新工科物联网工程专业建设桂小林课件.pptx

1、理解新工科内涵，开展物联网工程专业建设桂小林桂小林 教授教授西安交通大学电子与信息工程学院西安交通大学电子与信息工程学院陕西省计算机网络重点实验室陕西省计算机网络重点实验室2018.11.242018.11.24桂小林桂小林 12014年年6月月3日，国家主席习近平出席日，国家主席习近平出席2014年年并发表题为并发表题为的的主旨演讲。主旨演讲。新工科建设的背景（新工科建设的背景（1/3）桂小林桂小林 2新工科建设新工科建设背景（背景（2/3）桂小林桂小林 3更高的创新创业能力和跨界整合能力更加个性化的工程工程教育培养模式教育培养模式面向新型产业和业态，加快发展新兴工科专业，关注未关注未来出现

2、的新技术来出现的新技术发展新兴工科专业升级传统工科专业新工科新工科、新的工科、新兴工科的内涵改造升级传统工科专业，发展改造升级传统工科专业，发展新兴工科新兴工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。桂小林桂小林 41、新工科建设的、新工科建设的“五部曲五部曲”“新工科”建设分阶段推进。10项共识2017年2月18日2017年4月8日天大6问2017年11月16日理事会设立23个工作委员会新工科研究与实践项目指南2017年6月9日桂小林桂小林 52018年9月第第1步：步：“新工科新工科”建设的建设的“复旦共识复旦共识”2017年2月18日，教育部在复旦

3、大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，与会高校对新时期工程人才培养进行了热烈讨论，共同探讨了新工科的内涵特征、新工科建设与发展的路径选择，并达成了10项共识。桂小林桂小林 6第第2步：步：“新工科新工科”建设的建设的“天大行动天大行动”2017年4月8日，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，60余所高校共商新工科建设的愿景与行动。目标是：到到20202020年，探索形成新工科建设模式，主动适应新技术、新产业、年，探索形成新工科建设模式，主动适应新技术、新产业、新经济发展；新经济发展；到到20302030年，形成中国特色、世界一流工程教育体系，有力支撑国家年，形成中国特色、世界一流工程教育体系

4、，有力支撑国家创新发展；创新发展；到到20502050年，形成领跑全球工程教育的中国模式，建成工程教育强国年，形成领跑全球工程教育的中国模式，建成工程教育强国，成为世界工程创新中心和人才高地，为实现中华民族伟大复兴的，成为世界工程创新中心和人才高地，为实现中华民族伟大复兴的中国梦奠定坚实基础。中国梦奠定坚实基础。桂小林桂小林 7天大六问天大六问围绕“新工科”建设的“天大行动”，张大良于2017年4月18日在光明日报发表了题为新工科建设的六个问题导向的文章。文章指出，未来几十年，新一轮科技革命和产业变革将同人类社会发展形成历史性交汇，必须面向当前急需和未来产业发展，提前进行人才布局，培养具有创新

5、创业意识、数字化思维和跨界整合能力的“新工科”人才。该文从问题出发，总结了“问产业需求建专业，问技术发展改内容，问问产业需求建专业，问技术发展改内容，问学校主体推改革，问学生志趣变方法，问内外资源创条件，问国际前沿学校主体推改革，问学生志趣变方法，问内外资源创条件，问国际前沿立标准立标准”的新工科建设六大理念（简称“天大六问”）。“天大六问”为新工科专业建设指明了方向。桂小林桂小林 8第第3步：步：“新工科新工科”建设的建设的“北京指南北京指南”2017年6月9日，教育部在北京召开新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议，全面启动、系统部署新工科建设。30余位来自高校、企业和研究机构的专家深

6、入研讨新工业革命带来的时代新机遇、聚焦国家新需求、谋划工程教育新发展，审议通过新工科研究与实践项目指南新工科研究与实践项目指南，提出新工科建设指导意见。桂小林桂小林 9第第4步：信息技术新工科产学研联盟成立步：信息技术新工科产学研联盟成立2017年11月16日，信息技术新工科信息技术新工科产学研联盟第一届理事会成立仪式在北京举行。60多名来自国内著名高等院校、研究院所、行业领先企业的第一届理事会成员参加了成立会。2018年1月14日，信息技术信息技术新工科产学研联盟第新工科产学研联盟第一届年会一届年会在京举办。工业和信息化部信息化和软件服务业司司长谢少锋参加会议并致辞。桂小林桂小林 10信息技

7、术新工科产学研联盟信息技术新工科产学研联盟联盟愿景创新卓越人才培养体系助力信息产业超越发展联盟目标：探索面向产业需求的科技创新模式培育产学研深度融合育人生态环境创建大工程观卓越人才的培养范式形成信息产业创新人才的评价体系引领我国信息技术专业的跨越发展桂小林桂小林 11编号编号名称名称负责人负责人牵头牵头单位单位主要支持企业主要支持企业A01A01云计算与大数据工作委员会云计算与大数据工作委员会王国仁王国仁北京理工大学北京理工大学华为华为A02A02数据科学与大数据技术工作委员会数据科学与大数据技术工作委员会陈钟陈钟北京大学北京大学腾讯腾讯A03A03物联网工程专业工作委员会物联网工程专业工作委

8、员会桂小林桂小林西安交通大学西安交通大学思科思科A04A04服务科学与工程工作委员会服务科学与工程工作委员会徐晓飞徐晓飞哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学IBMIBMA05A05人工智能教育工作委员会人工智能教育工作委员会高小鹏高小鹏北京航空航天大学北京航空航天大学微软微软A06A06计算机工程应用能力培养工作委员会计算机工程应用能力培养工作委员会龚声蓉龚声蓉江苏省应用型高校计算机学江苏省应用型高校计算机学科联盟科联盟A07A07人工智能与认知计算工作委员会人工智能与认知计算工作委员会黄河燕黄河燕北京理工大学北京理工大学IBMIBMA08A08软件开发云工作委员会软件开发云工作委员会吴中海吴中海北京

9、大学北京大学华为华为A09A09移动应用开发工作委员会移动应用开发工作委员会陈文智陈文智浙江大学浙江大学苹果苹果A10A10大数据与智能计算工作委员会大数据与智能计算工作委员会王元卓王元卓计算所计算所阿里阿里A11A11网络工程工作委员会网络工程工作委员会施晓秋施晓秋温州大学温州大学思科思科A12A12物联网及智能制造工作委员会物联网及智能制造工作委员会陈友东陈友东北京航空航天大学北京航空航天大学赛佰特赛佰特A13A13人工智能协同育人工作委员会人工智能协同育人工作委员会吴枫吴枫中国科学技术大学中国科学技术大学百度百度A14A14高性能计算与大数据工作委员会高性能计算与大数据工作委员会肖侬肖侬

10、中山大学中山大学中国邮政，等中国邮政，等联盟首批工作委员会信息技术新工科信息技术新工科产学研联盟桂小林桂小林 12桂小林桂小林 13桂小林桂小林 14教育部、工业和信息化部、中国工程院于2018年9月17日发布关于加快建设发展新工科 实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见总体思路面向工业界、面向世界、面向未来，主动应对新一轮科技革命和产业变革挑战，服务制造强国等国家战略，紧密对接经济带、城市群、产业链布局，以加入国际工程教育华盛顿协议组织为契机，以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，打造世界工程创新中心和人才高地，提升国家硬

11、实力和国际竞争力。第第5步：步：实施卓越工程师实施卓越工程师教育培养计教育培养计划划2.0桂小林桂小林 15第第5步：步：卓越工程师卓越工程师教育培养计划教育培养计划2.0强调：以加入国际工程教育华盛顿协议组织为契机，以新工科建设为重要抓手抓手，持续深化工程教育改革。经过5年的努力，达成如下目标：体现体现产业和技术最新发展的新课程产业和技术最新发展的新课程等；（等；（问技术发展建内容问技术发展建内容）培养培养一批工程实践能力强的高水平专业一批工程实践能力强的高水平专业教师教师 2020%以上的工科专业点通过国际实质等效的专业认证，形成中国特色、世以上的工科专业点通过国际实质等效的专业认证，形成

12、中国特色、世界一流工程教育体系，进入高等工程教育的世界第一方阵前列。界一流工程教育体系，进入高等工程教育的世界第一方阵前列。桂小林桂小林 16物联网工程专业：新工科专业建设的实践样板物联网工程专业：新工科专业建设的实践样板对照新工科建设的天大行动天大行动，物联网工程专业持续坚持”问题导向”，围绕“六问”中的“五问”展开：桂小林桂小林 172007年来，伴随着网络技术、通信技术、智能嵌入技术的迅速发展，“物联网物联网”一词频繁的出现在世人眼前。物联网概念的提出，受到了学术界、工业界的广泛关注，特别是它在刺激世界经济复苏和发展方面的预期作用，帮助全世界度过了2008-2010年经济危机。物联网技术

13、已经带来一场新的技术革命，并由此推动了云计云计算、大数据和人工智能算、大数据和人工智能的发展。桂小林桂小林 18物联网支撑了物联网支撑了第第四次工业革命四次工业革命CPS：Cyber Physical SystemIOT：Internet of Things/Internet of Everythings桂小林桂小林 19物联网驱动着中国制造物联网驱动着中国制造2025借鉴德国版工业4.0计划，我国推出了“中国制造中国制造2025”。“中国制造中国制造2025”的基本思路是，借助两个IT的结合（Industry Technology&Information Technology，工业技术和信息

14、技术），改变中国制造业现状，令中国到2025年跻身现代工业强国之列。桂小林桂小林 20物联网物联网技术快速技术快速应用，导致人才应用，导致人才匮乏匮乏物联网物联网=物理世界与物理世界与信息网络的无缝连接信息网络的无缝连接智能交通智能交通远程医疗远程医疗智能家居智能家居环境监测环境监测公共安全公共安全绿色农业绿色农业工业监控工业监控21 21物流管理物流管理国家迫切需要培养物联网技术人才国家迫切需要培养物联网技术人才2010年9月，国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定将以物联网为代表的新一代信息技术列为战略性新兴产业进行重点培育和发展，并指出“要发挥研究型大学的支撑和引领作用，加强战略性

15、新兴产业相关专业学科建设，促进创新型、应用型、复合型和技能型人才的培养”。桂小林桂小林 22物联网工程专业建设快速发展物联网工程专业建设快速发展截止2018年3月底，教育部共分8批次备案和批准了489个高校的“物联网工程”本科专业（具体备案和审批情况如图1所示）。由于开办专业时间一般晚于审批时间1年以上，所以实际招生高校452所。除了物联网本科专业外，全国还有500余所高职高专物联网应用专业。桂小林桂小林 23物联网工程专业成立的目的是服务国家战略新兴产业。因此，在专业建设与人才培养过程中，必须充分考虑“专业建设标准如何契合产业需求、专业知识体系如何覆盖产业技术”等问题。为了支撑专业建设，受教

16、育部计算机专业教指委委托，2010年成立了“物联网工程专业教学研究专家组”。专家组围绕物联网的技术特征，从全新角度开展专业顶层设计，明确专业建设目标、专业建设内容、专业建设规格、专业教育内容，出版物联网工程专业规范。桂小林桂小林 24从从物联网的技术特征，探讨物联网工程专业教学内物联网的技术特征，探讨物联网工程专业教学内容桂小林桂小林 25从物联网的技术特征，探讨物联网工程专业教学内从物联网的技术特征，探讨物联网工程专业教学内容物联网一般的英文名称为“Internet of Things”、“Internet of Everythings”。物联网的通用定义为：物联网是通过使用射频识别（Rad

17、io Frequency Identification，RFID）、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网涉及“计算机、通信、控制和电子”等EECS专业群桂小林桂小林 26物联网产生大量数据，数据存储于管理面临困难物联网产生大量数据，数据存储于管理面临困难由于物联网，人们从信息的被动接受者变成了主动创造者。我们进行大数据时代（web2.0时代）。桂小林桂小林 27物联网物联网数据爆发性增长数据爆发性增长桂小林桂小林 28物联网产业规模不断壮大物联网产业规

18、模不断壮大桂小林桂小林 29微信成为了数据的主要生产者微信成为了数据的主要生产者2018年，微信日平均用户达到了8亿多人，与去年同期相比又增长了35%。另外50%的用户每天使用微信的时长达到了90分钟，消息日发送总次数较去年增长67%。日成功音视频通话总次数1亿次，较去年增长180%。而微信红包的日发送总次数达到了23亿5千万次。桂小林桂小林 30物联网的大数据特征物联网的大数据特征数据体量巨大从数据体量巨大从TBTB级别跃升到级别跃升到PBPB级别级别;(;(1TB=1000GB1TB=1000GB，1PB=1000TB)1PB=1000TB)数据类型繁多数据包括网络日志、数据类型繁多数据包

19、括网络日志、视频、图片、地理位置信息等等视频、图片、地理位置信息等等;价值密度低以视频为例，连续不价值密度低以视频为例，连续不间断监控过程中，可能有用的数间断监控过程中，可能有用的数据仅仅一两秒据仅仅一两秒;处理速度快一般要在秒级时间范处理速度快一般要在秒级时间范围内给出分析结果，时间太长就围内给出分析结果，时间太长就失去价值。失去价值。桂小林桂小林 31物物联网的大数据存储联网的大数据存储Big Data 与与 Cloud（云存储）（云存储）桂小林桂小林 32大数据去重大数据去重桂小林桂小林 33数据去重的好处：节省大量存储空间数据去重的好处：节省大量存储空间桂小林桂小林 34物物联网与大数

20、据联网与大数据计算计算由于物联网的大数据特征，需要云架构进行处理。MapReduce是Google公司工程师Jeffrey Dean提出的处理大规模数据集（大于1TB）的分布式并行计算编程模型，是Google云计算的核心技术；HDFS（Hadoop Distributed File System）提供了一种MapReduce的高效实现。HDFS是一种高度容错的分布式文件系统模型，由Java语言开发实现。HDFS可以部署在任何支持Java运行环境的普通机器或虚拟机上，而且能够提供高吞入量的数据访问。桂小林桂小林 35Hive（基于（基于Hadoop的数据仓库）的数据仓库）ZookeeperZoo

21、keeper（分布式协作服务）（分布式协作服务）SqoopSqoop（数据同步工具）（数据同步工具）MahoutMahout（数据挖掘算法库）（数据挖掘算法库）FlumeFlume（日志收集工具）（日志收集工具）PigPig（基于（基于HadoopHadoop的数据流系统）的数据流系统）桂小林桂小林 36物联网大数据的特征、问题及其对策物联网大数据的特征、问题及其对策按间隔采集的、时间序列的数据 采用基于时间序列的方法进行分析采用基于时间序列的方法进行分析文本、图片和视频等多种类数据 采用多模式数据挖掘方法进行聚类、分析采用多模式数据挖掘方法进行聚类、分析数据变化稳定和突发，具有较大的稀疏性

22、采用矩阵表示，进行稀疏处理、降维。采用矩阵表示，进行稀疏处理、降维。大数据的隐私和安全性大数据的隐私和安全性 采用动态信任管理机制，多安全策略采用动态信任管理机制，多安全策略 利用新型密码技术（同态加密）进行数据保护，支持密文检索、比较和计利用新型密码技术（同态加密）进行数据保护，支持密文检索、比较和计算算桂小林桂小林 373.1 物联网工程专业教学内容物联网工程专业教学内容从时间、空间、技术和应用四个维度定义专业内涵和外延定义专业内涵和外延；从感知、传输、处理和应用四个层次凝练专业的理论与技术体系凝练专业的理论与技术体系，从素质、知识和能力三个方面提炼了学生毕业要提炼了学生毕业要求求，从感知

23、、通信、计算、控制和数据五个方面界定了学生基本能力界定了学生基本能力。桂小林桂小林 423.1 凝练物联网技术，探讨物联网工程专业教学内容（凝练物联网技术，探讨物联网工程专业教学内容（V1.0）设计了包括6个知识领域、29个知识单元的专业基础知识体系专业基础知识体系（见表见表1 1）和7个知识领域、45个知识单元的专业核心知识体系专业核心知识体系（见表见表2 2）桂小林桂小林 43桂小林桂小林 443.2 物联网教育内容和知识体系物联网教育内容和知识体系-1/4物联网工程专业涉及计算机、通信、电子信息、控制等多学科，除了数学、物理、人文社科等通识知识外，依据物联网本身的特点，将本专业的知识体系

24、划分为专业基础知识域、专业核心知识域、领域应用知识域。本专业的基础知识应至少包括：算法与程序设计（离散数学、算法设计、数据结构、程序语言）算法与程序设计（离散数学、算法设计、数据结构、程序语言）电路与电子技术（数电、模电、电路）电路与电子技术（数电、模电、电路）计算机系统（组成、系统结构、操作系统、微机与接口）计算机系统（组成、系统结构、操作系统、微机与接口）计算机网络（网络原理、网络安全）计算机网络（网络原理、网络安全）数据库系统（数据、数据库原理、数据处理）数据库系统（数据、数据库原理、数据处理）嵌入式系统嵌入式系统 （MCUMCU、嵌入式操作系统）、嵌入式操作系统）桂小林桂小林 453.

25、2 教育内容和知识体系教育内容和知识体系-2/4本专业的核心知识最小集为：物联网技术体系物联网技术体系 标识与感知标识与感知 物联网通信物联网通信 物联网数据处理物联网数据处理本专业的核心知识最小集为：物联网控制物联网控制 物联网信息安全物联网信息安全 物联网工程设计与实施物联网工程设计与实施桂小林桂小林 463.2 教育内容和知识体系教育内容和知识体系-3/4领域应用知识:各办学单位可根据各学校的特色、区域、行业等优势，针对如下典型应用各办学单位可根据各学校的特色、区域、行业等优势，针对如下典型应用设置相应的知识单元，开设相应课程，形成有特色的课程体系。设置相应的知识单元，开设相应课程，形成

26、有特色的课程体系。桂小林桂小林 473.2 教育内容和知识体系教育内容和知识体系-4/4专业核心课程、专业特色课程都应设置相应的实验。根据教育内容要求，应设置综合性、设计型的实践课，一般称为：课程设计、专题实验，以32学时适中。建议包括如下综合设计：RFIDRFID系统综合设计（专题实验）系统综合设计（专题实验）无线传感器网络综合设计（专题实验）无线传感器网络综合设计（专题实验）物联网应用系统综合设计（专题实验）物联网应用系统综合设计（专题实验）物联网工程训练综合实践物联网工程训练综合实践 （专题实验）（专题实验）物联网工程专业基础课程物联网工程专业基础课程桂小林桂小林 48本专业的核心课程涵

27、盖：物联网技术体系物联网技术体系 标识、感知与控制标识、感知与控制 物联网通信物联网通信 物联网数据处理物联网数据处理（）物联网信息安全物联网信息安全 物联网工程设计与实施物联网工程设计与实施 物联网特色应用物联网特色应用 如：智慧城市、智慧农业、智能交通、智能物流、智能电网、如：智慧城市、智慧农业、智能交通、智能物流、智能电网、智能家居、智慧医疗、城市安保、环境监测、国防应用等智能家居、智慧医疗、城市安保、环境监测、国防应用等桂小林桂小林 49桂小林桂小林 50核心知识领域桂小林桂小林 51物联网工程专业课程体系设置方案 8 8门专业基础课程（门专业基础课程（如果平均如果平均3 3学分学分*

28、8=248=24学分学分）1010门专业核心课程（门专业核心课程（如果平均如果平均3 3学分学分*10=3010=30学分学分）学校压缩学分，学分不够这么办？大类招生环境下，专业分流前已经讲过“计算机专业导论”，“物联网专业导论”是否还要讲？计算机类的其它专业对“物联网技术”的需求如何体现？如何在新背景下，更加合理地设置课程体系？桂小林桂小林 52桂小林桂小林 53桂小林桂小林 54全部涵盖的知识单元：AR1-8AR1-8ID1-8ID1-8CO1-5CO1-5CT1-4CT1-4部分涵盖的知识单元IS1IS1IS2IS2DP1DP1桂小林桂小林 55桂小林桂小林 56第1章 物联网技术概论1

29、1 物联网的概念与特征 111 物联网的起源与发展 112 物联网的概念 113 物联网的特征12 物联网的体系结构 121 物联网的4层体系结构 122 物联网的3层体系结构13 物联网的关键技术 131 感知层关键技术 132 传输层关键技术 133 处理层关键技术 134 物联网安全技术14 物联网应用技术 141 无线传感器网络应用架构 142 EPCUID系统 143 物理信息融合系统 144 M2M系统桂小林桂小林 57桂小林桂小林 58桂小林桂小林 59桂小林桂小林 60桂小林桂小林 61桂小林桂小林 62桂小林桂小林 63其它教材其它教材物联网工程专业规范物联网工程专业规范2.

30、0（讨论稿）（讨论稿）新标准、新规范。桂小林桂小林 64知识领域知识单元（选修）AP算法与程序设计AP1 程序设计语言AP2 数据结构与算法AP3 离散数学CE 电路与电子技术CE1 电路的基本分析方法和电路定理CE2 模拟电路CE3 数字电路CE4 模数与数模转换CS计算机系统与接口CS1数字逻辑设计CS2计算机组成CS3 FPGA技术CS4 接口技术CS5 操作系统CS6计算机体系结构CN计算机网络CN1 计算机网络体系结构CN2局域网、广域网、无线网CN3 因特网与网络协议CN4 网络设备CN5 网络软件CN6 网络管理CN7 网络安全CN8 新型网络DB数据库系统DB1 数据库系统基础

31、DB2 关系数据库DB3 数据库管理系统DB4 新型数据库（内存DB、NoSQL、大数据库Hbase等）DB5 数据库应用4、新工科时代，物联网工程专业如何新工科时代，物联网工程专业如何建设？建设？进一步适应进一步适应战略新产业发展需求战略新产业发展需求 融合融合一脉相承一脉相承的物联网、云计算、大数据和人工智能到专业建设中的物联网、云计算、大数据和人工智能到专业建设中 以工程教育认证要求为抓手以工程教育认证要求为抓手 从培养目标、毕业要求、课程体系、师资、环境、过程管理（持续从培养目标、毕业要求、课程体系、师资、环境、过程管理（持续改进）等多要素改进）等多要素。进一步加强产学研协同，开展教学改革和实验环境建设进一步加强产学研协同，开展教学改革和实验环境建设 依托信息技术依托信息技术新工科新工科联盟物联盟物联网工程专业工作联网工程专业工作委员委员 产学研系列教材产学研系列教材 产学教改项目（思科、华为、新大陆、。）产学教改项目（思科、华为、新大陆、。）MOOCMOOC资源资源建设（核心课程建设（核心课程MOOCMOOC）桂小林桂小林 65THANKS！Q&A？西安交通大学计算机教学实验中心陕西省计算机网络重点实验室2018.11.24桂小林桂小林 66