摘要:可穿戴式設備是未來物聯網的重要發展方向,社會上對可穿戴式設備研發人才的需求日益迫切。分析可穿戴式設備研發對技術人才能力的要求,並從教學體系與具體實踐角度探索如何利用基於項目制的工程培養機制,在現有的課程體系內實現面向可穿戴式設備研發領域的人才培養。教學結果表明,依靠融合創新項目與現有教學培養體系的複合機制,可以有效地實現可穿戴式設備研發人才培養的教學目標。
關鍵詞:可穿戴式設備;物聯網;工程化人才培養;實踐教學;教學探索
近年來隨著物聯網技術的飛速發展,智能服裝、智能手環、智能徽章﹑智能紐扣等可穿戴式設備日益得到重視,對可穿戴式設備研發人才的需求越發迫切[1-2]。雖然可穿戴式設備研發領域人才需求量大,就業形勢較好,但是國內各院校普遍缺乏專門針對可穿戴式設備研發的教學規劃和人才培養體系建設,難以完全匹配該行業企業的用人需求。此外在物聯網可穿戴式設備研發中,對人才的工程實踐能力要求較高,需要有較強的創新能力與項目管理能力,這也對該領域的人才培養提出了一定的挑戰。隨著我國大學本科教育中工程化培養模式的不斷完善,日常教學中也逐漸深化對學生實踐動手能力的培養[3-5]。如能將對物聯網可穿戴式設備研發領域的人才需求與大學工程教學的實踐動手能力培養相融合,則有望探索出一條新的與產業結合的培養道路。本文探討了物聯網可穿戴式設備研發人才工程化培養教學體系及相應的方式方法。
一、可穿戴式設備研發對人才技術能力的要求
通過前期對可穿戴式設備行業企業的調研,並結合對往屆畢業生的回訪,了解可穿戴式設備研發領域的人才需求。現階段市場主流可穿戴式設備的特點是結構精簡,開發周期短,與市場需求結合緊密,對成本控制的要求高。可穿戴式設備研發企業既有華為,小米等大型企業,也有一些小微規模的初創公司。與以往大型設備或系統的開發不同,開發人員在可穿戴式設備的研發過程中往往要涉及多方面的工作。甚至在一些研發情境中會出現一位研發人員同時負責多個項目軟硬體的情況,這對其知識結構與工程技術能力的要求更高。
可穿戴式設備研發人員首先應該具有嵌入式系統的堅實基礎。近年來, Nordic , TI , Cy-press等公司先後推出了面向可穿戴式設備,高度功能集成化的嵌人式晶片平臺。這些平臺的結構及開發方法與傳統的嵌入式系統教學中採用的8051平臺有較大不同。可穿戴式設備往往採用低功耗藍牙技術與智慧型手機等移動智能設備連接。而以往在教學中缺乏面向該技術的實踐環節,亦未將通信糾錯編碼技術等相關課程環節與之建立有機聯繫。雖然多數學校的電子信息大類課程中都設置了與Ja-va等有關的課程,部分學校也開設了面向移動端開發的學習內容,但是這些內容與可穿戴式設備研發需求的關聯度不夠,多數Java開發課程也以面向PC端開發為主。此外在實踐教學環節中,學生多以完成課程實驗等形式進行學習及考核,難以滿足對其進行項目開發能力培養的要求。為培養適應蓬勃發展的可穿戴式設備領域研發需求的專門人才,需針對以上問題進行改革。
二、可穿戴式設備研發人才工程化培養教學體系設計
可穿戴式設備是物聯網的重要應用領域，在設計可穿戴式設備研發人才培養的教學體系時,應在兼顧現有物聯網相關課程的基礎上進行差異化的教學內容設置,形成教學內容對可穿戴式工程實踐教學的有序支撐,進而培養學生的相關能力及研發經驗。此外,還應注意到由於物聯網領域涵蓋眾多方向,在教學體系的設計中還應不以犧牲其他物聯網方向的人才培養為前提。由於上述特點,可穿戴式設備研發人才的培養體系設計具有較大的挑戰性。為解決上述問題,我們在教學實踐過程中採用了以創新項目等大學生課題與競賽為指向、物聯網相關課程教學為基礎、實踐類課程為階梯、畢業設計為總結的教學思路。
1．培養對象的選擇
在教學體系設計中,首先可通過導人項目機制來確定可穿戴式設備研發人才培養對象。教師設立基於物聯網可穿戴式系統的大學生創新項目等研究課題,由學生自由選擇或組建面向不同層次可穿戴式系統項目的電子競賽團隊,以有效地選取有志於從事可穿戴式設備研發工作的學生。而依託項目及團隊的模式也具有人員穩定、培養目標明確、人員積極性高等優點,並有助於在較具真實性的研發過程中培養學生的項目操作能力與管理能力。教師擔任對應項目的指導教師,並在之後的培養過程中進行全程指導。
2.教學和項目有機融合的培養模式
完成培養對象的針對性選擇後,即根據培養計劃,在相關課程教學中強化物聯網可穿戴式設備領域的知識。物聯網大類課程包括「物聯網技術」「電路分析」「嵌入式原理」「微機原理」「通信原理」「資訊理論與編碼」「Java程序設計」等。在這些課程日常教學的基礎上,由指導教師明確課堂教學中知識點與前述項目的支撐關係,並從工程的角度落實各知識點的應用邏輯與具體技術。在這一過程中,指導教師還應指導學生通過針對性檢索獲得國內外相關文獻,進而掌握該方向的國內外研究現狀與發展趨勢。在實踐類課程中,鼓勵學生應用項目中學到的知識解決問題。尤其是在創新性實驗或者自選實驗教學部分,指導教師將項目相關的研發內容進行分解,讓學生在課程實驗的環境中完成。在畢業設計環節中,指導教師根據項目完成情況,設定基於項目內容的拓展題目,由學生參照之前的項目積累完成。在體系構成中,形成從依託團隊的選材到工程化拓展訓練的逐層遞進。
三、可穿戴式設備研發人才工程化培養教學的實踐
在教學實踐中,團隊組建依託「大學生創新實驗計劃項目」。根據可穿戴式設備研發人才培養的需求,分別設立用於溫溼度感知的智能手環,低氧監測的智能頭盔和人體運動檢測馬甲3個項目。這3個項目都包含硬體設計與移動端APP設計的內容。依託項目組建3個團隊共計12人,團隊成員的知識與專業背景覆蓋了計算機、自動化,通信與電子領域。在項目申報前,明確團隊的組成與管理結構,並依照團隊成員的知識背景進行任務劃分。項目指導教師即為團隊的指導教師。
1．硬體平臺的構建
為了面向可穿戴式設備在硬體平臺的實際工程需求,在開發中基於Cypress公司推出的面向物聯網應用的PSoC-4可編程片上系統平臺構建硬體結構。PSoC- 4基於ARM 公司的Cortex -MO 型 MCU,並在單晶片內整合了藍牙、UDB 、 CapSense等豐富的開發資源。其結構代表了未來主流的可穿戴式設備晶片平臺。而其開發環境簡單易用,元件功能採用可視化模塊封裝開發模式。其程式語言可以使用C語言和Verilog 語言,可銜接前期基礎課程教學中的對應內容,也可作為學生專業課程實踐的支撐。因此將其作為學生的硬體開發平臺可較好地銜接學生的知識背景與可穿戴式設備企業產品研發的現實需求。
2．人才培養和理論教學的聯繫
在依託課程進行可穿戴式設備開發知識構建方面,可側重於以下兩個方面:
( 1)依託PSoC -4平臺構建其與現有電子通信類課程的聯繫。電子通信類課程包括「電路分析」「嵌入式原理」「天線原理」「通信原理」「資訊理論與編碼」等。指導教師根據相關課程的教學體系,利用PSoC-4平臺引導學生從實踐角度運用UDB等內部模塊,深入了解及設計比較器、PWM、邏輯門電路等數寧電路模塊,用其支撐學生嵌入式C語言編程能力的提高,並強化對應可穿戴式設備的相關知識點。如在「天線原理」的課後大作業中,指導學生設計MIFA等結構的可穿戴式設備天線,學生不僅較好地完成了課程要求的工作,取得了喜人的課程成績,而且深入認知與實踐了可穿戴式天線的設計方法,掌握了可穿戴式設備天線工程設計所需的知識結構。
(2）在「先進電子系統分析與設計」「射頻電子實驗」「Java程序設計上機實驗」等實踐類課程中,依託課程實驗安排,分別將溫溼度感知智能手環中的溫溼度傳感器讀寫部分.低氧監測智能頭盔中的氧氣檢測部分及人體運動檢測馬甲中的陀螺儀讀取部分等內容融入到課程創新實驗中,並由指導教師與任課教師共同協作，強化對應的實驗環節,從工程實現的角度量化實驗考評,提高學生的實踐能力。
3.人才培養和實驗教學的結合
在上機實驗環節,重點設計了針對Android的eclipse平臺Java語言開發,最終以APP的形式作為量化考核指標。當學生完成項目後進人畢業設計環節,指導教師採用指導性內容與自選性題目相結合的方式設定學生的畢業設計題目,將一些在項目中沒有覆蓋的知識點加入到畢業設計環節中,進而完善學生的知識結構。由於項目與課程教學體系的有機融合,學生不僅在學習過程中取得了較好的學習效果及考核成績,而且從理論與實踐角度強化了可穿戴式設備領域的知識結構。
四、教學效果
在面向可穿戴式設備研發人才培養過程中,採用項目機制與課堂教學相融合的方法,通過對學生的日常考察及項目評價,培養對象在以下幾方面有較為突出的優勢。
(1 )學生通過項目進度規劃、項目任務分解、項目工作分配、項目組內合作等項目開展必須經歷的環節,學到了項目相關日常管理的體系步驟,為其將來進入相關企業獨立地從事產品研發打下了一定的基礎。在培養結束後,參與項目的學生都具有一定的獨立完成項目管理工作的能力。
(2)通過將項目中各環節與課程內容有機結合,學生在課程學習過程中獲得了對可穿戴式設備相關知識的深人認知,構建了對應的知識體系,並且在教學實踐過程中體現了相對於其他學生的較高水平的動手能力。尤其是對於一些動手能力較強的學生,項目/課程考評機制的改革更能體現其長處,進而激發了其動手實踐環節的積極性。
(3)融合項目的教學機制解決了以往類似項目開展中項目研究與日常教學脫節的問題。由於項目與課程的相互促進作用,學生的學習熱情高漲,極大地發揮了他們的主觀能動性,進而優化了培養效果。而實踐內容也完善了對應課程的教學評估體系,豐富了其內容與層次性。通過相關的學習,參加可穿戴式設備研發人才培養的12名學生中除2人考取研究生外,其餘10人中有7人進入到了物聯網可穿戴式設備相關領域工作。通過跟蹤調查,用人單位對這些畢業生的工程能力給予好評,他們的崗位薪資也處於同行業較為上遊的水準。
五、結語
近年來,社會上對可穿戴式設備開發設計人才的需求日益迫切。我們通過前期調研,在了解可穿戴式設備開發對人才技術要求的基礎上,進行了可穿戴式設備研發人才工程化培養教學體系設計,並進行了可穿戴式設備研發人才工程化培養實踐。通過教學實踐,在不對現有課程教學體系進行根本性修改的前提下,探索了一條可穿戴式設備研發人才工程化培養的道路,取得了較好的人才培養效果。
參考文獻:
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本文發表在《紡織服裝教育》作者：萬雪芬1,蔣學芹2a,2b.海涵2a,2b( 1.華北科技學院河北省物聯網監控工程技術研究中心 ;2.東華大學a.信息科學與技術學院,b.數位化紡織服裝技術教育部工程研究中心)
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