工程专业使用的TRIZ教材。

2.5 专业实验室、实践基地建设

为了给本专业学生提供较好的实验环境,河海大学物联网工程学院通过立项的形式新建了若干物联网工程专业实验平台,包括:

(1) 物联网综合应用云服务平台;

(2) 传感器实验;

(3) RFID教学实验;

(4) 物联网嵌入式系统实验;

(5) 嵌入式软件综合实训平台;

(6) 物联网测控实验;

(7) 智能家居综合实训平台;

(8) 物联网数据库实训平台等。

此外,河海大学物联网工程学院还积极建设实验实践基地。目前,已经建成2个国家级工程实践教育中心、1个省级工程实践教育中心、1个省级实验基地和1个省级实验示范中心。同时,联合建设校内外实践基地,根据学生意向,参加不同形式的企业工程实践[10]。

2.6 物联网工程专业研究型实践教学

国际上,研究型教学的思想起源于德国。美国借鉴了德国大学的办学经验,注重教学与科研相结合、相统一。虽然研究型教学在我国高等学校中的推进过程经历了初级、发展和深化3个阶段,但是目前关于物联网工程专业研究型实践教学的研究比较少[11-12]。

河海大学物联网工程学院针对当前物联网工程专业办学的现状,积极开展研究型实践教学,借鉴TRIZ创新思维,结合“国家特色专业”和“卓越工程师教育培养计划”,确定物联网工程专业创新型人才的基本要求和开展研究型实践教学课程的基本教学目标,分析创新人才培养的各方面问题,包括内容设置、实践方法、科研课题、研讨内容等。

河海大学物联网工程学院将物联网工程专业研究型实践教学分5个层次进行设计与管理,并提供双重保障,如图5所示。

5个层次分别为:

(1) 大一新生专业认知实践教育;

(2) 实践能力和实际操作能力的培养;

(3) 分析问题和设计能力的培养;

(4) 科研潜力和创新能力的培养;

(5)创业能力的培养。

双重保障分别为课内保障和课外保障。

图5 研究型实践教学模式

2.7 物联网工程专业双创教育

河海大学物联网工程学院积极探索对物联网工程专业学生进行“双创”教育的有效方法。“双创”教育是指创新教育和创业教育,其培养体系如图6所示。

图6 物联网工程专业双创教育体系图

从图6可以看出,物联网工程专业双创教育培养体系主要包括8部分:

(1) 双创课程建设。开设TRIZ理论、大学生创新思维、物联网创新导论及实践、职业生涯规划等一批公共基础课和选修课,鼓励学生选修经管、财务、法律等跨学科课程[13]。

(2) 校园文化建设。校园文化建设配合双创教育开展一系列宣传教育活动。

(3) 定期讲座。如我院举办的“大学生创新创业大讲堂”,每月一期,一期一主题,比如专利的申请技巧、创新创业成功案例分析、国家政策解读、常州市科技政策与人才政策解读、物联网产业最新进展等。

(4) 学生创新实验室。由学生自主管理,制定章程,充分激发学生创新创业的潜能。

(5) 教师创新实验室。教师主导,学生主体,教师带领学生共同完成实践课题。

(6) 学科竞赛。借助多种学科竞赛平台,检验并提升学生的创新、创业能力,如“飞思卡尔” 杯全国大学生智能汽车竞赛、“intel”杯全国大学生电子设计竞赛嵌入式邀请赛、江苏省电子设计竞赛、国际大学生程序设计ACM/ICPC亚洲区域赛、“蓝桥杯”全国软件专业人才设计与创业大赛、中国大学生ICAN物联网创新创业大赛、全国大学生嵌入式物联网设计大赛、全国大学生数学系列竞赛、美国数学建模系列竞赛、全国数模系列竞赛、江苏省物理科技创新竞赛、机器人系列大赛、全国大学生节能减排竞赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国创业计划系列竞赛等。

(7) 责任导师4年不断线。为每个学生班级配备的班导师除做好常规工作外,需要坚持4年不断线地对学生进行创新创业能力的培养,不仅要对新入学的大一学生灌输创新创业意识,对即将毕业的大四学生更要加强指导,并鼓励毕业生满怀创新创业的信心与恒心走向职场。

(8) 课外实践。河海大学一方面为学生提供统一的课外实践基地,另一方面鼓励学生组成社团开展创新创业实践活动。一方面注重在学期中多角度、全方位地培养学生的创新创业能力,另一方面鼓励学生利用放假期间进行自我提升、自我实践。

目前,河海大学物联网工程学院培养的全国首届物联网工程专业毕业生升学、就业情况良好,除升学率达35%外,其余主要就业于与物联网相关的企业、行业。毕业生能够从事物联网的通信架构、网络协议和标准、无线传感器、信息安全等的设计、开发、管理与维护,也可在高校或科研机构从事科研和教学工作。

3 结束语

分析了物联网工程专业实践教学面临的6个主要问题,提出构建借鉴TRIZ理论的物联网工程专业实践教学体系,并给出体系框图。该体系框图主要包括物联网工程专业师资建设、物联网工程专业实践课程建设、物联网工程专业实践教材建设、专业实验室及实践基地建设、物联网工程专业研究型实践教学、物联网工程专业双创教育6个环节,并在实践的基础上对每一环节进行了细化完善,可操作性强,能有效提升物联网工程专业学生的创新精神、实践能力和创业能力。

References)

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[9] 周合兵,罗一帆.构建创新教育大平台 培养创新型人才[J].实验室研究与探索,2012,31(8):297-300.

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[13] 秦磊华,张海珍,石柯,等.物联网导论课程实验教学探究[J].实验室研究与探索,2012,31(6):150-167.

Building practice teaching system for Internet of things engineering by using TRIZ theory

Wu Di1, Zhu Jinxiu1, Xu Ning1,2, Liu Jing1, Zhang Xuewu1, Jiang Bin1,Zhu Changping1

(1. College of IOT Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China; 2. Key Laboratory of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology, of Ministry of Education, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003,China)

This article has summed up a kind of practice teaching system for the Internet of things engineering by using the TRIZ theory for conference in practice and given the system block diagram.The diagram of the system mainly includes six links as follows: the Internet of things engineering teaching staff construction, professional practical courses construction, practical teaching material construction,professional laboratory and practice base construction,research-based practical teaching,the double entrepreneur education,and each link has been improved for many times.The practice results show that the implementation of the practical teaching system for the Internet of things engineering can effectively promote the practical teaching content of the Internet of things engineering and improve the Internet of things engineering students’ practice innovation ability and entrepreneurial ability.

Internet of things engineering; practical teaching; system block diagram; TRIZ theory

2014- 11- 04 修改日期：2015- 03- 10

The open research fund of Key Lab of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology (Nanjing University of Posts and Telecommunications),Ministry of Education(NYKL201305);河海大学常州校区2013年度教育教学改革研究课题(XZX/13A001-37)

吴迪(1980—),女,江苏徐州,硕士,讲师,主要从事物联网领域的实验教学和研究.

E-mail：wudihh@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)6- 0195- 05