产学合作协同育人教学内容和课程体系改革项目申报书-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

2023年美丽软件科技有限公司教育部产学合作协同育人项目申请书项目名称：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负责人：联系电话：工作邮箱：学校名称：通信地址：二○二三年七月制填表说明(1)全日制本科高校在职教师或在校学生；(2)原则上不接受之前已获得过同类项目资助的重复2.有关项目内容、具体要求和说明请参考项目申报指3.项目负责人填写的内容由所在单位负责审核，所填内容必须真实、可靠。4.申请书由项目负责人填写并手写签名，报送所在高校主管部门审查、签署意见并盖章后，将扫描文件上传到项目平台()。项目概况(单选)项目负责人(主要教学及科研工作)获得蓝桥杯软件设计大赛省赛二等奖2020.10操作系统慕课设计和制作的探究2024.6疫情下教师在线教学能力提升的探究项目主要成员(不含项目负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。本次项目的实施为后续企业与高校的合作搭建了平台，具有桥梁的作用，项目实施的意义较大。2.项目培训方式：本项目培训的方式更加多元化，采用线上线下、理论+实践相结合的培训方式。大数据分析相关师资培训研议报告及大数据分析技术相关学习资料等，。在进行线下培训时，采用理论+实践的培训方式，不仅要注重理论知识，还要注重实战锻炼，在实学习成效。为了提高教师的学习效率，以及更好地掌握教师培训情况，本项目采用以任务为导向，将培训内容分解成每天的学习任务，最后以学习日志和课程设计的形式提交。除进行线下培训外，还可以带领高校教师参观企业，组织专任教师去企业顶中去。项目实施的途径和方式更加多元化，更具有趣味性，可以训。3.项目培训内容：本项目实施目的是提高教师专业技能、教学能力和课程建设水平。本项目对教师专业技能的培训更注重教师实践能力的提升，培训内容不拘泥于课本理论，侧重于大数据分析技术在企业中的实际应用。通过实际项目演练，加深教师对所学知识点的理解和掌握，使得教师通过培训达到大数据专业的能力要求。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+JACE8000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，JACE8000是一款嵌入式物联网控制引擎及服务器平台，Niagara+JACE8000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+JACE8000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+JACE8000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+JACE8000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。通过本课题的研究，力求达到以下预期目标：（1）对区域代表性企业进行调查走访，通过调查结果分析得到围绕软件工程专业人才培养方案要求及毕业要求的解决复杂工程问题的创新能力需求报告；（2）校企双方教师尝试在嵌入式核心课程的实践教学中将OBE教学模式进行应用，包括共同进行项目选择、案例设计、场景设计及实施过程；（3）校企双方教师在课程设计中加入师生协同创新，制定过程化考核机制，完善软件工程专业课程体系；（4）形成带有实践效果的应用研究报告；（5）发表教学改革论文1-2篇。2023年8月-2023年1月：开展性工科产教融合、校企合作模式相关外政策及文献的整理，并对相关文献和法规进行研究探索，深入理解国家对新工科专业人才需求的具体标准和方向，并以此为基础对国内知名高校新工科专业建设现状进行调研，收集整理相关信息资料，通过学术交流等方式与领头高校专业负责人和领域专家进行沟通探讨，找到新工科专业与优质企业进行产教融合、校企合作的型模式，新标准。2024年2月-2024年7月：对现有“新工科”专业校企联合培养模式进行深入分析，进一步明确校企合作下的“新工科”专业办学定位，调整课程体系架构、学分设置、课程设置，实践实习课程内容，制定出一套更加符合国家对“新工科”专业人才在交叉学科领域中实际工作能力胜任要求的实用型课程体系。2024年8月-2025年1月：与企业协商签订“双师型”教师培养计划，并将双师型教学引入专业课程教学体系，在学生专业学习、政治理论学习、思想建设和实践学习中发挥重要作用。2025年2月-2025年4月：完善校企合作育人模式下的实践创新教学体系，一方面，利用学校和企业资源，帮助学生理论结合实践完成实习实践学习计划；另一方面，同时开展大学生科研训练计划、大学生科研活动、大学生专业学科竞赛、大学生创业知培训和大赛、实验教学手段更新与改革和实验室开放等活动。2