依托产业学院的物联网专业实验室设计与建设

张银巧

(上海震旦职业学院 智能工程学院，上海 201908)

自《国务院办公厅关于深化产教融合的若干意见》(国办发〔2017〕95号)印发以来，产教融合是当前教育部力推的一种教学模式，特别是教育部办公厅、工业和信息化部办公厅发布的《现代产业学院建设指南(试行)》(教高厅函〔2020〕16号)中提出了产业学院建设目标。上海震旦职业学院物联网应用技术专业作为国家级的骨干专业，在实训基地建设方面具备一定的经验，智能工程学院在以往办学的基础上与专业相关企业签署了共建产业学院的协议，随着新技术的不断发展更新，关于物联网应用技术实训基地的建设也处于不断探索和升级改造中。结合物联网的前沿技术、专业课程开设情况、国内同类一流院校物联网相关专业实训基地的建设情况、上海震旦职业学院在实训基地建设方面的宝贵经验，文章对如何依托产业学院进行物联网应用技术专业实验室设计与建设进行了论述。

1.1 物联网的定义

物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。[1]

1.2 我国物联网高校研究史

自2009年8月温家宝总理视察无锡时,提出要在无锡建立“感知中国”中心以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。[2]

物联网在中国高校的研究，起初的聚焦点在南京邮电大学。[2]江南大学为进一步整合相关学科资源，推动相关学科跨越式发展，提升战略性新兴产业的人才培养与科学研究水平，服务物联网产业发展，江南大学信息工程学院和江南大学通信与控制工程学院合并组建成立“物联网工程学院”，也是全国第一个物联网工程学院。

1.3 物联网技术

物联网的技术主要涉及射频识别技术(RFID)、传感器技术、无线传感网、无线通信、光通信、计算机控制、多媒体、计算机网络、软件开发、电子及自动化、嵌入式系统技术、纳米技术、智能技术等。[3]

实训室的建设以开设课程、培养学生技术技能为目的，实训室设计和建设需综合考虑师资配备情况、生源量、人才培养方案、课程进度表等因素。建设过程还应综合考虑工业化和信息化的深度融合，在国家“物联网十二五规划”中，提到了“企业信息化，信息条码化”，文章重点论述物联网实训室的建设，课程开设只作为论述实训室建设的基础，文中提到的课程远多于实际开设的课程，高校可视自身情况有选择地参考。

2.1 公共基础课

因高校公共基础课课程多数由教务处统一指定，二级学院或院系微调其中的1～2门课，物联网专业在公选课中通常会涉及到“信息技术基础”“多媒体应用技术”“办公自动化高级应用”“物联网概论”“人工智能导论”等。

2.2 专业基础课(必修)

结合调研的院校，必修的专业基础课通常会包含1～2门的程序设计，如“C程序语言设计”(某些院校可能会开设C#)、“Java程序语言设计”“物联网技术基础”“物联网硬件基础”“计算机网络”等。

2.3 专业基础课(选修)

关于专业基础课的选修部分，可多设置些和前沿科技相关的基础课程，当前物联网和人工智能、大数据、云计算、通信、计算机等息息相关，可开设“算法设计”“数据分析和挖掘”“计算机组装与维护”“单片机技术”“Linux操作系统”“K8S和Docker”等。

2.4 专业课(必修)

专业必修课是一个专业的核心，专业课的设置需综合考量学生自身接受能力、师资配备、实验条件、课程标准等多方面因素，专业必修课的选择更需结合专业特点选取核心课程。物联网的核心技术一般包括“RFID应用技术”“嵌入式系统技术”“无线传感网应用技术”“物联网网络安全”“数据库应用技术”“Android移动开发”“Python人工智能开发”“物联网综合布线”“物联网应用软件开发”“物联网行业应用设计”“物联网项目规划与实施”等。

2.5 专业课(选修)

专业选修课在必修课的基础上进行补充和知识拓展，建议选取以下2～3门课程列入专业选修课的范围。“智能家居应用”“微信小程序开发”“新基建(5G引领数字经济)”“云原生”等。

2.6 专业实践课

实践课程和实验室配备、产业学院、实习基地的关系密切，实践课程的教学质量直接关系到工科学生技能应用能力的强弱。在校期间，统筹安排的专业实践课通常包括192学时的“八周职业技能实训”、552学时的“顶岗实习”、216学时的“毕业实践总结/毕业设计”。

由于物联网开启了万物互联的新模式，将物联网技术和高校已有的专业联系起来，主要涉及到计算机科学类、人工智能类、大数据技术类、云计算类、电子信息类、工业控制类、遥感与遥测类、通信类、电子商务类等。与物联网应用相关的专业也不胜枚举，如建筑工程、土木工程、交通运输与物流、农林农业、环境环保等。综上所述，物联网专业课程的设计很难千篇一律，文章重点关注了通用的核心技术课程，高校可视本校物联网专业的侧重点，有选择地参考文中提及的课程。

说明：建议参照各高校人才培养方案的意见进行专业课程设计，进而指导实验室设计和建设，参照内容主要涉及教学周数，在校的总学分，专业课程的学分总数、总学时及分配情况，实践性课程的教学课时。以上海震旦职业学院为例，每学期20周，其中“教学周”17周。各专业三学年总学分约为140学分(第一学年47学分，第二学年47学分，第三学年46学分)，总学时数为2500～2800，周学时控制在24学时以内(第1、2学期可安排26学时)。实践性教学课时原则上要占总课时数50%以上。公共课41学分，专业类课程99学分。

通过物联网的定义、物联网高校的研究发展史、物联网的技术、物联网课程开设情况，可以看出高校物联网专业实验室的设计与建设将直接关系到物联网人才培养的质量。因物联网技术广而新，不管是从场地、资金、技术、师资配备，还是从实用性、市场化、技术创新、成果转化，物联网实验室的设计和建设仅靠高校难以做到一流的水平，需探索出一套符合时代发展需求的产学研共建方案为我国物联网人才培养战略方案添砖加瓦。

2011年4月，长安大学为加快建设特色鲜明的大学，推动陕西省(国家物联网中心)相关学科跨越式发展，推动地方经济，服务物联网产业发展，长安大学和西安浐灞生态区共建“长安大学科技园”，也是全国第一个拥有直接服务于物联网板块的国家级大学科技园。

本小节从依托产业学院角度，从3个层次来阐述物联网专业实验室设计与建设。实训器材配备的套数以1个班40个学生测算。

3.1 教学型实验环境

基本实验环境是指能满足日常教学需要，符合人才培养方案和课程标准的实验室配置。也就是教学基础性实验环境，目的是训练学生的基本专业操作技能，同时也为学生参加一系列技能型证书认证服务。

3.1.1 校内物联网基础实训室1间

通用型硬件：40个机位，配置46台品牌高配电脑，建议按学生数增配4台留备用。电脑配置参数参考：i7处理器-12700F、主频2.1G、内存32G、1TB固态+1TB机械、GTX1660 SUPER 6G独显。鼠标、键盘、话筒、摄像头等辅材。

教学一体机、投影仪和幕布、白板或黑板。

教室机柜，路由器、交换机等保障上下行网络不低于100Mbps。费用预算75万元(含桌椅、布线等)。

通用型软件：操作系统Windows 10、office办公软件(推荐版本office 2016)、教学管理软件(如极域电子教室系统)、录屏软件、格式工厂、驱动精灵、话筒和摄像头等驱动软件。

专业基础型硬件：万用表45套、面包板60套、电子元器件(如不同规格的电阻、电容、led、三极管、继电器、电位器等)套盒100套、电络铁(含焊锡、面罩)50套、不同规格的导线、杜邦线60套、不同功能的传感器60套(约30种)、auduino uno开发板套件50套、示波器25台、扫频仪10台。费用预算35万。

专业型软件：Multisim、arduino-windows、CH340、PhotoShop2018 CC、Animate CC、Dreamweaver CC。

可承担“信息技术基础”“多媒体应用技术”“办公自动化高级应用”“物联网概论”“人工智能导论”“物联网技术基础”“物联网硬件基础”等实训。

3.1.2 校内物联网关键技术实训室1间

通用型硬件：40个机位，配置46台品牌高配电脑，建议按生源数增配4台留备用。电脑配置参数参考：i7处理器-12700F、主频2.1G、内存32G、1TB固态+1TB机械、GTX1660 SUPER 6G独显。鼠标、键盘、话筒、摄像头等辅材。

教学一体机、投影仪、幕布、白板或黑板、白板笔或粉笔、板擦。

教室机柜、路由器、交换机等保障上下行网络不低于100Mbps。费用预算80万元(含桌椅、硬件设备操作台、布线等)。

通用型软件：操作系统Windows 10、office办公软件(推荐版本office 2016)，VMware Workstation Pro、Unbuntu系统。

教学管理软件(如极域电子教室系统)、录屏软件、格式工厂、驱动精灵、话筒和摄像头等驱动软件。

专业必备型硬件：STM32系列开发主板50套(含电源线、J-Link下载器)、主从Zigbee各50套、wifi模块50套、Lora模块50套、STM32的配置板50套、PM2.5等一系列传感模块50套、和STM32配套的按钮助手50套、语音识别模块50套、A9网关50套、继电器模块50套、直流电机模块50套、步进电机模块50套、风扇50个、灯泡50个。低频/高频/超高频/微波模块各50套、配套的射频卡50套、ZigBee开发板50块、SmartRF04EB仿真器50套。[4]费用预算200万元。

专业必备型软件：Python+Jupter Notebook(可以是pycharm)或者Anaconda、Cisco Packet Tracer模拟仿真软件、华清远见模拟仿真软件、Visual Studio开发环境、JDK开发环境、Android Studio开发环境、MySQL开发环境、Keil uVision5、串口助手、USB转232、J-Link下载器驱动、IAR集成开发环境、驱动精灵。

可承担“C程序语言设计”(某些院校可能会开设C#)、“Java程序语言设计”“计算机网络”“RFID应用技术”“嵌入式系统技术”“无线传感网应用技术”“物联网网络安全”“数据库应用技术”“Android移动开发”“Python人工智能”等实训。

3.1.3 校内物联网综合实训室1间

硬件：网络机柜20套、二层交换机20台、三层交换机10套、路由器20台、网线若干、光纤若干、法兰盘若干、电源线若干、能正常工作的二手电脑42套、搭建1～2台服务器、走线架41套(含物联网布线常用辅材，如五类/超五类线、水晶头、插座(盒)、跳线、适配器、轧带等)。费用预算20万。

可承担“物联网综合布线”“计算机组装与维护”等实训。

3.1.4 校内智能家居样板间1间

通用硬件：20个机位：配置20台品牌高配电脑，电脑配置参数参考：i7处理器-12700F、主频2.1G、内存32G、1TB固态+1TB机械、GTX1660 SUPER 6G独显。费用预算20万。

通用型软件：操作系统Windows 10、office办公软件(推荐版本office 2016)。

样板间软硬件：样板间台面20套，配备总电源控制室、门禁系统、灯光系统、排风扇系统、报警系统、电动窗帘系统、环境监测系统、红外遥控系统、网关。费用预算30万。

可承担“智能家居应用系统实训”“物联网行业应用设计”“物联网项目规划与实施”等实训。

3.1.5 依托产业学院共建虚拟仿真实训基地1个

依据《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》(教成司函〔2020〕26号)、教育部科技发展中心发布的《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》，职业院校的虚拟仿真基地可采用“校内—校外”“仿真—实操”“讲授—训练”等结合的方式，本着“车间—教室”“学生—学徒”“作品—产品”等合一的方式建设虚拟仿真实训基地。

通用硬件要求：计算机硬件配置要求独立显卡、4G显存、主频4核、内存8GB、硬盘容量500GB。

实训基地硬件设施建设：包括但不限于AR互动展示台(1台)、虚拟翻书体验台(1台)、AR眼镜辅助维修设备(2台)、VR协同作业体验设备(1台)、虚实一体数字孪生体验设备(1台)、头盔沉浸式虚拟仿真教学设备(30套)、桌面虚拟仿真实训设备(30套)等(建议产业学院参与搭建)。

软件方面：根据开设的课程，做好虚拟仿真实训项目软件的开发(建议产业学院共同参与开发)。可参照国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上的实验，进行物联网综合设计型实验、开发，如“智能温室大棚物联网系统虚拟仿真实验”，仿真实验可涉及物联网基础性实验、关键技术、综合实验、物联网垂直行业。

本项目以6门实践课30个虚拟仿真实验为参考基数，费用预算300万元。

可承担“智能家居应用”“新基建(5G引领数字经济)”“云原生”“物联网行业应用设计”“物联网项目规划与实施”等实训。

3.1.6 实习实训基地若干个

根据《职业学校学生实习管理规定》(教职成〔2021〕4号)，开展认识实习、岗位实习。院校选取实习实训基地应当实地考察评估形成书面报告。考察内容应当包括：单位资质、诚信状况、管理水平、实习岗位性质和内容、工作时间、工作环境、生活环境以及健康保障、安全防护等。实习单位名单须经校级党组织会议研究确定后对外公开。[5]

年度可由产业学院和学校联合举办“校企联盟大会”，拓宽学生实习渠道和就业面。

上海震旦职业学院物联网专业已建立的长期实习合作企业8个，其中教育科技有限公司2个，工作内容涉及到教学软硬件开发、教学资源开发、师资培训等项目内容；
网络科技公司3个，工作内容涉及到网络设备的维护、网络环境的测试等；
汽车电子研发类1个，工作内容主要涉及到传感网、嵌入式方面；
大数据公司2个，工作内容涉及到数据标签、数据挖掘、数据清洗、大数据维护平台开发等。

在实习实训基地，学生可亲临企业现场，真实地进行业务训练。如教育科技公司，公司以研发教育教学类项目为主，方向包括传感网开发、嵌入式开发、云计算等，工作方向会包含教学用的PPT制作、文档的编写、项目化代码调试、硬件下载、视频制作、售后支持；
再如网络科技公司，公司以网络维护为主，平时将涉及到带着路由器、交换机、光纤、法兰盘等网络设备或辅材去客户现场安装、调试，虽然看上去工作简单，但需要在学校学习的知识基础上进行灵活应用、现场实战，除了一般性的维护外，还需要了解客户的组网架构、设置可以为客户出具组网解决方案。

可承担“八周职业技能实训”“参观实习”“顶岗实习”“毕业实践总结/毕业设计”等实训。

3.2 建设技能提升型实验室

基于教师科研项目及物联网相关比赛活动而设立的综合性实训室，可为优秀师生提供技术技能提升训练型实验环境。

技能提升型实验室需配备常规的电脑、训练用的硬件，安装对应的软件，还需要具备一定量的辅材，包括物联网学生常用的电子元器件、测试工具。除了常规的配置外，需统一配备打印机、扫描仪、投影仪等。

3.2.1 校内教科研实验室1间

硬件配备：赛普拉斯PSoC1&3&5 10套，树莓派全系列5套、ARM cortex-M4内核的主板5块、通信协议模块(如Zigbee、Wi-Fi、蓝牙、LoRa)各5套、分行业在市面上流行的传感器各5套，麒麟座开发板V3.2 5套，物联网实训套件5套、智能抄表系列(如智能电表、智能水表、智能燃气表等)各5套、智慧停车地磁5套等。费用预算20万。

软件方面：IBM云平台(可选择其他云平台，这里主要考虑到IBM云平台是开源)、GNU Radio 是免费的软件开发工具套件，钉钉宜搭低代码开发模块。

校内的教科研实验室建设除了考虑教学拔高的功能外，还将结合主流的考证的需求，配置高水平证书考核所需的相关软硬件，为提高考证通过率添砖加瓦。

3.2.2 产业学院共建科研基地1个

因物联网关联技术广，为满足教师更好地开展科研项目，可就教科研项目本身，在产业学院推动下，选择关联度高的龙头企业搭建研究环境，主要涉及到网络安全、5G通信、大数据、人工智能、微服务、云计算、DevOps敏捷化开发等。基地除了配置通用的软硬件设施，更需要具备综合项目化设备和具体的实践操作基地。

根据基地承载的具体功能设计实践或科研项目，项目出具了项目的总体介绍和方案、项目实施的实验指导书、项目的关键技术说明。

下面以智慧路灯物联网项目为例阐述产业学院共建科研基地的建设标准，供相关项目参考。

智慧路灯硬件方面配备：5～10个智慧路灯杆、智能LED灯、传感器、摄像头等；
智慧路灯软硬件协同方面配置：控制系统、传输系统、维护系统。

又如若基地承建的系科研项目，假设以当前智慧化平台建设为主，科研项目系数字化教学评价。众所周知，技术的发展革新，数字化教学已然成了一种潮流和趋势，数字化打破了教学资源共享不畅、数据分析不客观等问题。借助物联网技术，可以实现对人员、数据、资源的互通和智慧管理，可以使教学评价更客观。产业学院建设该平台时则需满足基本的平台搭建，还需要设计教学评价量表、收集课堂教学信息、学生信息、反馈意见等综合考量评价维度。直至平台的研发、项目测试、项目结题等。这其中将涉及到软件开发、软件测试、软件交付等全流程，学生如有幸参与类似平台的开发，将能较好地提升项目开发能力。

除此之外，当前流行的云计算也可以作为共建基地推进。

基地可视承载的功能进行研发建设，可承担“算法设计”“微信小程序开发”“数据分析和挖掘”“单片机技术”“Linux操作系统”“K8S和Docker技术”等课程。

3.3 创新型实验环境

依托产业学院建设创新型实验室，创新型实验环境以可满足物联网专业师生自主设计的创新性实验为目的，可以和国内外物联网不同方向的龙头企业一起，开发一套实验平台，例如：以电子商务平台为主，分析主流电子商务平台的开发模型，以5G通信、网络互连、移动互联专业知识为方向。实验室以5G通信、网络互连知识、业务运营、业务开发、业务维护为师生提供开发环境、开发案例库，师生可在原有的实验平台设计基础上进一步面向行业、有针对性地进行服务端或移动端开发。[6-9]

创新型实验室可参照近五年国家或各省份组织的职业技能大赛物联网应用技术赛项、网络安全赛项、系统集成赛项等多个相似专业设计。

以上海地区的近几年物联网赛项为例，创新型实验室需配置10台高配置电脑；
配备麒麟座V3.2开发板，开发板除了标准版、视频版、4G版还有NB-IoT版，以比赛的配置标准进行配置；
配置实验开发箱套件5套；
同时根据需求开通虚拟仿真软件的使用权限。

可承担“物联网行业规划和应用”“物联网应用软件开发”“毕业设计”等。

依托产业学院建设的一流的物联网专业实验室不仅满足基本的教育教学功能，还将为师生的技能拓展、创新能力培养服务。硬件设施的投入和使用将有利于提升工科学生的动手实践能力，将基础知识、理论知识灵活地运用到实践当中。通过产业学院共建的方式，在实验室设计与建设过程中充分考虑到师资、理实、产学等因素，将极大地提升教学质量，物联网学生毕业即可就业，实现和市场的无缝衔接。[10-12]

同时，物联网实验室建设经验可推广到其他工科专业，为相似相近专业实验室建设提供了参考。