高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)研究

周瑞琪 李英 毛謙昂 陳妍茜

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)面向應(yīng)用、多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)。為了培養(yǎng)針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的人才，需要建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。文中通過對各類物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)產(chǎn)品的定位、功能及高校中的應(yīng)用情況進(jìn)行梳理分析，提出了高校建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建議。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是讓所有能行使獨(dú)立功能的普通物體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1]，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上對用戶端的延伸與擴(kuò)展，按照約定的協(xié)議，能夠把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，從而進(jìn)行信息交換和通信，大幅增加了可收集到的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類型。將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析與智能決策技術(shù)進(jìn)行融合，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和挖掘，更加迅速、準(zhǔn)確、智能地對物理世界進(jìn)行管理和控制[2]，從而推動(dòng)產(chǎn)品與服務(wù)創(chuàng)新，打造全新的商業(yè)模式，加速行業(yè)變革[3]。因此，針對物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和典型應(yīng)用的研究開發(fā)成為各高校和相關(guān)企業(yè)的重要工作，也成為各高校相關(guān)專業(yè)教學(xué)和科研的新方向。

培養(yǎng)掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并將其應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與專業(yè)教學(xué)技能的人才十分重要。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中的重要工具，因此，針對目前已有的各類平臺(tái)，對其進(jìn)行定位、功能等梳理分析具有重要意義。

國外學(xué)者對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與平臺(tái)開發(fā)做出了一些研究。例如，Mazhelis等認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)在不同的研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用范圍，包括射頻識別、機(jī)對機(jī)交流、普適計(jì)算等[4]；一些學(xué)者提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，如大數(shù)據(jù)、互操作性、安全性、隱私等[5]；Kumar比較了現(xiàn)有的多種基于云的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，并仔細(xì)評價(jià)了IBM平臺(tái)，通過比較多種不同的開發(fā)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)，所有平臺(tái)均能提供物聯(lián)網(wǎng)的基本功能，但I(xiàn)BM的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在集成運(yùn)行時(shí)間和開發(fā)友好性方面顯示了其獨(dú)特優(yōu)勢[6]。

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探索與建設(shè)，國內(nèi)一些學(xué)者做了研究，并取得了一定成果。在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置方面，趙同剛等人根據(jù)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃，以突出通信特色為出發(fā)點(diǎn)，以實(shí)際工程為背景，著力提高學(xué)生的工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使得學(xué)生在掌握基本知識和工程實(shí)踐能力方面有了較大進(jìn)步[7]；陳玉川利用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新實(shí)踐，將創(chuàng)新教學(xué)融入到校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方式的創(chuàng)新[8]。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方面，樊曉露等人設(shè)計(jì)了虛擬智慧供應(yīng)鏈貿(mào)易管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生最終能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的貿(mào)易生產(chǎn)過程，以及從重視客戶需求到個(gè)性化生產(chǎn)、流通、交易再到服務(wù)的過程[9]；周艷構(gòu)建了基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)倉儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在完成原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開設(shè)了更多的綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還開設(shè)有物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)工程交叉領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)[10]；楊宏偉等結(jié)合智能家居的特點(diǎn)及特殊應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于RFID和傳感網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對各控制節(jié)點(diǎn)的指令控制，并通過家居智能網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[11]。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，賈江葉將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、RFID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和探索開放實(shí)驗(yàn)等三個(gè)部分[12]；孫冠男提出了包含射頻，WiFi，藍(lán)牙，ZigBee，3G/GPRS等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，闡述了基礎(chǔ)教學(xué)部分、接入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)部分與綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)部分的三層實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成的總體架構(gòu)[13]；劉佳等設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在物流、家居和醫(yī)護(hù)等方面的典型應(yīng)用[14]。

通過梳理文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外的研究較少針對基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。許多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重點(diǎn)關(guān)注培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)中感知層和網(wǎng)絡(luò)層的技術(shù)，較少涉及應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理和上層用戶接口，學(xué)生難以體會(huì)到完整的行業(yè)應(yīng)用過程。實(shí)訓(xùn)與實(shí)驗(yàn)的行業(yè)覆蓋度低，創(chuàng)新性有待提高。因此，對我國高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)產(chǎn)品及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和研究具有重要意義。

1 主要的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)品類型

通過對已有的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行梳理，可以把這些產(chǎn)品分為三類：用來配合基礎(chǔ)理論課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，擴(kuò)展性強(qiáng)的科研型物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)，以及側(cè)重應(yīng)用實(shí)訓(xùn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用沙盤實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。這三類物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)品的簡介及特點(diǎn)見表1所列。

2 高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

2.1 高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)模式

根據(jù)對高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)教師的電話訪談和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方式主要包括以下兩種：

（1）根據(jù)自身需求，直接購買物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，自己進(jìn)行硬件組裝與開發(fā)。通常，高校的計(jì)算機(jī)、電子、通信、機(jī)械等專業(yè)會(huì)采取這種做法。

（2）與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)公司合作，共建物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由公司對學(xué)校需求進(jìn)行調(diào)研，定制物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)解決方案，設(shè)計(jì)項(xiàng)目并配備設(shè)備。這種方法適合非物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)結(jié)合本專業(yè)特色，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行課題研究。

2.2 高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)

高校建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的目標(biāo)主要包括課程實(shí)驗(yàn)、競賽設(shè)計(jì)、科研開發(fā)、創(chuàng)新項(xiàng)目等四個(gè)方面，如圖1所示。

從圖1中可以看出，高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)首先應(yīng)滿足最基本的目的，即配合課堂教學(xué)開展課程實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生進(jìn)一步理解課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，完成物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)、動(dòng)手能力的培養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上，為學(xué)生參與物聯(lián)網(wǎng)競賽提供練習(xí)與開發(fā)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和動(dòng)手能力。其次，科研方面應(yīng)提供模塊化、擴(kuò)展性強(qiáng)的平臺(tái)，配合各類課題研究，作為科研項(xiàng)目的原型研發(fā)平臺(tái)，取得關(guān)鍵技術(shù)的突破。最后，學(xué)生在廣泛了解物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上有了產(chǎn)品創(chuàng)意，平臺(tái)應(yīng)能支撐學(xué)生完成創(chuàng)意開發(fā)，使學(xué)生積累項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，利于培育物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面的創(chuàng)新成果。

2.3 建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建議

匯總通過與各高校實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人郵件聯(lián)系、電話訪談獲得以及從網(wǎng)站上搜集到的數(shù)據(jù)，得到的信息見表2所列。從表2中可以看出：自2010年初教育部下達(dá)了高校設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)申報(bào)通知開始，一些高校逐漸開始重視物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)；平臺(tái)多建在計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、電子與電氣工程、電子信息與通信、自動(dòng)控制、遙感與遙測、精密儀器、電子商務(wù)等院系及專業(yè)。高校多為理工科類、綜合類本科院校及高職高專院校。

高校中的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要集中在面向研究生、博士生的科研型平臺(tái)（如清華大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)研究中心、武漢理工大學(xué)的交通物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室），及面向?qū)？茖W(xué)生的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（如山東英才學(xué)院的物流實(shí)訓(xùn)中心、無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)基地）。相比之下，面向本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)型平臺(tái)（如北京科技大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室）較少。與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)存在較大空缺，需要高校和企業(yè)不斷探索。

未來本科院校物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)，除了技術(shù)層面，還要關(guān)注商務(wù)層面的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。面向現(xiàn)代高新產(chǎn)業(yè)，在寬口徑專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)的基礎(chǔ)上，支撐學(xué)生商業(yè)創(chuàng)意的驗(yàn)證和落地，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。學(xué)生通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成實(shí)際項(xiàng)目實(shí)踐，進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目開發(fā)及項(xiàng)目成熟后的創(chuàng)業(yè)孵化。

（1）針對不同的專業(yè)與層次細(xì)化物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。對于高水平院校通信、電子等專業(yè)，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)能夠靈活定制物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生基于這些平臺(tái)進(jìn)行理論與應(yīng)用創(chuàng)新；對于普通學(xué)校的通信、電子等專業(yè)，應(yīng)當(dāng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)、維護(hù)、部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的能力；對于商業(yè)、經(jīng)濟(jì)、管理等專業(yè)，應(yīng)當(dāng)提供易于操作、具有宏觀視野的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中了解并認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)，掌握物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方式與成本等概念。滿足不同專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的需求，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

（2）物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要與云平臺(tái)、商務(wù)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，形成完善的實(shí)驗(yàn)體系。為學(xué)生搭建虛擬云計(jì)算環(huán)境，利于學(xué)生自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)對云平臺(tái)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，從而進(jìn)行商業(yè)分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭尚幸娊?，進(jìn)行業(yè)務(wù)優(yōu)化。

（3）在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)前，高校應(yīng)加強(qiáng)與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)企業(yè)的聯(lián)系與合作。通過與物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)合作，可以了解各行業(yè)最前沿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用情況與趨勢，并將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與不同的行業(yè)背景相結(jié)合，如金融、物流、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的公共技術(shù)基礎(chǔ)、行業(yè)廣度和靈活應(yīng)用能力，使學(xué)生能夠?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有整體把握。同時(shí)，新穎的應(yīng)用場景也可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié) 語

本文對高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)產(chǎn)品及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。面向本科生、滿足“課程實(shí)驗(yàn)、競賽設(shè)計(jì)、科研開發(fā)、創(chuàng)新項(xiàng)目”目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)仍在探索過程中。針對本科院校物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)，除了技術(shù)層面，還要關(guān)注商務(wù)層面的創(chuàng)新能力，應(yīng)與云平臺(tái)、商務(wù)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，形成完善的實(shí)驗(yàn)體系。針對不同專業(yè)與細(xì)化層次的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，加強(qiáng)與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)企業(yè)的聯(lián)系，滿足不同專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)需求，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力，從而培養(yǎng)出可將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才。

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