0 引 言
物联网作为战略性的新兴产业，已成为各国综合国力竞争的重要因素[1]。物联网是支撑“网络强国”和“中国制造2025”等国家战略的重要基础，国家一直以来高度重视物联网产业的发展和基础设施建设，在“十四五规划”下，国家先后颁布多项政策文件，大力推进物联网产业的发展。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中5次提到“物联网”[2]，工信部等八部门联合印发《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021—2023年）》提及目标“到2023年底，在国内主要城市初步建成物联网新型基础设施，社会现代化治理、产业数字化转型和民生消费升级的基础更加稳固”[3]。全国各省市也相继发文或出台政策，支持物联网产业的发展。在政策与技术的支持下，中国物联网产业规模持续壮大，市场前景广阔，物联网专业人才缺口逐渐扩大。
在新工科建设背景下，产业需求对物联网专业人才的培养提出了新的要求，即实践能力强、创新能力强的高素质复合型“新工科”人才，符合时代精神且具有“学科交叉融合”特征的创新型卓越工程人才[4-5]。传统的物联网教学模式存在人才培养单一、工程性缺失、对学生创新教育和创新训练重视不足等问题，已难以适应新工科人才培养的需要与物联网专业的发展，而交叉融合的新型培养模式能够满足物联网专业一流人才培养的需求[6-7]。
1 建设背景
物联网本质上是一个网络系统，能获取大量的信息，为决策制定提供有效的数据支持[8]。它分为感知层、网络层与应用层：感知层具有采集信息、识别物体等功能，可收集大量数据；网络层能实现数据信息的传输和交流；应用层可对采集的数据进行计算、处理和知识挖掘，实现定制化服务[9-11]。
近年来，随着物联网产业的飞速发展，物联网设备数量与数据量激增，物联网数据的处理成为核心环节。将物联网与大数据、云计算等技术等进行融合，实现数据的处理、分析和挖掘，能更加准确、快捷、智能地实现对物理对象的识别、管理和控制[12]，有效推动物联网产业发展。
目前，在实践教学中，已有高校陆续开设物联网与人工智能、大数据交叉融合的实践课程，文献[13]中针对现有实验设备不支持开展人工智能实验、缺乏教学案例的问题，设计了嵌入式人工智能与物联网实验开发板；文献[14]中探索将大数据与物联网结合，开设大数据嵌入式课程设计。许多物联网实验平台重点关注培养物联网三层架构中感知层和网络层的技术，较少涉及应用层数据处理，学生难以体会到三层架构完整的应用过程[15]。
基于上述背景，以交叉融合为切入点，建设物联网大数据应用创新实践课程，以教学目标为导向、教师指导为引领、课堂教学为基石、拓展实践为助力，锻炼学生基于物联网大数据的领域融合与应用创新能力，培养面向大数据智能化的物联网专业一流人才。
2 课程实施方案
课程侧重于新工科背景下物联网技术与大数据技术的交叉融合创新实践，利用软硬件资源，搭建以数据处理为核心的感知—网络—应用三层体系结构（如图1所示），帮助学生掌握物联网背景下的环境部署、数据采集、处理与分析，并利用分析结果实现智能决策及可视化，从而完成物联网大数据应用案例开发。
在感知层，部署物联网设备（如传感器、智能终端灯），搭建硬件环境，利用设备感知采集数据信息；在传输层，利用Modbus、BACnet、IP等传输协议，完成数据信息的传输；在应用层，对数据进行处理并分析，进行智能决策，实现智慧农业、智能交通、智能楼宇等物联网应用并进行可视化展示。
2.1 教学目标
通过课程学习与实践，支撑面向大数据智能化的物联网工程研究和人才培养，培养出具有扎实的物联网应用基础，出色的动手能力，创新、实干与协作精神并存的专业技术人才。课程教学培养目标具体如下。
（1）帮助学生深入理解物联网以数据处理为核心的感知—网络—应用三层体系结构，掌握面向物联网应用的大数据智能系统设计与实现方法，具备利用学科融合知识解决实际问题的能力与创新意识。
（2）培养学生的感知（Perception）+网络（Network）+计算（Computing）+数据（Data）+智能（Intelligence）思维（简称PNCDI思维），使学生具备物联网+数据+智能创新能力以及领域融合与应用创新能力。
（3）培养学生理论联系实际、沟通协调、团队协作的能力，为后续创新应用开发与深入研究奠定坚实基础，助力面向大数据智能化的物联网工程一流人才培养。
2.2 课程建设架构
课程建设架构如图2所示，建设内容包括依托平台、课程内容、拓展实践3部分。
1）依托平台。
采用霍尼韦尔公司旗下的物联网主流中间件Niagara+JACE 8000开发套件作为实践平台。Niagara是一种灵活的可扩展的物联网框架，JACE 8000是一款嵌入式物联网控制引擎及服务器平台，Niagara+JACE 8000套件广泛应用于智慧建筑、数据中心、智能制造、智慧城市以及物联网领域的其他垂直市场，目前已在全球70多个不同国家和地区有超过100万个系统安装部署[11]。基于Niagara+JACE 8000开发套件开展实践教学，可加深学生对前沿物联网技术与应用的理解，提升学生的物联网工程实践能力。
2）课程内容。
理论教学重点讲解物联网与大数据交叉融合的原理及意义，依托的软硬件平台及其使用方法，各类传感器的功能与使用方法，依托平台的数据采集、存储与分析的方法，实际案例分析等内容。
实践教学采用个人实践、小组合作两种方式，从入门实验、基础实验、提升实验、自主课题设计4部分内容逐级深入，开展教学，其中，入门实验与基础实验由学生个人独立完成，提升实验与自主课题设计则由小组成员共同协作完成。实验教学内容主要包括软硬件平台操作介绍，传感器的连接与使用，智能照明系统的设计与实现，智能温控系统的设计与实现，数据的采集、存储、分析与展示，面向物联网应用的大数据智能系统设计与实现等部分。实验教学旨在帮助学生掌握主流物联网中间件平台Niagara的基本操作和开发技能；传授学生利用Niagara + JACE 8000平台实现物联网感知层的数据采集的技能；培养学生利用大数据技术实现对所采集数据的存储与分析的能力；锻炼学生利用物联网技术与大数据技术分析解决实际问题的能力，培养其创新思维，提高其动手操作、解决实际问题的能力。
3）拓展实践。
在课程学习的基础上，学生可将课程学习的知识用于课外拓展实践，包括专业实习实训、各类创新创业项目、专业竞赛、毕业设计等实践，如大学生科研训练项目、互联网+大学生创新创业大赛、全国大学生物联网设计竞赛等，进一步提升自身技能水平与能力。
整体而言，课程以Niagara+JACE 8000开发套件为依托，借助传感器、数据分析技术等，逐层深入，开展理论教学与实验教学，结合拓展实践，实现教学目标，助力物联网专业一流人才培养。
2.3 教学内容构建
根据课程建设架构，将课程教学内容详细分为理论基础教学、入门实验教学、基础实验教学、提升教学实验、创新设计实践共计5个模块，总计32学时，详细教学内容安排见表1。
2.4 教学考核方案
课程教学重点考核学生对各模块知识的掌握程度，根据每个模块的学习深度和难易程度为其分配不同的分值比重。其中，入门实验与基础实验考查学生的基础能力与软硬件动手能力，分别占比15%；提升实验考查学生对物联网三层架构的理解能力与交叉融合问题处理能力，占比20%；创新设计实践考查学生发现、分析与解决问题的能力、创新创业能力与团队协作能力等，占比50%，详情见表2。
3 课程实施效果
3.1 教学成效
物联网大数据应用创新实践课程于2021年秋季学期在重庆大学计算机学院首次开课，课程合格率为100%，成绩占比详情如图3所示，其中90—100分段的人数占比为52%，80—89分段的人数占比为38%，70—79分段与60—69分段人数占比各5%。由此可见，90%的学生能较好地掌握课程所学内容，课程设计合理，能实现教学目标。
在创新设计实践环节，学生分组合作，自主选题，结合物联网与大数据的相关技术，设计并实现了软硬件结合的各类物联网智能系统共计7个项目（见表3）。
3.2 拓展实践
本课程的学生可参加“Tridium大学计划认证测试”，考取全球认证编号证书，该证书在物联网企业中具有较高的认可度，对择业具有一定帮助。2021年秋季学期共2/3的学生选择参加测试，其中有71.4%的学生通过测试，获得Level 1（APAC）认证证书，为将来从事相关技术工作奠定了良好基础。
此外，部分学生利用课程平台参加校内创新项目与学科竞赛，基于Niagara在智慧养老、低碳节能、化工安全等领域开展研究，其竞赛作品曾获2021年全国大学生物联网设计竞赛华中及西南赛区二等奖、2022年中国大学生计算机设计大赛重庆市三等奖。
4 结 语
课程实现物联网技术与大数据技术的交叉融合的实践教学案例，学生可从硬件连接、数据采集、信息传输、数据处理与分析、智能决策等环节深入学习完整的物联网感知—网络—应用三层架构。通过课程教学与课外实践，取得初步成效，培养了学生基于物联网大数据的领域融合与应用创新能力，提升了学生解决工程问题的实践能力。
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基金项目：教育部第二批新工科研究与实践项目“深度融合三创能力提升的计算机类专业培养体系探索与实践”（E-JSJRJ20201335）；重庆大学教育教学改革研究项目“聚焦物联网工程一流人才培养的大数据应用创新实践教学探索”（2021S22）。
第一作者简介：唐小丰，女，重庆大学实验师，研究方向为物联网、大数据分析，tangxf@cqu.edu.cn。
引文格式：唐小丰，钟 将，冯 永，等. 新工科背景下物联网大数据应用创新实践课程设计与实践探索[J].计算机教育,2023(3)：33-38.
转自：“计算机教育”微信公众号
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