物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式綜述

陳春梅 郭明明

摘要：近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，市場人才需求正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。在不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)必將會(huì)帶動(dòng)通信行業(yè)的又一次革命浪潮。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)為高校新辦專業(yè)，有關(guān)教學(xué)設(shè)置和教學(xué)模式都還在摸索當(dāng)中。為了盡快滿足教學(xué)需求，各高校必須結(jié)合自身特點(diǎn)，努力建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程以及相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。本文在探討物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程體系的同時(shí)，研究了其實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)模式，分析了它們各自的特點(diǎn)，并給出了一些建議。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)專業(yè);實(shí)踐教學(xué);教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）35-0150-03

一、概述

物聯(lián)網(wǎng)在當(dāng)今社會(huì)已成為一個(gè)熱點(diǎn)話題，它正不斷應(yīng)用到我們的生活中。物聯(lián)網(wǎng)是指通過裝置在物體上的各種傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別RFID裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)GPS、激光掃描器等，按照約定的協(xié)議，通過相應(yīng)的接口把物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨型網(wǎng)絡(luò)[1，2]。2010年，教育部開始將物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)的重點(diǎn)，鼓勵(lì)各大高校申報(bào)相關(guān)專業(yè)。作為培養(yǎng)市場所需人才的高校來說，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)顯得尤為重要，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室也成為當(dāng)務(wù)之急。高等院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)該注重培養(yǎng)具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和具有較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐能力的全方位人才[3，4]，這就要求高等院校在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)方面建立和完善適應(yīng)于學(xué)生發(fā)展的實(shí)踐教學(xué)體系。

二、物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)研究，按照自底向上的方法，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)從技術(shù)和功能角度可以分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

感知層主要是前端信息采集以及控制終端，要求能夠全面感知物理世界的各種信息，由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，是物聯(lián)網(wǎng)信息的源頭。用于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的傳感器主要有溫濕度傳感器、氣體傳感器、水質(zhì)傳感器等。它利用射頻識(shí)別（RFID）器件、嵌入式設(shè)備、無線傳感網(wǎng)等全面感知物體的各種信息，具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、成本低等特點(diǎn)[5]?？梢姡兄獙邮俏锫?lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的底層技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

網(wǎng)絡(luò)層由光載無線交換系統(tǒng)（主要包括光載無線交換機(jī)、遠(yuǎn)端射頻單元、模擬光纖、WIFI設(shè)備服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)）和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同組成，是各種信息與互聯(lián)網(wǎng)的融合、傳輸和接入層，是基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[6]。

應(yīng)用層的主要作用是支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中各類平臺(tái)技術(shù)的運(yùn)行，這些技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)信息存儲(chǔ)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信息共享和交互技術(shù)以及各行業(yè)末端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)等，主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)技術(shù)的深度融合和無處不在的智能化功能[7]。應(yīng)用層是由后臺(tái)數(shù)據(jù)中心、遠(yuǎn)程客戶端以及裝載在其中的各種應(yīng)用程序共同組成的，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端信息和控制終端的管理和應(yīng)用。

這三個(gè)層次基本涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)主要的核心知識(shí)和應(yīng)用范圍，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)指出了明確的方向。

三、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)典型解決方案

我國高校開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是近五年的事，由于整個(gè)專業(yè)起步比較晚，相對(duì)來說，實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的配備更遲一步，不管是各大高校還是服務(wù)于高校的企業(yè)單位，對(duì)該專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)配套設(shè)施都還處于起步階段。如何定位高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)，如何確定相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)模式，對(duì)此，本文進(jìn)行了相關(guān)分析和總結(jié)。

（一）體驗(yàn)實(shí)踐的廣泛感知模式

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本身與電子、通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域密切相關(guān)，但它也應(yīng)該有自己明顯的特性。據(jù)了解，各大高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基本都設(shè)置在計(jì)算機(jī)學(xué)院或信息學(xué)院，如何把物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與同學(xué)院其他專業(yè)區(qū)分開來？基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐特性，一些大學(xué)從實(shí)踐環(huán)節(jié)入手，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給出了解決方案。該方案認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)該重視基本應(yīng)用開發(fā)能力的培養(yǎng)、應(yīng)該建立寬泛的可操作環(huán)境，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)有可選性，鼓勵(lì)創(chuàng)新精神，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目的整體把握能力。

方案中指出，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)該從專業(yè)認(rèn)識(shí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、競賽活動(dòng)等方面進(jìn)行改進(jìn)。據(jù)調(diào)查，新生的專業(yè)認(rèn)識(shí)一般是統(tǒng)一參觀專業(yè)實(shí)驗(yàn)室或某個(gè)網(wǎng)絡(luò)公司或以講座形式向?qū)W生展示專業(yè)的發(fā)展，使學(xué)生獲得對(duì)自己專業(yè)的初步認(rèn)識(shí)。新的解決方案是建立特定行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“綜合演示實(shí)訓(xùn)中心”，通過參觀該實(shí)訓(xùn)中心，讓學(xué)生從整體上認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及其應(yīng)用場合，從而增加學(xué)生對(duì)專業(yè)的理解，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣。生產(chǎn)實(shí)習(xí)方面，通常是帶領(lǐng)學(xué)生到生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)。由于物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)新興行業(yè)，可供學(xué)生進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場比較少，因此需要重新制定物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)習(xí)解決方案。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，建立“物聯(lián)網(wǎng)綜合演示實(shí)訓(xùn)中心”供學(xué)生感性體驗(yàn)，或者利用學(xué)校與企業(yè)聯(lián)合共建的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)示范基地以及學(xué)校自建的實(shí)訓(xùn)中心是比較有效的方案。專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，應(yīng)做到學(xué)與做同行。為滿足多樣化需求，應(yīng)完善豐富專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，從而豐富課程設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如果教師時(shí)間緊，可以采用第三方提供的產(chǎn)品方案。通過學(xué)科競賽，讓學(xué)生可以在創(chuàng)新、理論付諸實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作三個(gè)方面促進(jìn)增長。

在高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展方面，方案給出了三步走策略：綜合演示實(shí)訓(xùn)類、應(yīng)用實(shí)訓(xùn)類以及基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)類。對(duì)于綜合演示實(shí)訓(xùn)類，針對(duì)高校的行業(yè)特點(diǎn)，建立其相應(yīng)的應(yīng)用型實(shí)訓(xùn)中心，比如智能家居系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等，提供專業(yè)認(rèn)識(shí)、科技創(chuàng)新、科研、畢業(yè)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。對(duì)于應(yīng)用實(shí)訓(xùn)類，構(gòu)建通用典型的物聯(lián)網(wǎng)小型系統(tǒng)以及中規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)，比如智能停車管理實(shí)訓(xùn)室、智能農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)室等，提供專業(yè)認(rèn)識(shí)、課程設(shè)計(jì)、科技競賽及創(chuàng)新相關(guān)的實(shí)驗(yàn)服務(wù)。對(duì)于基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)類，進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)、課程設(shè)計(jì)等專業(yè)基本能力培養(yǎng)，比如傳感器、單片機(jī)、FPGA實(shí)驗(yàn)室等。

（二）精品案例教學(xué)模式

對(duì)于概念和應(yīng)用寬泛的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來說，與其面面俱到廣而不精，不如采用精品案例教學(xué)模式。學(xué)校結(jié)合自身的長處，選擇適合自己的培養(yǎng)方向，這不僅可以充分利用現(xiàn)有資源，更能體現(xiàn)針對(duì)性，且學(xué)生容易入門。為此，一些企業(yè)隨之打造了類似產(chǎn)品，以求能夠通過某個(gè)具體精品案例，把物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)體現(xiàn)得淋漓盡致，在追求精品的同時(shí)，不失整體的實(shí)踐教學(xué)模式。

方案中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)選取了典型的案例——智能家居，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。智能家居融合自動(dòng)化控制系統(tǒng)、無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)于一體，形成智能化、網(wǎng)絡(luò)化的家居控制系統(tǒng)，將家中的各種設(shè)備（如照明系統(tǒng)、音視頻設(shè)備、窗簾控制、安防系統(tǒng)、空調(diào)控制、數(shù)字影院系統(tǒng)等）通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起，從而實(shí)現(xiàn)全方位的信息交互，保持信息交流暢通，環(huán)保節(jié)能，節(jié)約資金，增強(qiáng)家居安全。智能家居系統(tǒng)可提供的實(shí)驗(yàn)為智能移動(dòng)視頻監(jiān)控實(shí)驗(yàn)、智能門禁實(shí)驗(yàn)、智能電燈控制實(shí)驗(yàn)、智能窗簾控制實(shí)驗(yàn)、家居環(huán)境參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)，通過這些實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更好地鍛煉動(dòng)手能力。

方案通過智能家居系統(tǒng)引出物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)主要分為物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)接入教育、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)可提供多款CPU，例如8051核CPU、cortex m3核CPU和FPGA等，使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)不同復(fù)雜度、不同成本的CPU連接傳感器進(jìn)行信號(hào)采集的流程。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)還可以提供多款傳感器。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)的核心思想是提供一套可以更換CPU芯片的、能夠連接多種傳感器的試驗(yàn)教學(xué)裝置，目的是讓學(xué)生能夠?qū)W習(xí)各種傳感器的應(yīng)用，包括傳感器信息采集、傳感器信號(hào)分析和接口電路設(shè)計(jì)。其優(yōu)勢特點(diǎn)是提供一套能夠使用不同類型CPU實(shí)現(xiàn)傳感器信息采集與處理的實(shí)踐教學(xué)裝置，提供多種傳感器應(yīng)用，包括聲音、電磁、溫度、濕度、氣體、紅外、光照、機(jī)械動(dòng)作等多種感知信號(hào)。提供多樣的傳感器接口，包括模擬接口、數(shù)字接口和開關(guān)量接口。物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)的核心思想是提供這樣一套實(shí)驗(yàn)裝置：在完成無線網(wǎng)絡(luò)管理和射頻識(shí)別信息處理的同時(shí)，可以將數(shù)據(jù)通過不同網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中心，目的是讓學(xué)生掌握WIFI、GPRS、3G網(wǎng)絡(luò)組成，信息傳輸過程中的關(guān)鍵性參數(shù)配置，傳輸性能分析等內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心思想是提供一套能夠涵蓋物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵性技術(shù)，即軟交換技術(shù)和IPv6技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)裝置和教學(xué)資源，使學(xué)生能夠掌握主流的網(wǎng)絡(luò)信息交換技術(shù)。

（三）二次研發(fā)實(shí)踐模式

對(duì)于體系比較龐大、涉及知識(shí)比較繁多的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來說，讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐從底層到頂層完整走一遍的思路或許是一條學(xué)習(xí)捷徑。二次研發(fā)教學(xué)模式即讓學(xué)生在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上完成個(gè)性設(shè)置和修改部分功能模塊的方式體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作流程，從而學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。一些公司推出了二次開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如基于WSN（Wireless Sensor Network）的物聯(lián)網(wǎng)解決方案體系架構(gòu)ATOS平臺(tái)，該平臺(tái)框架如圖3所示。ATOS物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)采用一套設(shè)備兩套協(xié)議的方式，這兩套協(xié)議包括標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee協(xié)議和基于TinyOS的開源自主協(xié)議。TOS系統(tǒng)采用開源TinyOS操作系統(tǒng)，向用戶公開了路由協(xié)議和上層軟件源代碼，用戶可以根據(jù)各種應(yīng)用需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，包括傳感器設(shè)置，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、訪問等環(huán)節(jié)均提供二次開發(fā)接口，用戶可以修改和設(shè)計(jì)自己所關(guān)注的部分，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工作。這給高校初學(xué)物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生提供了簡單易行的軟硬件開發(fā)機(jī)會(huì)。

ATOS平臺(tái)主要設(shè)計(jì)了傳感器數(shù)據(jù)采集、基站數(shù)據(jù)匯聚、網(wǎng)關(guān)對(duì)外發(fā)送、采集系統(tǒng)解析以及遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)等功能，它從整體上為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生提供了從傳感數(shù)據(jù)到終端用戶的各個(gè)流程，讓實(shí)踐過的學(xué)生能夠徹底理解物聯(lián)網(wǎng)從底層到應(yīng)用層再到終端的基本架構(gòu)。

該方案不同于其他實(shí)訓(xùn)模式，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式多為“現(xiàn)場觀摩為主、基本不予參與”，在本方案中，學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)提供的二次開發(fā)平臺(tái)，重現(xiàn)上述具備的所有功能，或根據(jù)自己的需求改寫新的控制邏輯，因此具備較好的學(xué)習(xí)參與度。另外，該方案還可采用硬件組態(tài)的設(shè)計(jì)模式，根據(jù)不同的需求選配不同模塊組建自己的試驗(yàn)平臺(tái)，以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。而且，系統(tǒng)中絕大部分設(shè)備和器件，如傳感器、氣動(dòng)部件等，都是工業(yè)現(xiàn)場使用的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)元件，學(xué)生如同實(shí)踐在一個(gè)真實(shí)生產(chǎn)的過程中，能夠?qū)W到真正實(shí)用的專業(yè)知識(shí)和操作技能。

另外，ATOS平臺(tái)中的實(shí)訓(xùn)定位功能，也能更好地全面地鍛煉物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生。該功能體現(xiàn)為室內(nèi)人員精確定位技術(shù)的演示與測試，它采用基站定位技術(shù)，即利用已知基站來定位移動(dòng)點(diǎn)的位置，在對(duì)信息進(jìn)行收集與統(tǒng)計(jì)之后，實(shí)現(xiàn)軌跡與區(qū)域的實(shí)時(shí)定位等功能。與傳統(tǒng)的RFID刷卡式人員定位不同，它可靈活地實(shí)現(xiàn)人員隨時(shí)隨地定位。

四、總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，為高校學(xué)生提供了廣闊的就業(yè)前景。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)所涉及的硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)大多是現(xiàn)有技術(shù)的綜合應(yīng)用，因此，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是工程實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，若要培養(yǎng)出理論知識(shí)與動(dòng)手能力于一身的綜合型人才，就需要高校制定出一套完善的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)體系。由于物聯(lián)網(wǎng)的提出本身涉及多門學(xué)科，故其課程體系具有一定的交叉性和動(dòng)態(tài)發(fā)展特性，因此，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)面臨新模式的挑戰(zhàn)，這也給各高校根據(jù)自身優(yōu)勢摸索出新專業(yè)辦學(xué)特色提供了良好機(jī)遇。

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