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摘要：
研究了借助計算思維的定義理念推動物聯網工程教育問題。一方面分析了當前國內高校的物聯網工程教育現狀及原因；另一方面對計算思維的定義進行了分類闡述，認為物聯網工程教育要引入計算思維以發揮其指導優勢。指出具有計算思維的物聯網工程教育的關鍵是培養基于物理空間與信息空間一體化的“想象力”和“實現能力”。最后，給出了培養物聯網工程“實現能力”的方法，具體包括按物聯網理論技術體系展開實踐教學、設計“思考”型課堂、強化物聯網企業的作用。
關鍵詞：
計算思維；物聯網工程；教育；實現能力
2005年，國際電信聯盟(ITU)了一份題為《TheInternetofthings》的年度報告，將物聯網的發展定位為任何時刻、任何地點、任意物體之間互聯和無所不在的網絡以及無所不在的計算[1]。此后，世界各國先后將物聯網作為一項戰略性新興產業大力發展，并將物聯網技術的培養需求滲透到高等院校等教育領域。據統計，我國教育部2010年批設的新增高等學校戰略新興產業本科專業中，物聯網產業相關專業數量高達37個，占新增設總專業數量的26.4%[2]。物聯網工程是我國高校現階段開設的主要物聯網專業之一，覆蓋了計算機、通信、電子、控制技術、信息網絡等多個學科領域，因其廣泛的社會需求和強勁的發展勢頭受到高校和企業的重點關注[3-5]。計算思維(ComputationalThinking)最早是由美國卡內基•梅隆大學的周以真(JeannetteM.Wing)教授于2006年提出，在國內外引起了強烈反響。不僅催生了美國CPARH計劃和CDI計劃，也使得國內高等教育界“九校聯盟(C9)”倡議在高校計算機基礎教學中培養計算思維[6]。在我國，計算思維是當前高校教育界廣為關注的熱點并正在被推進到多種計算機相關學科的教學活動中。本文認為計算思維應該是高等院校所有課堂教學都應該廣泛采用的工具，將計算思維的理念引入物聯網工程專業的教學中將具有顯著的現實意義。綜合社會經濟、文化、科技以及國家發展定位，物聯網工程專業強調注重工程實踐性與應用創新性，計算思維助推物聯網工程教育面臨著兩大挑戰：(1)如何把計算思維真正融入物聯網教學活動并形成整體，將它作為一個問題解決的有效工具切實發揮作用，指導物聯網工程專業的課程內容設置和教學方案設計；(2)如何確定引入計算思維的物聯網工程專業的實踐教學體系與理論技術體系的關系，在確保物聯網工程學科理論體系完整厚實的前提下，探索有效的實踐教學途徑，以增強物聯網學科的工程應用性。本文主要探討如何利用計算思維來指導物聯網工程專業的人才培養教育問題。
一、高校物聯網工程教育現狀及分析
物聯網工程專業是計算機科學與技術、網絡工程、電子技術、信息工程、通信工程及其它邊緣科學交叉滲透、相互融合的基礎上發展起來的一門新型應用型學科。相對于一些傳統的工程學科專業，高校對于新增設的物聯網工程專業在教育培養方面存在很多的不足，具體表現在課程體系不夠健全、師資力量比較匱乏、實驗條件建設不完善，各項教育尚處于探索階段，并因此導致物聯網工程的畢業生實踐動手能力弱、行業應用背景知識缺乏、工程能力不夠、項目經驗不足等問題，嚴重地制約了我國高等院校的物聯網專業的建設發展。經過調查統計，現階段高等院校物聯網工程專業的教育問題集中體現在以下幾點：(1)物聯網屬于跨專業學科，知識體系邊界難以界定，課程主要教學內容是物聯網交叉學科知識的一個“壓縮餅干”，大量教材基本上是有關領域的濃縮版；(2)缺乏科學的思維方式作指導，對于物聯網工程專業的課程總體定位和教學方法設計不甚明確，盲目開展教學活動；(3)實踐環節過多地強調工具的使用，導致“狹義工具論”。過分依賴現有的教學實驗平臺和教學實踐體系，缺乏跨學科、融合性的實踐教學方案。針對上述存在的問題，本文將其原因概括為以下幾個方面：(1)高等院校長期積淀的傳統教育理念和教育體制；(2)課程內容的總體設計和教學方案設計缺乏針對性；(3)工程應用背景知識和行業項目知識匱乏；(4)教學實踐環節以及實訓平臺建設相對薄弱等等。其根本原因是教育定位及教學設計出現了偏差，缺乏類似“計算思維”等先進理念的指導。本文認為，我國高等院校在開展物聯網工程教育的同時，要深入理解并貫徹計算思維的理念，充分發揮它科學指導工程教育的思維優勢，培育具有扎實的理論知識、過硬的工程技術的高信息素養型的物聯網專業人才。
二、計算思維
國際上廣泛認同的計算思維定義來自周以真教授：“計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[7]”。抽象和自動化是計算思維的本質內容，這一觀點與當前國際上物聯網工程的教育特點是一致的。因此本文認為，面向國內高校的物聯網工程專業教育尤為需要引入計算思維這一科學思維理念來指導教學。計算思維包含“建模方法”、“關注點分離方(SeparationofConcerns,SoC)法”、“遞歸方法”、“啟發式推理”等多種內容，它能夠以“發現問題、尋求解決問題的思路、分析比較不同方案到最后驗證方案”的主線方式，讓學生主動地、實踐地去學習物聯網工程的理論、技術和經驗，培養學生的問題求解能力。在文獻[8]的基礎上，本文將計算思維的定義進行了分析并加以歸納總結。
三、計算思維與物聯網工程教育
將計算思維融入物聯網工程教育旨在助力我國高等院校物聯網專業的建設，并有望解決當前物聯網專業教學活動中存在的問題，因此探索建立有效的基于計算思維的物聯網工程專業人才培養教育策略意義重大。本文從物聯網工程專業“計算思維能力”的特色需求著手，研究以計算思維理念為指導的物聯網工程教育的培養關鍵。
（一）有物聯網工程專業“計算思維能力”的特色需求
依托計算機科學與技術學科建設物聯網工程專業，物聯網工程專業人才應該具備《高等學校計算機科學與技術專業人才專業能力構成與培養》[9]定義的計算機專業人才的專業基本能力，同時還應該從物聯網工程專業的特色出發，深刻認識計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力以及系統能力在本專業的特色需求。物聯網計算模式的變革在于物理空間與信息空間的一體化，物理世界與信息世界的整合統一。從計算思維培養的角色要求物聯網工程專業人才的教育過程中應該注意使學生充分理解物理空間與信息空間的一體化，并在利用這樣的無縫連接方面具有足夠的“想象力”與“實現能力”。
（二）培養物聯網工程“實現能力”的方法
(1)專業理論與技術體系
物聯網工程教育在引入計算思維理念后，應該在物聯網工程課程原有的培養目標上增加兩個方面的內容：一是培養學生計算思維的意識與能力；二是掌握計算思維解決問題的一般步驟和方法。所以物聯網工程專業的教育在傳統定位的基礎上要進一步擴展，不僅要讓學生掌握相關的學科知識和專業理論，還要強調培養學生具有一定的專業領域跟蹤新理論、新知識、新技術的能力以及較強的工程應用和創新實踐能力。CDIO(ConceiveDesignImplementOperate)工程教育模式[10]是近年來國際工程教育改革的最新成果，它涵蓋了從研發到運行的整個產品生命周期，是一種主動的、實踐的、課程之間有機聯系的工程學習方式。本文認為，計算思維驅動的高校物聯網工程專業建設應該結合CDIO教育理念，綜合考慮物聯網工程專業所涉及的學科領域和知識范圍，設置該專業的理論與技術體系。與物聯網各層理論與技術對應，物聯網工程專業的實踐教學體系設計也應該配合加強學生對于感知層、傳輸層、數據處理層和應用層理論和技術的認識、理解和應用。
(2)設計“思考”型課堂
計算思維強調問題求解能力。根據計算思維求解角度的定義[11]，物聯網工程的學習、規劃和調度問題可以利用啟發式推理方法尋求解答。設計具有啟發性和探索性的教學課堂是計算思維對于當前物聯網工程教育的新要求。本文提倡在高等院校的日常教學活動中，摒棄傳統老套的知識講述方法，嘗試融入新的理論講授形式，如利用思維導圖對知識進行歸納和演繹、利用框架流程圖對知識進行總結和概括，尤其要突顯出對于計算思維能力的引導。善于采用啟發誘導式教學方式培養學生的主動思考能力和擴散思維能力。例如驗證碼的教學，課堂可以設計為：Yahoo公司免費郵箱面臨的垃圾郵件問題→人機辨識問題→學生討論解決方法→解決方案：驗證碼(CAPTCHA)→LuisVonAhn設計思想→問題延伸：未來的驗證碼和發展趨勢。這種基于計算思維的引導教學方法不僅適用于理論課程的課堂教學，也可以設計用于實驗教學之中。以基于FPGA的嵌入式設計實驗為例，學生首先要在PC機上利用可編程芯片設計工具EDA進行功能仿真，然后利用物理芯片進行功能測試。這類實驗設計過程可以完整地體現芯片的設計、制造、調試、運行以及維護的全部工程流程。因此，物聯網工程的教學設計要充分體現理論聯系應用的“思考”型課堂，進一步激發學生的興趣和主動性，培養具有良好問題求解能力的物聯網人才。
(3)強化物聯網企業的作用
物聯網工程專業的工程教育環境需要采用新的視角加以構建。在傳統教育策略，如加大實驗室經費投入、強化教師實踐考核指標的基礎上，現今高等院校要尋求依托企業搭建物聯網工程專業的教育環境。一條完整的物聯網產業鏈條包括：感知和控制器件(如RFID、各類傳感器、執行器等)提供商，感知層末端設備(傳感節點、網關等底層組網/自組網設備)提供商，網絡(固網和移動網等通信網、互聯網、廣電網、PLC等電力通信網、專網等)提供商，軟件與系統解決方案(包括從底層微操作系統、微中間件和處理層的操作系統、數據庫、中間件以及應用軟件)提供商，系統集成商以及專業運營和服務提供商。可以通過吸引和鼓勵上述各種類型的物聯網企業參與到物聯網實踐教學體系建設過程，高?？梢耘c企業合作，共同構建物聯網CDIO實驗培訓基地，簽單定點培養并輸送優秀畢業生進企業，切實在物聯網工程專業人才培養和物聯網產業人才需求之間搭建橋梁。
四、結束語
計算思維是目前國際教育界廣為關注的熱點，已經被推進到許多計算學科的教學過程中。物聯網工程專業是近年來國內高校新增設的本科專業，其人才培養教育體系尚未健全。為此，本文研究了借助計算思維的定義理念推動物聯網工程教育問題。通過分析計算思維的定義和特點，提出引入計算思維的物聯網工程教育關鍵在于提高學生關于物理空間與信息空間一體化的“想象力”和“實現能力”。最后具體闡述了如何強化物聯網工程“實現能力”的幾點方法。
作者：蔡婷 陳昌志 單位：重慶郵電大學移通學院計算機系 重慶郵電大學軟件學院
參考文獻
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