物聯(lián)網工程專業(yè)“起承轉合”式實驗教學探討

李仲生?黃同成?劉錦江

摘要：針對物聯(lián)網工程專業(yè)實踐教學內容覆蓋面太寬、內容綜合性很強等難點，考慮到學生特別是地方本科院校學生的基礎現(xiàn)狀，吸取CDIO國際工程教育改革成果的教學理念，提出了一種“起承轉合”式實踐教學模型。模型以讓教師教得輕松、學生學得明白為宗旨，可用于明確物聯(lián)網工程專業(yè)實踐教學思路和精化實踐教學內容。

關鍵詞：物聯(lián)網；CDIO；實踐教學；精化

作者簡介：李仲生（1967-），男，湖南邵陽人，邵陽學院信息工程系，副教授；黃同成（1964-），男，湖南邵陽人，邵陽學院信息工程系，教授。（湖南 邵陽 422000）

基金項目：本文系邵陽學院教改項目（項目編號：2013JG28）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0124-02

物聯(lián)網被稱為第三次信息化產業(yè)革命性發(fā)展的浪潮。胡錦濤同志在中國科學院第十五次院士大會、中國工程院第十次院士大會上發(fā)表重要講話，指出“要抓住新一代信息網絡技術發(fā)展的機遇，創(chuàng)新信息產業(yè)技術，以信息化帶動工業(yè)化，發(fā)展和普及互聯(lián)網技術，加快發(fā)展物聯(lián)網技術”。[1]為此，作為新興產業(yè)的物聯(lián)網急需大量專業(yè)人才，有著巨大的人才缺口。這種缺口，既體現(xiàn)在對物聯(lián)網理論研究的精英的需求上，更體現(xiàn)在對有一定理論基礎、動手能力強的工程型的物聯(lián)網人才的需求上。從當前的實際就業(yè)形勢看，大學培養(yǎng)的、可用得上的工程型的物聯(lián)網人才遠遠滿足不了物聯(lián)網業(yè)的需求。造成這種情況的原因主要有兩個：一是物聯(lián)網發(fā)展的勢頭太猛，各大學都是自2010年起才開始上物聯(lián)網工程專業(yè)，被物聯(lián)網大潮沖了個措手不及；二是物聯(lián)網所覆蓋的知識面廣，形成復雜的網狀結構，如何將呈網絡結構的知識傳授給學生，讓學生學有所獲，特別是讓學生擁有動手能力，是個大難題。

面對這個難題，不同的學校采取了不同的對策，于是有了五花八門的理論和實踐教學計劃，目前依舊處在百花齊放的狀態(tài)中。[2]面對這個難題，眾多的研究者各抒已見，從不同角度做了各有見地的探索。有研究者根據(jù)數(shù)據(jù)自底向上的流向，將成網狀幾乎無所不包的物聯(lián)網技術做了層次化，分別是感知層、網絡層與應用層，有效地簡化了物聯(lián)網技術模型，為物聯(lián)網教學的開展提供了方向性的指引。[3]有研究者參照CDIO（conceive構思，design設計，implement實現(xiàn)，operate動作）國際工程教育改革成果，以產品研發(fā)到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程，以此指導物聯(lián)網工程專業(yè)的實踐教學，這些研究者高屋建瓴，從宏觀上把握住了物聯(lián)網工程的實踐教學。[1]為了增強物聯(lián)網工程專業(yè)實踐教學的可操作性，此處以物聯(lián)網工程專業(yè)實踐教學的具體實施為著眼點，以知識的復雜度及學生的興趣、感受、參與力等為主要考察指標，以實驗項目的內在關聯(lián)做線，讓各項目有機地形成一種“起承轉合”結構，探索一種能讓學生潛移默化地參與進來的實踐教學路子。

一、物聯(lián)網工程專業(yè)實踐教學所面對的問題

第一，將面對有限的財力、時間和近于無限的實踐教學內容之間的矛盾。物聯(lián)網有以下定義：將有自我標示、感知和智能的物理實體基于標準的通信協(xié)議連接，構成信息空間和物理世界之間融合的信息系統(tǒng)。這個定義的外延是：兩個空間融合形成的信息系統(tǒng)。再看定義的內涵：基于標準的通信協(xié)議；被連接的物理實體有自我標示、感知和智能能力。定義的外延和內涵展示出了物聯(lián)網技術覆蓋的廣度和內容的深度。圖1依據(jù)文[3]所述的三層模型和物聯(lián)網定義，將網絡層細化為傳輸和支撐技術兩層，給出了物聯(lián)網技術的體系描述。

圖1展示出了物聯(lián)網技術的綜合性和幾乎無處不在性，這給物聯(lián)網工程專業(yè)的理論教學和實踐教學帶來了近于無窮的選擇。為了約束物聯(lián)網教學，《高等學校物聯(lián)網工程專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范》將物聯(lián)網工程專業(yè)的知識單元分成核心知識、基礎知識和領域應用知識三大類，有指導意義，但三大類中依舊有著眾多選擇可能，相應實驗內容五花八門，要完全覆蓋是不可能的。要大致覆蓋一方面需要學校投入巨量資金，另一方面需要學生投入遠超過四年的時間，這都是不現(xiàn)實的。

第二，將面對學生的有限基礎和物聯(lián)網技術的高度綜合性之間的矛盾。物聯(lián)網技術涉及的是有自我標示、感知和智能能力的物理實體，這些物理實體還得基于標準的通信協(xié)議互聯(lián)起來，這一層層疊加，給物聯(lián)網的幾乎每一個技術點都帶來了高度的綜合性。以Zigbee感知實驗為例，有以下基本步驟：串行接口連線、網絡接口連線、系統(tǒng)初始化、虛擬機的安裝和設置、程序編寫、不同平臺間數(shù)據(jù)的傳遞。涉及的主要知識點有：計算機硬件知識；網絡知識；傳感器知識；虛擬技術；軟件開發(fā)知識。如此強的綜合性，要讓基礎有限的學生理解并接受，是件十分繁瑣又艱難的事，對地方本科院校，這種艱難更加突出。

第三，將面對非專業(yè)師資與物聯(lián)網工程專業(yè)實踐教學的強專業(yè)性之間的矛盾。物聯(lián)網工程專業(yè)自2010年起在我國開設，現(xiàn)在加入物聯(lián)網工程專業(yè)教學行列的師資中并沒有正式物聯(lián)網工程專業(yè)畢業(yè)的本科生、碩士生、博士生，而是來自物聯(lián)網工程專業(yè)相近的專業(yè)。面對專業(yè)性強的物聯(lián)網工程實踐教學，他們還需要摸索，需要積累。

第四，將面對理論教學的分散性和實踐教學的綜合性的矛盾。物聯(lián)網的廣泛覆蓋性使得物聯(lián)網實驗教學有著高度的綜合性，如前已述及，單純一個實驗就可能涉及到傳感器知識、網絡知識、電子技術、軟件編程知識等。這些知識分別由不同的課程完成傳授，課程分散在不同的學期，或者是在同一個學期但由不同的教師分別教學，這種課程分散性給學生綜合運用知識、知其然且知其所以然地完成實踐教學帶來了困難。

第五，將面對學校教學強調消化理論與實際應用強調效益的矛盾。從課時分配看，學校教學以理論為主。比如：“ZigBee技術及應用”課程教學40個課時，其中理論32節(jié)，實驗8節(jié)；“物聯(lián)網通信技術”課程教學54個課時，理論46節(jié)，實驗8節(jié)；“M2M技術”56個課時，理論48節(jié)，實驗8節(jié)。等等。以上數(shù)字是通過對前幾批開設物聯(lián)網工程專業(yè)的大學教學計劃做平均得到的，課時分配體現(xiàn)出了大學以理論教學為目標的特點。但作為一門新興技術，物聯(lián)網根植于實踐，強調對技術的綜合運用、產生效益，與大學教學的目標并不一致。如何協(xié)調好這種不一致，將直接關系到學生動手能力的培養(yǎng)。

二、“起承轉合”式實踐教學結構

在物聯(lián)聯(lián)實踐教學的眾多矛盾中，主要矛盾就是物聯(lián)網技術的內容近于無限而學校財力、學生學習時間都是有限的，解決了這個主要矛盾，其他矛盾也將迎刃而解。利用有限財力、在有限時間內能否學習物聯(lián)網技術而有所收獲？答案是肯定的。物聯(lián)網技術如同一座寬闊、巍峨的書山，“書山有路勤為徑”，目標是山頂，教學者不必帶著學生走遍整個書山，只要帶著學生們找到一條上山的路走到山頂即可。那么，怎樣找到這條路？如果這種路存在許多條（物聯(lián)網技術中的情況就是如此，可參見圖1），哪一條是捷徑？經過教學實踐摸索，為了讓“教師講得輕松，學生學得明白”，我們認為可采用以下“起承轉合”模式精選教學內容、實施教學，尋找抵達物聯(lián)網技術之頂?shù)慕輳健?/p>

起。一遍文章的“起”很重要，開個好頭，設下懸念，讀者才有興趣看下去。物聯(lián)網工程教學的“起”更重要，是學生興趣的源頭、思考的標的、奮斗的目標。如何才能“起”得好？有諺語云：“我聽到的會忘掉，我看到的能記住，我做過的才真正明白”。語言相對來講是抽象的，現(xiàn)實場景對人的感受來說，自然深刻一些，如果是一些很特殊的場景，就有可能讓人一見難忘。物聯(lián)網工程教學若是在學生一入校時，給學生提供一些特殊的場景（比如各類現(xiàn)代物聯(lián)網技術的演示）見識一下，就能有助于學生明白“到大學為的是什么”，為后續(xù)相對枯燥的基礎課程助力。當然，這種演示是有選擇性的，具體的選擇標準是：所在學校準備讓學生沿著哪一個方向（或哪一個行業(yè)）登上物聯(lián)網技術這座山的峰。

承。沿著所選擇的方向組織基礎課程的實驗教學。“承”要完成的工作是：在“起”引起學生們的興趣后，讓學生明白“起”所展示的一切是怎么取得的，也就是說，從相應的技術點上設計實驗項目，消化所學的基礎課程，為后期綜合性較強的物聯(lián)網實驗項目做預備。這一個階段的內容選擇是個難點：忌多，忌泛，在滿足后續(xù)實驗支撐需求的情況下，盡量簡化，最大限度地讓老師教起來輕松、學生學起來大部分人能明白。老師們有這么個共識：學生能不能學下去，關鍵在于他當前能不能明白，有過幾次不明白的時候后，學生的興趣就會蕩然無存。

轉。在有足夠、適用的基礎實驗支撐后，進入第三個階段——“轉”。這一階段的內容就是物聯(lián)網專業(yè)實驗項目，綜合性較強。在選擇教學內容時，一般應遵循以下原則：視學生情況定實驗難度，重基礎，重有仿照內容的。為了讓老師的表述更清晰、學生的興趣不受到打擊，內容切忌過繁、過深。在譚浩強老師的C語言書中，存在眾多復雜的C語言知識提都沒提，學生學了后照樣可編寫程序，這一點，值得物聯(lián)網實驗設計時借鑒。

合。如同寫一遍文章時的首尾呼應，“合”做的工作是，讓學生們部分或全部地實現(xiàn)在“起”階段所看到的工程，也就是說，將“承”“轉”兩個階段所得到的知識用于工程實踐。如果起、承、轉三個階段的內容選擇方向明確、難易適度，到達“合”階段后，學生的興趣就會很高?！拔易鲞^的才真正明白”，學生若能獨立完成工程項目，從學校教學角度而言，學生就到達了教學要求的物聯(lián)網技術這座“山”的頂點，教學也就實現(xiàn)了它的目標。

總而言之，以上“起承轉合”結構的核心是去繁取精，定方向找捷徑，讓教師輕松學生學得明白。

三、“起承轉合”式實踐教學組織示例

一方面，物聯(lián)網技術有著廣泛的技術覆蓋，這為教學內容選擇帶來了難度。另一方面，物聯(lián)網技術研究的最終成果以工程項目的形式體現(xiàn)，這為探究簡化教學模式提供了依據(jù)和方向。不同的方向選擇將體現(xiàn)出不同學校的教學特色，圖2是以物聯(lián)網電子商務作為突破方向的一種物聯(lián)網實驗教學起承轉合模式的扼要介紹。

以上教學模式實施要成功，關鍵在于內容的選擇精簡，切忌讓學生走馬觀花、眼花繚亂。在有限的時間內講千個問題學生一個都沒懂不如講十個問題讓學生懂上六七個。顯然，基礎課程實驗在各個方向上有著幾乎一致的共性，如果學生真正從物聯(lián)網電子商務找到了突破口學明白了，要轉到其他物聯(lián)網應用工程或科研領域，也是有基礎的。

四、結語

以讓教師講得輕松、學生尤其是地方本科院?；A相對較弱的學生學得明白為目標，為簡化、高效化物聯(lián)網工程專業(yè)的實踐教學，本文引出了一種“起承轉合”式物聯(lián)網實踐教學模式。為使這種教學模式高效實施，現(xiàn)在急需與之配套的實驗設備、實驗教材，我們將為之努力，也盼望得到教師同行和企業(yè)工程師們的支持。

參考文獻：

[1]崔貫勛，王勇，王柯柯，等.基于CDIO的物聯(lián)網工程專業(yè)實踐教學體系的研究與實踐[J].實驗技術與管理，2013，30（5）：111-114.

[2]李仲生，唐杰，黃同成，等.地方本科院校物聯(lián)網工程專業(yè)建設探討[J].考試周刊，2013，（67）：136-138.

[3]吳功宜.對物聯(lián)網工程專業(yè)教學體系建設的思考[J].計算機教育，2010，（21）：26-29.

（責任編輯：劉輝）