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“智慧工学院”——工科专业实践性教学创新模式探索教学成果

1、             原有模式弊端

实践性教学是高校工科专业教学过程重要环节,实践性环节经过多年的发展演变,目前大多以专业成套的实验器材为主,以电子信息类的为例,为了学生做实验及老师组织实验的方便,衍生出各类实验箱,实验台。这些实验箱,实验台的产生的确为工科实验室的发展起到一定促进作用,也方便了管理。但是通过对学生经过这些实践环节过程的培训后的研究发现,大多数学生可以通过实验箱及实验指导书迅速完成实践环节的步骤,并顺利完成实验报告,但是,实验过程的千遍一律,搭积木式的实验过程,并没有使学生真正领会实验的意义,很多学生甚至被实验箱误导,认为真实的应用就是在实验箱,或实验台的环境中完成。例如,很多使用嵌入式系统实验箱的学生在课程结束甚至毕业工作后,仍然会认为,嵌入式系统就是当时课上展示的那个实验箱的样子。

通常实验室使用的实验箱

学生实验

因此,有必要对现有实验室的实验环境及实验模式进行总结及反省,目前高校工科专业的实践性环节就行温室一样,提供了全套的实验流程及完美的实验环境,减少了教师组织实验的麻烦,也让学生过于地轻松完成实践过程,不要让高校工科专业的实践性环节目前的这种温室状态慢慢破坏了原有工科专业实践性教学环节的作用,变成一种摆设。

2、             新模式思路及实施

华侨大学工学院目前以物联网工程专业为主导发展方向,在建院初期就提出以高标准来建设工学院的实验室,2011年,学院提出将物联网技术直接应用于各实验室建设过程,并通过实验室设备直接实景式布置,将整个工学院大楼打造成一个大型实验室,实施“智慧工学院”计划,目的是让这些实验设备既可以作为本科生各学科的实践性环节,也同时将整个工学院大楼用物联网技术武装起来,学生可以在实景中进行实验,完全不受实验箱的牵绊。整体规划是经过若干年建设,将建成物联网化、智能化程度高,集学生实验、课程设计、实训、教师科研一体的有关物联网最近技术的实验教学示范平台。利用专业优势,突出物联网工程技术的先进性和实用性,实现实验教学理念先进、内容科学、实验教材系统配套、实验队伍一流、实验室设备系统精良目标;建设特点突出、示范价值高、特色鲜明的综合型、应用型实验教学中心。实验室管理充分利用物联网最新技术,提高实验管理的水平和效率;建设“智慧工学院”,进入大楼就相当进入实验室,强化物联网技术的切实体验。同时也是一个向外界展示专业技术的平台。实验项目可以根据实际应用无限拓展,可以完成个课程实验教学大纲的基础实验,也可以发挥学生的主观能动性,创新性,进行课程实践,毕业设计甚至直接进行应用开发。同时,“智慧工学院”系统的形成,也可以作为一个展示系统,直观的展示物联网技术的本质,普及“物联网”基本知识。

“智慧工学院”项目从2011年构思并启动建设,至2016年硬件基础设施的建设基本完工,系统软件的测试平台已经部署,目前处于试用阶段。通过整个项目的建设过程,带动了一批教学成果和科研成果的形成。

智慧工学院系统示意图

2011年,工学院组织实施中央财政资助项目“物联网技术综合实验室”,总投资200万左右,包括无线传感器网络,射频识别系统,无线传感器定位系统,智能家居系统,高清视频系统等项目,其中智能家居系统,无线传感器定位系统即以实景的方式布设在实验室内,学生在实验室里可以直接体验远程控制窗帘,温湿度采集,光照度采集,烟雾探测,人体探测及室内定位等物联网主要技术,也可以直接与实践课程全面结合,进行拓展式课程实践。

物联网技术综合实验室

2013年,工学院组织实施中央财政资助项目“云计算教学平台”,包括后期UPS电源总投资200万左右,主要建设服务器等计算资源,同时采购专用HADOOP服务器,为后续工学院进一步研究针对物联网发展所需的大数据应用打好基础。

云计算实验室

2014年,工学院进一步提出“物联网技术实景教学平台”的理念,真正实现了物联网技术融入工学院实验大楼的监控及日常管理,全面实施以无线传感器网络布设至学院大部分实验室,高清摄像头布设至学院重点建设的实验室,实验中心的设备仪器启用RFID技术进行管理,使用RFID电子标签标识,除了方便平时出入库或资产清查以外,同时每个实验室出入口均配备固定式RFID阅读器若干个,用以监控实验室内部设备的进出情况,凡有未经授权被移出实验室的均会产生报警信息,今后或可直接将信息推送至实验室管理员的手机。大部分实验室采用智能门禁系统,实现信息化管理,部分窗户,电源及空调设备也将可通过网络监控,发生异常可以及时通过网络终端进行控制,同时配备高清摄像头,随时可以查看实验室状态。启用智能光伏技术实现学院大楼夜景照明。同时整个系统的后台支撑服务提供从实验室预约到上交实验报告,远程指导实验过程,实验室用电,照明及设备的远程管理等物联网技术的基础设施系统建设任务,初步实现了“智慧工学院”的设想。该项目再次投入220万左右的中央财政资助资金,并且已经建成验收,投入试运行。

物联网技术实景教学系统

2015年,为了补充物联网技术在工业领域的应用实验,工学院又实施了中央财政资助项目“物联网技术综合实训平台”,该平台通过采购工业机器人套件,及各类配套实验设备,并努力将这批设备的使用与原有实景平台相结合。今后,还将围绕着原有云计算平台,使新建设的实验室项目都能与原有系统融为一体。

3、             新模式的先进性

将本单位专业方向融入到实际的实验室工作管理及学生实践活动中,在工科专业实验室建设历史上是有创新意义的,具有一定的先进性。

首先,学生的实践环节将在实际的应用中来实施,这对学生真正理解课堂教学中无法直观表达的概念具有实际意义。学生也不会被那些实验箱或实验台的实践环节迷惑,学生在实践环节中学到的知识可以直接运用到实际中,这对于工科专业的学生来讲具有相当大的使用价值,可大大减少学生毕业后的培训时间。也可以很好的与工程教育认证对教学过程的实践环节的需求相适应。

其次,实验室的教学,维护等管理工作可以利用这些实验设备来实现信息化,物联网化,充分地利用了这些实验设备,提高利用率,降低闲置率。同时还让整个管理工作富含技术含量,提高了工作效率,改变了实验室管理的模式,具有可推广的价值。

第三,实验室设备实景化的布置,有利于将物联网技术实体化,方便向初学者或非专业人士展示物联网技术的真正意涵,便于物联网技术的普及,也是对学院学科方向的一种展示。具有良好的宣传作用。

实验室综合信息管理平台

4、             依托各级各类项目

省级课题:

(1)       福建省科技厅科技创新平台——物联网云计算平台,250万,已验收,郑力新。

(2)       工业智能化系统福建省教育厅工程研究中心,郑力新。项目实施中。

(3)       云计算环境下支持隐私保护的DRM关键技术研究,福建省科技厅科技计划项目,张维纬。

另有横向课题,地厅级及其他类型项目十余项。

物联网云计算平台(牌匾)

工程研究中心(牌匾)

5、             显著的成果成效

通过“智慧工学院”的建设,工学院的实践环节得到有力充实,学生的实践课程实用性明显增强,学生对实践课的兴趣明显增加,学生甚至可以通过远程来接收实验指导。同时有力的带动了学生课外创新实践及活跃了教师的教学科研活动。

学生获奖照片

学生科技活动

该项目也吸引力省内多个高校相关专业,兄弟院系及相关企事业代为的人员来访参观,均给予较高评价。

201511月,北大总裁班的企业家到访工学院,参观了“智慧工学院项目”并举行座谈。

20154月,福建江夏学院电子信息科学学院到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,对工学院实验室的规划与建设表示赞赏。

201510月,广东伯朗特公司和华成公司负责人一行参观了“智慧工学院”项目,并与工学院达成合作意向。

201510月,泉州市洛江区工商联,科技局领导及企业代表一行到访工学院,并参观“智慧工学院”项目,对工学院将物联网技术应用于实践教学表示浓厚兴趣。

201511月,马来西亚款柔中学班主任考察团一行到访工学院,听取智慧工学院项目建设及使用情况,并参观部分实验室及设备演示。,深切体会了物联网技术的魅力

20153月,挪威TOMRA公司技术总监一行到访工学院,参观了“智慧工学院”项目建设情况并表达了愿意通过项目合作的方式来共同搭建研发平台的意愿。

20159月,泉州师范学院数学与计算机科学学院院长一行到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,并对工学院在实验室建设方面的思路表示赞赏。

20151月,泉州市微柏机器人有限公司总经理一行到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,并表达了进行科研合作的意愿。

201510月,特步(中国)信息技术部总经理一行到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,并表达了进行科研合作的意愿。

201510月,无锡信捷电气股份有限公司到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,并向工学院捐赠了部分仪器设备,支持工学院与该企业合作培养人才的项目。

20168月,武警广州某学院领导一行到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,并与工学院相关人员深入探讨物联网工程专业的办学经验。

20168月,“中国寻根之旅”印尼学生代表团到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,深切体会物联网技术的魅力。

20155月,中云投资股份有限公司到访工学院,参观了“智慧工学院”项目,并表达了与工学院进行开发合作的意愿。

另外“智慧工学院”的建设也引起部分媒体的注意,并给予报道。

国内知名媒体中评社以大篇幅报道了“智慧工学院”,新闻网址如下:

http://bj.crntt.com/doc/1037/7/8/9/103778931.html?coluid=7&kindid=0&docid=103778931&mdate=0602203603

华侨大学官方网站也在头版头条报道了“智慧工学院”的建设情况。

2016年,根据福建省教育厅“闽高【201624号”文件,物联网工程专业获批“福建省高等学校服务产业特色专业”立项建设

智慧工学院项目的建设也激发了学生的创新创意热情,更加积极主动的参加学校组织的各类赛事及创新创业训练计划,并取得佳绩。

2011年至今,连续参加全省及全国的大学生电子设计竞赛,获得奖项如下表所示:

2011年全国大学生数学建模竞赛

刘倩倩等

张育钊

省一等奖

2011年全国大学生电子设计竞赛

梁鹏等

张育钊

省三等奖

2011年全国大学生电子设计竞赛

廖炫等

张育钊

省三等奖

2011年全国大学生电子设计竞赛

赵爽等

张育钊

省三等奖

2012年福建省大学生电子设计竞赛

范文娟 张星 郭俊

张育钊

省三等奖

2013年全国大学生电子设计大赛

章亮   李兴勇 郭伟鹏

张育钊

省二等奖

2013年全国大学生电子设计大赛

梁宵   杨华裕 杨锋铭

张育钊

省三等奖

2013年全国大学生电子设计大赛

李熙泽   官静雯 黎丽

张育钊

省三等奖

2014年福建省大学生电子设计竞赛

康佳静   孙廷杰 黄祖辉

张育钊

省二等奖

2014年福建省大学生电子设计竞赛

黄璇   黄祎靖 杨惠婷

张育钊

省三等奖

2015年全国大学生电子设计大赛

陈月   傅煜杰 高翔

张育钊

全国二等奖

2015年全国大学生电子设计大赛

郑逸炜   龙红艳 雷烁迪

张维纬

省二等奖

2015年全国大学生电子设计大赛

郑瑞祺   管戈 孙林

黄诚惕

省二等奖

2015年全国大学生电子设计大赛

赖梦清   陈雪冰吴瀚煜

黄诚惕

省三等奖

2015年全国大学生电子设计大赛

杨景松   陈晓玲 袁科

张维纬

省三等奖

2016年福建省大学生电子设计竞赛

郑逸炜   许振利 林露馨

张维纬

省一等奖

2016年福建省大学生电子设计竞赛

刘城烽   张凤婷 刘斌

黄诚惕

省二等奖

2016年福建省大学生电子设计竞赛

杨景松   陈晓玲 袁科

张育钊

省二等奖

2016年福建省大学生电子设计竞赛

李宏达   蒋贤明 程佳

黄诚惕

省二等奖

2016年福建省大学生电子设计竞赛

葛钊成    宗阳 雷烁迪

张育钊

省三等奖

2016年福建省大学生电子设计竞赛

张周全   高兴全 汪凌桢

张维纬

省三等奖

2016年福建省大学生电子设计竞赛

陈金伟    文建 许超达

黄诚惕

省三等奖

学生参加国家级,省级及校级创新创业训练计划立项资助项目如下:

序号

项目名称

学生

指导老师

级别

资助金额

时间

1

基于RFID技术的实验室设备综合智能管理系统的研制与开发

胡娇娇等

王佳斌

国家级

10000

2012

2

无线电力传输研究

曹晓剑等

张育钊

省级

5000

2012

3

智能家居环境监控系统设计

杨楠等

傅心家

省级

5000

2012

4

电动缝纫机自动送料装置

陈扬等

张育钊

校级

5000

2012

5

LED小功率驱动电源设计

江武等

黄诚惕

校级

5000

2012

6

智能花盆

唐伟杰等

黄诚惕

校级

1400

2012

7

基于android的商品搜索软件

陈诚等

王佳斌

校级

5000

2012

8

基于Bootstrapping的新一代网络认证鉴权技术研究

黄倩雯等

乐德广

校级

2200

2012

9

可并行的图像检索技术研究

刘雄雄等

乐德广

校级

5000

2012

10

移动侦测视频联动系统

郑树盛等

王佳斌

国家级

10000

2013

11

太阳能市电智能互补LED室内照明系统研发

吕欣源等

郭震宁

国家级

10000

2013

12

在线预约排号系统及移动终端

张艺耀等

王佳斌

省级

5000

2013

13

适用于北斗授时服务的LED显示屏设计

王杰超等

乐德广

省级

5000

2013

14

智能太阳能手机充电器设计

孙廷杰等

潘书万

校级

5000

2013

15

智能情景灯光控制

林晨等

王佳斌

校级

4600

2013

16

基于LED的手机摇摇棒APP研发

石津津等

傅心家

省级

5000

2014

17

室内可见光通信LED阵列设计

林贞涛

傅玉青

校级

5000

2014

18

基于KNN僵尸网络检测系统设计与实现

范广钰

彭凯

国家级

10000

2015

19

基于蓝牙的电动车电池健康监测APP开发

卢海洋

黄诚惕

校级

5000

2015

20

拉链齿扣距离缺陷检测系统开发

林洋

郑力新

省级

5000

2016

其他获奖奖项如下:

王佳斌老师指导的《E帆易租电动车租赁共享平台》获华侨大学首届“互联网+”创新创业大赛二等奖。

张维纬老师指导的《基于互联网用户行为分析的商务辅助决策系统》获华侨大学首届“互联网+”创新创业大赛二等奖。

彭凯,王佳斌指导的学生参加2016全国大学生物联网设计竞赛,获华南区二等奖。

学院教师实验教学改革立项项目如下:

1、彭凯,福建省中青年教师教育科研项目。 “互联网+”环境下物联网工程专业人才培养模式研究,JZ160084

2、陈丽梅,2012年华侨大学校级实验教学改革与建设课题立项, 基于RFID 技术的实验设备综合智能管理系统的开发与研制

3、洪岚,2015年华侨大学校级实验教学改革与建设课题立项,物联网智能家居实验网关设备改造。

4、傅玉青,2015年华侨大学校级实验教学改革与建设课题立项,信息论与编码技术实验教学仿真平台设计

5、黄诚惕,2015年华侨大学校级实验教学改革与建设课题立项,软件无线电的实验规划、设计以及实验指导书编写

6、赵迪,2016年华侨大学校级实验教学改革与建设课题立项,光纤通信实验指导书编写

学院自编教材讲义如下:

自编实验讲义数量(14册)

《电磁场与微波技术基础实验讲义》;

《通信原理实验讲义》;

《高频电子线路实验讲义》;

《检测与传感器技术》;

《微波与天线实验讲义》;

《信号与系统实验讲义》;

《嵌入式技术实验讲义》;

《单片机原理实验讲义》;

EDA实验讲义》;

《光学与激光实验讲义》;

《光电检测实验讲义》;

《数据通信实验讲义》;

《模拟电子线路实验讲义》;

《电路原理实验讲义》等。

学院教师编撰相关教材并出版投入使用,目前销量1500册左右:

王佳斌、张维纬、黄诚惕主编:《RFID技术及应用》 清华大学出版社出版

学院教师基于该项目申报十余项专利及软件著作权,其中 “一种防儿童丢失的手环 201520008714.7实用新型专利” 201612月获第九届中国国际发明展览会金奖。

学院教师发表的教改论文:

(1)       物联网实景实验教学系统的探索与建设,洪岚,王佳斌,郑力新,《实验技术与管理》2016.11

(2)       Mooc背景下的光电检测技术课程的教学改革思考,潘书万,庄琼云,郑力新,《实验室科学》2017年。

另外,学院教师也在各自领域发表各类专业学术论文150余篇,其中SCIEI收录近30篇。

6、             特色及创新点

“智慧工学院”通过实景化的方式将实验室设备与实验室的管理工作及实践教学环节相结合的方式,努力将实验室建成实验与研发能力突出,实验教学理念先进、内容科学,实验队伍建设水平一流,实验室设备系统精良,运转和利用高效,达到省内领先,国内有一定知名度,在工科综合类实验教学与研发等方面有重要影响,具有突出示范价值、特色鲜明的综合型、应用型实验教学中心。主要创新点就是突出“实景化”实验教学方式。利用物联网技术进行实验室管理,包括实验室教学管理,设备管理,安全管理等方面。系统开放编程接口,为学生提供真实的开发环境。学生可在该系统中进行各类专业实验或各种创新实践。 实景实验室的设计与实施让整个实验中心的大楼成为一个大型的物联网技术的实验室,再通过云计算,大数据等计算资源的整合,既可令人直观感受物联网技术的魅力,可以作为向外界展示的一个平台。

“智慧工学院”本身也是一个大型本科教学实践平台,各相关专业学生均可以通过各种手段直接在智慧工学院中进行实际的物联网技术的实践与实训,把所学的专业知识直接应用于实际的场景,而不是局限在实验室的实验箱或一些模拟的场景,"智慧工学院"通过开放API接口函数可以提供学生针对《物联网技术应用》,《射频识别技术》,《无线传感器网络》,《计算机网络》,《嵌入式系统设计》等本科专业课程的实验,同时也能完成《物联网创新实践》,《无线网实践》,《嵌入式系统实践》的以及学生课外创新实践,挑战杯及各类竞赛提供良好的开放平台,对学生深入理解课堂知识具有无可替代的作用。

通过“智慧工学院”项目建设,利用物联网技术将整个工学院大楼建设成一个智能实验室,使物联网概念具体化,既可以对实验室进行“智慧化”管理,也同时是学生实训的载体,达到展示工科学科内涵,对外展示学校专业特色和风采的作用。在已有较完备的硬件基础上进一步进行软件建设,内涵建设,根据新的形势制定相应的实验室规章制度,改进教学方法,提升实验室利用率,加大实验室开放力度,把中心建成一个促进学院学科建设,促进卓越工程师人才培养的示范基地。实验室和学院融合在一起,从而把工科的理念做到极致,这就是我们对工科实践教学环节新模式的探索。

通过建设智慧工学院,极大增加学生对物联网技术的体验和主动参与机会,让学生一进入大楼,就可以体验或参与设计性实验的过程。例如,光电专业可以参加设计太阳能转化板,为学院提供更高效的夜间照明;信息工程专业的学生可以用WIFI或蓝牙通讯技术,对于实验室的环境数据进行采集和进行短距离对讲;物联网工程的学生可以自己开发手机APP,对学院的视频图像做行为识别的研究等等。在学院大楼,随时随地就可以参加实验体验和实验设计,这种实验模式无疑是一种大胆的改革和创新。