孫鈺,許福,張海燕,李巨虎,陳志泊
(北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,北京100083)
物聯(lián)網(wǎng)是我國“十三五”規(guī)劃的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),其專業(yè)人才的培養(yǎng)已成為當務(wù)之急[1]。目前面向物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)還處在探索階段,國內(nèi)外并沒有一個成熟的培養(yǎng)模式和課程體系[2]?!扒度胧较到y(tǒng)”是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門專業(yè)核心課,是“操作系統(tǒng)”“計算機網(wǎng)絡(luò)”“數(shù)字電路”等專業(yè)基礎(chǔ)課的后續(xù)課程,同時又是“無線網(wǎng)絡(luò)”“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”“物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐”等多門主要專業(yè)課的先修課程。因此,它在整個教學(xué)體系中起著承前啟后的重要作用,課程本身及實驗應(yīng)有較高的應(yīng)用性、前沿性和綜合性。
教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的指導(dǎo)思想是重點進行應(yīng)用型、工程型人才的培養(yǎng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)的設(shè)置需要綜合考慮相關(guān)交叉學(xué)科的特點,注重課程體系的交叉融合[4]。
“嵌入式系統(tǒng)”實踐性強,要求學(xué)生在實驗中操作硬件,驗證嵌入式理論。現(xiàn)階段主要沿用計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實驗內(nèi)容[5-6],應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)時存在以下不足之處:
(1)實驗箱的硬件遠遠落后于目前的主流嵌入式平臺。目前,機房的試驗箱型號為UPNETARM2410-S,其處理器屬于ARM9系列,為2008年的主流配置,現(xiàn)已停產(chǎn)。然而,隨著智能手機的興起,嵌入式系統(tǒng)獲得了超過摩爾定律的發(fā)展速度。目前智能機的市場占有率已超過90%。即使低端的Android智能手機(ARM Cortex-A設(shè)備),其嵌入式硬件水平也比試驗箱先進數(shù)倍,有強大的多媒體功能及友好的人機界面,普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層設(shè)備。學(xué)生在“移動開發(fā)”課程中已經(jīng)接觸過先進的嵌入式設(shè)備(Android智能機),而在后續(xù)的“嵌入式系統(tǒng)”卻只能使用老舊的ARM9設(shè)備,導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性低下。
(2)實驗未按照物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)劃分模塊,導(dǎo)致實驗練習(xí)的技術(shù)路線單一,學(xué)生間缺乏分工合作,并只能以個人為單位完成。目前試驗箱僅支持嵌入式Linux操作系統(tǒng),不支持新出現(xiàn)的Android移動操作系統(tǒng)。在嵌入式Linux下,開發(fā)語言也局限于C和C++,不能使用Java及Python等現(xiàn)代語言。學(xué)生在實驗中,僅能練習(xí)Linux系統(tǒng)的C/C++編程。另外,軟件未根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)進行模塊化分割,學(xué)生無法以合作的方式完成實驗,更無相應(yīng)的考核機制。
(3)實驗內(nèi)容與“移動開發(fā)”“智能家居”“物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論”等新課程缺乏聯(lián)系,綜合性不足?!扒度胧较到y(tǒng)”是一門傳統(tǒng)課程,早期的嵌入式以工控為主,實驗內(nèi)容也以工控為主。隨著成本的下降和物聯(lián)網(wǎng)的普及,嵌入式已成為消費電子領(lǐng)域的主流技術(shù),而該課程的實驗還不能體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的最新應(yīng)用,內(nèi)容缺乏綜合性與創(chuàng)新性。
強化試驗箱的底層控制功能,標準化其對外接口,保留大部分原有硬件。機房試驗箱的處理器屬于ARM9系列,ARM公司將其定位為微控制器,適用于物聯(lián)網(wǎng)底層的控制及傳感。盡管ARM9的多媒體功能已經(jīng)非常落伍,但仍具有很強的底層控制功能,借助其豐富的IO管腳,操作試驗箱的步進馬達、ADC、DAC、LED及蜂鳴器等硬件。在試驗箱的智能化升級與改造中,將弱化多媒體播放,剔除試驗箱的多媒體實驗(MP3播放、視頻播放等),增加控制及傳感的內(nèi)容,并提供符合物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范的接口,供上層調(diào)用。
為試驗箱升級Wi-Fi、藍牙及3G等無線模塊,滿足物聯(lián)網(wǎng)對無線組網(wǎng)的需求。無線組網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的大勢所趨,也是學(xué)生參與競賽及招聘的熱點問題。而試驗箱的網(wǎng)絡(luò)仍以有線網(wǎng)絡(luò)為主,以落后的紅外及2G無線網(wǎng)絡(luò)為輔,難以滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)對無線組網(wǎng)的需求。本項目將采購先進的Wi-Fi,藍牙4.0及3G模塊,通過試驗箱已有的串口或USB接口連接新的無線模塊,實現(xiàn)平滑升級。
整合Android智能手機,作為試驗箱的人機界面與控制中心。目前智能機的市場占有率已超過90%。即使低端的Android智能手機,其硬件水平也比試驗箱先進數(shù)倍。運行Android的嵌入式系統(tǒng)有強大的多媒體功能及友好的人機界面,普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層設(shè)備。學(xué)生在先修課程“移動開發(fā)”中,已經(jīng)掌握了在Android設(shè)備上進行軟件開發(fā)的技能。本項目擬采購少量千元級別的國產(chǎn)Android手機,同時發(fā)揮學(xué)生已有Android手機的作用,借助無線組網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)Android手機對試驗箱硬件的遠程物聯(lián)網(wǎng)化操作。
將試驗箱定位于感知層、Android智能機定位于應(yīng)用層,兩層保持獨立性。根據(jù)試驗箱及Android手機中嵌入式處理器的等級,將二者分配至物聯(lián)網(wǎng)合適的位置,發(fā)揮各自所長。ARM公司將ARM9處理器定位為微控制器。因此,基于ARM9的UP-NETARM2410-S試驗箱型號適用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的控制及傳感。運行Android的嵌入式系統(tǒng)有強大的多媒體功能及友好的人機界面,普遍作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層設(shè)備。
新增的無線模塊定位于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層,通過標準接口耦合感知層與應(yīng)用層。新增的Wi-Fi、藍牙及3G等無線模塊作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸層設(shè)備,連接原有的試驗箱和新增的Android智能機。試驗箱通過標準物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議向Android手機提供控制箱內(nèi)硬件的接口,在保持感知層和應(yīng)用層松耦合的前提下,完成無線的可感、可傳及可控。
設(shè)計新的實驗考核機制,即根據(jù)各層及總體的完成度科學(xué)評價學(xué)生的實驗成績。新實驗題目的各模塊分別對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層,需要3名學(xué)生分工協(xié)作,實現(xiàn)各層的功能,并向外提供接口,最終完成物聯(lián)網(wǎng)整體的聯(lián)通。在考核時,既要考核本人分工內(nèi)的完成度,也要考察其在總體中的工作量,合理分配各模塊與總體的權(quán)重,科學(xué)衡量學(xué)生的嵌入式實踐能力。
實驗內(nèi)容整合移動開發(fā)和Android系統(tǒng)等多項新技術(shù),增強綜合性。盡管試驗箱僅支持嵌入式Linux操作系統(tǒng),不支持新出現(xiàn)的Android移動操作系統(tǒng)。但通過無線模塊整合Android智能機后,學(xué)生可在試驗中使用Java等現(xiàn)代語言實踐移動開發(fā)技術(shù)。與“移動開發(fā)”課程不同的是,本課程的實驗側(cè)重于Android智能機對傳統(tǒng)硬件的控制,而非純粹的軟件開發(fā)。通過整合移動開發(fā)和Android系統(tǒng)等多項新技術(shù),極大提高了實驗的綜合性,更好地鍛煉學(xué)生的軟硬件開發(fā)能力。
實驗選題圍繞“互聯(lián)網(wǎng)+”在智能家居、智慧林業(yè)的應(yīng)用展開?!盎ヂ?lián)網(wǎng)+”已廣泛應(yīng)用于智能家居、水土保持、物流倉儲等行業(yè)。嵌入式設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)中處于主導(dǎo)地位。實驗的選題不僅僅是簡單地遠程操作步進馬達、讀取傳感器數(shù)據(jù)等,而是有具體的應(yīng)用場景,以智能家居為例,根據(jù)Android手機無線讀取光線及溫度傳感器的數(shù)據(jù),綜合用戶的生活習(xí)慣,智能決策試驗箱控制窗簾馬達的啟停,營造舒適的家居環(huán)境。情景化選題使學(xué)生明確學(xué)習(xí)的目的,提高了學(xué)習(xí)積極性。
鼓勵學(xué)生設(shè)計新的嵌入式應(yīng)用場景,升級軟件功能,鼓勵學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用日新月異,融入生產(chǎn)生活的方方面面。實驗中,鼓勵學(xué)生在已有硬件的基礎(chǔ)上,根據(jù)自己的學(xué)習(xí)心得和生活實踐,設(shè)計新的應(yīng)用場景,升級軟件部分,特別是Android手機的APP。在保持底層硬件不變及接口穩(wěn)定的前提下,通過軟件升級,適配新的應(yīng)用場景,使實驗中的小型物聯(lián)網(wǎng)更智能,并在考核中科學(xué)評價其創(chuàng)新性。
(1)加強該課程與先修課和后續(xù)課的溝通與交流,總結(jié)其在教學(xué)方法、考試模式等方面的經(jīng)驗和不足;向兄弟院校的相關(guān)專業(yè)進行廣泛調(diào)研,借鑒其方法和手段;獲取本專業(yè)學(xué)生的反饋信息,了解其他專業(yè)對課程的需求情況。進行課程優(yōu)化,處理理論授課與實踐授課之間的關(guān)系。
(2)選取和搜集物聯(lián)網(wǎng)在實際生產(chǎn)中的典型案例,提煉案例中的知識點,使其具有整體性、連貫性和實用性。隨著實驗的推進,學(xué)生可以將案例完整地實現(xiàn)出來,能有效地將所學(xué)知識點融會貫通,增強自信心、提高學(xué)習(xí)的動力。
(3)教研結(jié)合,注重引導(dǎo)。通過鼓勵學(xué)生參加各級計算機競賽、申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、參加教師的科研項目等形式,促進學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新性思維的培養(yǎng),提高學(xué)生的應(yīng)用能力。在實際應(yīng)用中檢驗教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)成果,實現(xiàn)理論與實踐的有效結(jié)合。
(4)在整個課程改革中,提出穩(wěn)固基礎(chǔ)知識、提高編程能力、開拓知識層面、倡導(dǎo)實踐應(yīng)用的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才程序設(shè)計能力的培養(yǎng)模式,培養(yǎng)出適應(yīng)經(jīng)濟和社會發(fā)展需要的、本領(lǐng)過硬的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才。
實踐證明,對“嵌入式系統(tǒng)”實驗的三項改革,加強了實驗的綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性,解決了“嵌入式系統(tǒng)”課程基礎(chǔ)知識與“互聯(lián)網(wǎng)+”前沿技術(shù)的脫節(jié)問題,有利于培養(yǎng)具備嵌入式軟硬件設(shè)計能力的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。未來的改革中,我們將進一步強化新興硬件的引入,及時將“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新成果引入課堂。
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[3]教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會.高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范(試行)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:1-4,22-23.
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