物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)課程改革研究

張 軍，趙英豪，褚云霞，李 娟

（石家莊學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)是石家莊學(xué)院科學(xué)與技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)的核心必修課程，具有非常重要的地位和作用.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，它是以計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的一門(mén)綜合性信息技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)又是一門(mén)典型的交叉性學(xué)科，它涉及了計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信、網(wǎng)絡(luò)工程和管理科學(xué)等學(xué)科知識(shí)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)、地質(zhì)勘探、測(cè)量等相關(guān)部門(mén)[1，2].本課程的任務(wù)是使學(xué)生具備運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)理論分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為將來(lái)從事物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)奠定一定的基礎(chǔ).受技術(shù)發(fā)展太快和實(shí)驗(yàn)條件的限制，物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)過(guò)程中一般以理論為主，安排的實(shí)驗(yàn)也以演示型和驗(yàn)證型為主，做完實(shí)驗(yàn)的學(xué)生也不一定能將所學(xué)知識(shí)很好地應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中[1].另外，每一章節(jié)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對(duì)獨(dú)立，課程結(jié)束后實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能形成一個(gè)完整的項(xiàng)目整體，學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有整體的概念.本研究以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，改變了教學(xué)方式，使學(xué)生在課程結(jié)束后能夠完成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力.

1 教學(xué)目的及要求

要求學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，掌握其體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù).通過(guò)對(duì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與射頻識(shí)別（RFID）、傳感技術(shù)、定位系統(tǒng)、智能信息設(shè)備的學(xué)習(xí)，掌握感知識(shí)別層的基本知識(shí)；通過(guò)對(duì)無(wú)線寬帶網(wǎng)、無(wú)限低速網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的學(xué)習(xí)，掌握網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層的基本知識(shí)；通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)與海量信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)中的信息安全與隱私保護(hù)的學(xué)習(xí)，掌握管理服務(wù)層的基本知識(shí)；通過(guò)對(duì)智能交通、智能物流、智能建筑等系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用；最后還應(yīng)掌握物聯(lián)網(wǎng)前沿狀況.在這個(gè)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)掌握物聯(lián)網(wǎng)涉及的基本概念和知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)不斷變化的物聯(lián)網(wǎng)的適應(yīng)能力[3].

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐，使學(xué)生掌握一定的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù).通過(guò)RFID實(shí)驗(yàn)，掌握低頻、高頻、超高頻和2.4 G有源RFID讀寫(xiě)器、原理機(jī)、標(biāo)簽的原理及應(yīng)用；通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)，掌握低功耗WiFi、Zig-Bee、Bluetooth 4.0 BLE、IPv6等多種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由、物聯(lián)網(wǎng)管理、調(diào)試與診斷、認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)計(jì)算中的智能感知，了解物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)和應(yīng)用.掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的基本知識(shí)、基本理論和標(biāo)準(zhǔn)[3，4].

2 物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)現(xiàn)狀

石家莊學(xué)院在2012年人才培養(yǎng)方案中將物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)課程加入到計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程等專(zhuān)業(yè)中，2013年在科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)相關(guān)課程.至今計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院所有本科專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的相關(guān)課程，每年參與學(xué)習(xí)相關(guān)課程的學(xué)生超過(guò)千人，因此，如何有效地進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)顯得愈加迫切和十分重要.

目前物聯(lián)網(wǎng)課程的主要內(nèi)容為感知層、傳輸層和應(yīng)用層中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID技術(shù)等，其涵蓋了計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)、控制等眾多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，見(jiàn)圖1.其理論性很強(qiáng)，需要很強(qiáng)的邏輯思維能力，幾乎每一個(gè)章節(jié)都可以獨(dú)立開(kāi)設(shè)一門(mén)課程[3，4]，再加上學(xué)院學(xué)生基礎(chǔ)較差，導(dǎo)致本課程學(xué)生感覺(jué)知識(shí)量大，學(xué)不會(huì).通過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，主要發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）作為應(yīng)用型本科院校，如果依然按照傳統(tǒng)的先理論后實(shí)踐的教學(xué)模式，理論知識(shí)開(kāi)始學(xué)習(xí)后才開(kāi)始實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，造成理論和實(shí)踐的脫節(jié)，實(shí)踐能力差，與社會(huì)的人才需求嚴(yán)重脫節(jié).

2）作為新興的專(zhuān)業(yè)，高校在實(shí)踐教學(xué)方面還十分薄弱，安排的實(shí)驗(yàn)大多是演示型、驗(yàn)證型，缺少實(shí)際動(dòng)手操作的過(guò)程，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性.即使組織學(xué)生到企業(yè)實(shí)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，大多也是走馬觀花式的見(jiàn)習(xí)，缺乏與企業(yè)之間的進(jìn)一步溝通.

3）高校教師缺乏工程經(jīng)驗(yàn).物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)當(dāng)前處于不斷發(fā)展階段，更新率快，一些舊的技術(shù)會(huì)被淘汰，需要緊跟技術(shù)的腳步，實(shí)時(shí)調(diào)整，不斷進(jìn)行改革，以適應(yīng)社會(huì)人才的需求，教師缺少企業(yè)中的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，“雙師型”教師嚴(yán)重缺乏.

4）缺乏實(shí)際應(yīng)用范例.在物聯(lián)網(wǎng)課程的實(shí)驗(yàn)中，感知層、傳輸層、處理層的實(shí)驗(yàn)都是以獨(dú)立的分模塊進(jìn)行的，沒(méi)有形成一個(gè)整體，沒(méi)有一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的案例，也沒(méi)有具體的企業(yè)應(yīng)用的案例，實(shí)驗(yàn)依舊停留在演示和驗(yàn)證階段，缺少對(duì)物聯(lián)網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)的模擬操作和創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，大大影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

3 改革方案

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)是一門(mén)應(yīng)用性、交叉性的課程，采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式更有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐.

3.1 “項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式改革

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式實(shí)施方案如下：打破原來(lái)課本上的逐章講解和逐章實(shí)驗(yàn)的模式，以教師自身的科研項(xiàng)目或者校企合作的項(xiàng)目為基礎(chǔ)，為學(xué)生構(gòu)建真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在課程初期，教師進(jìn)行項(xiàng)目的演示，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)完本門(mén)課程后，自己也可以完成這樣的一個(gè)項(xiàng)目，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；進(jìn)而把本門(mén)課程內(nèi)容分成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用開(kāi)發(fā)三大部分，重點(diǎn)講解每部分內(nèi)容的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方式，搭建實(shí)際的環(huán)境或平臺(tái)，讓學(xué)生以小組的形式，緊跟理論學(xué)習(xí)的進(jìn)度，分階段地進(jìn)行項(xiàng)目的研究探討和開(kāi)發(fā).在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生不斷探究新知識(shí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱大量的資料，解決項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題，加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的理解和掌握；最后，每個(gè)小組的項(xiàng)目形成一套完整的作品，作為期末的考評(píng)，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用開(kāi)發(fā)這三大部分內(nèi)容進(jìn)行考核，優(yōu)秀作品可以推薦參加各類(lèi)競(jìng)賽或向企業(yè)推薦推廣[1，2].

教學(xué)模式實(shí)施過(guò)程如下：

1）確定小組研究項(xiàng)目

確定要做的方向或題目，自由結(jié)組（每組不超過(guò)5人），提交研究方案和組名單.表1是通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研或企業(yè)委托開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目，讓同學(xué)們根據(jù)自己的愛(ài)好和能力進(jìn)行選擇，提交資料如表2所示.

表1 可供選擇的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目

表2 提交的資料

分組以學(xué)生自由組合為主，兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)水平的差異.定期組織小組內(nèi)和小組之間的研究討論，針對(duì)每個(gè)小組選擇的不同項(xiàng)目推薦學(xué)生閱讀相關(guān)的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍，查閱相關(guān)資料，從而了解更多的專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而使項(xiàng)目的研究更加深入和具有創(chuàng)新性.

老師隨時(shí)在實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生討論，學(xué)生每周做出進(jìn)度表，如表3所示.

表3 周進(jìn)度表

2）項(xiàng)目評(píng)價(jià)

最后每個(gè)小組的項(xiàng)目作為期末作品，由相關(guān)教師和行業(yè)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行驗(yàn)收和評(píng)價(jià).教師評(píng)選出的優(yōu)秀作品經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的深入研究和專(zhuān)業(yè)教師的指導(dǎo)，參加學(xué)校和國(guó)家級(jí)的各類(lèi)知識(shí)競(jìng)賽，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

3.2 課程考核方式改革

本課程不設(shè)置閉卷考試，采取平時(shí)的階段性考評(píng)和期末大作業(yè)進(jìn)行綜合專(zhuān)業(yè)考核.具體考核方式如下：

1）階段性考核（平時(shí)進(jìn)度表+考勤）

根據(jù)學(xué)生平時(shí)的課堂討論和小組的項(xiàng)目進(jìn)度情況進(jìn)行考核.學(xué)生的期末大作業(yè)是靠平時(shí)的積累來(lái)完成的，因此過(guò)程監(jiān)督更加重要.學(xué)生除了完成課堂的學(xué)習(xí)外，為了完成項(xiàng)目，需要查閱大量的課外資料.另外，課堂考勤也作為一項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行考核.

2）期末大作業(yè)

讓學(xué)生根據(jù)講過(guò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)內(nèi)容，結(jié)合所掌握的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)知識(shí)，查找物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的相關(guān)應(yīng)用和知識(shí)，做成PPT和創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行講解，同學(xué)們可以任意結(jié)組，也可以一人一組，但最多不能超過(guò)5人，共同完成構(gòu)想產(chǎn)品，或做出明確的設(shè)計(jì)方案.

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)產(chǎn)品的可用性和查找資料的系統(tǒng)性、完整性和相關(guān)性制定，組分占70%，個(gè)人貢獻(xiàn)占30%，見(jiàn)表4.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)學(xué)生做出讓人賞心悅目的產(chǎn)品，并且需要講解得當(dāng)，引人入勝.

表4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)課程考核評(píng)分表

學(xué)生最后總成績(jī)由期末作品（30%）+平時(shí)討論和進(jìn)度（70%）的總和確定.

3.3 物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建立

石家莊學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)課程之前的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一直在嵌入式實(shí)驗(yàn)室完成，為了更好地讓學(xué)生們接觸了解物聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合學(xué)院的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)演示廳和專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，首先實(shí)驗(yàn)室滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)課程的需要，讓學(xué)生通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，可以更好地感知物聯(lián)網(wǎng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣.其次，充分利用現(xiàn)有資源，建立具有良好展示性效果的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，如：智能農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用創(chuàng)新系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，購(gòu)買(mǎi)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，配套編制實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，突出專(zhuān)業(yè)特色.積極引導(dǎo)企業(yè)參與共建物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，聘請(qǐng)企業(yè)高技能人才參與教學(xué).

以一種基于RFID的智能購(gòu)物車(chē)為例，它通過(guò)購(gòu)物車(chē)上的無(wú)線信號(hào)發(fā)射器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信，由顧客通過(guò)掃描器自主掃描物品的RFID標(biāo)簽或者二維碼，實(shí)時(shí)顯示商品價(jià)格、當(dāng)前總價(jià)合計(jì)、當(dāng)前位置以及當(dāng)前位置的促銷(xiāo)信息，購(gòu)物完成后可以使用手機(jī)支付端進(jìn)行支付，實(shí)現(xiàn)了自主結(jié)賬，提高了效率，節(jié)省了成本，并且能夠防止偷盜，可以解決消費(fèi)者長(zhǎng)時(shí)間排隊(duì)等候的問(wèn)題，提高了消費(fèi)者的滿(mǎn)意度，同時(shí)也為超市減少了人力成本，增加了利潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)了雙贏的原則，大大提高了便利性.在整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要同學(xué)們相互配合，通過(guò)查閱大量資料，完成整個(gè)項(xiàng)目的前期調(diào)研、框架搭建、功能模塊的開(kāi)發(fā).需要多次調(diào)試，不斷完善，使學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)進(jìn)行活學(xué)活用，深入鉆研，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力[4-6].

3.4 校企合作

通過(guò)學(xué)校建立物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和獲批的河北省科技創(chuàng)新券服務(wù)機(jī)構(gòu)，能獲得更多的企業(yè)項(xiàng)目，可以將企業(yè)的項(xiàng)目接入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這樣不但可為企業(yè)節(jié)約成本，同時(shí)也使教師和學(xué)生在實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目中得到學(xué)習(xí)和鍛煉，在“做中學(xué)”，為學(xué)生就業(yè)發(fā)展提供好的專(zhuān)業(yè)技術(shù)支撐.具體做法是在項(xiàng)目立項(xiàng)階段由教師帶領(lǐng)學(xué)生參與項(xiàng)目分析；教師負(fù)責(zé)把項(xiàng)目分解，適合學(xué)生學(xué)習(xí)和操作的部分分配給學(xué)生們嘗試開(kāi)發(fā)，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)和監(jiān)督，難點(diǎn)部分教師負(fù)責(zé)；項(xiàng)目開(kāi)發(fā)完后給學(xué)生們講解整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程.

4 結(jié)語(yǔ)

社會(huì)的發(fā)展將需要越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)人才，培養(yǎng)應(yīng)用型的人才是最終目標(biāo)，這就要求教師結(jié)合原有相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)等方面進(jìn)行不斷研究和改革創(chuàng)新，探索新的教學(xué)模式和教學(xué)方法.本研究基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式探討了如何進(jìn)行教學(xué)改革來(lái)提高學(xué)生的創(chuàng)新力和競(jìng)爭(zhēng)力.

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