物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)方法

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(1.四川文理學(xué)院 智能制造學(xué)院,四川 達(dá)州 635000; 2.四川文理學(xué)院 智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,四川 達(dá)州 635000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展,各行各業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)人才的需求隨之增長,在這一背景下,國內(nèi)各高校相繼開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及的學(xué)科門類較多,作為一門新興專業(yè),目前還沒有形成統(tǒng)一的課程體系指導(dǎo)方案,因此各高校在培養(yǎng)方案和課程體系建設(shè)方面存在著較大的差異[1]。目前一般將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)劃分為3層,即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。從這一劃分出發(fā),一個完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)需要軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)三大核心知識體系的支撐。從學(xué)科核心知識來看,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、通信技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等;從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)知識跨度來看,涉及計算機(jī)專業(yè)、電子專業(yè)、通信專業(yè)等3個專業(yè)的核心知識[2]。雖然物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)涉及的軟硬件開發(fā)技術(shù)以現(xiàn)有綜合技術(shù)為主,但是物聯(lián)網(wǎng)的工程應(yīng)用背景較強(qiáng),對學(xué)生的實踐應(yīng)用能力要求較高,社會需求的是熟練掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的專業(yè)型人才,這對高校的專業(yè)教學(xué)是一大挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程是為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)大學(xué)三年級學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)必修課。該課程是在學(xué)生全面學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的,要求學(xué)生設(shè)計一個包括物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)的完整的應(yīng)用系統(tǒng),目的是使學(xué)生初步具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)涉及到軟硬件兩方面的知識需求,這就要求教師有較深的理論知識和較強(qiáng)的應(yīng)用開發(fā)能力。另外,現(xiàn)有的教學(xué)普遍存在著理論教學(xué)學(xué)時占比較大、實踐教學(xué)學(xué)時占比較小的問題,使得這門課程的實施存在著先天不足,因此學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)能力離企業(yè)的需求差距較大。在此背景下,本文主要探討如何合理有效地利用現(xiàn)有師資和硬件來改進(jìn)教學(xué)方法,從而提高教學(xué)質(zhì)量。

1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)要求及現(xiàn)狀

四川文理學(xué)院作為應(yīng)用型本科院校,實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)至關(guān)重要,因此對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來說,關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生掌握一定的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識和專業(yè)核心知識,以及綜合應(yīng)用計算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本技能。課程體系的設(shè)置必須以應(yīng)用為目標(biāo),以社會需求為前提展開。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程可以說是對該專業(yè)學(xué)生所學(xué)知識和應(yīng)用技能的一個全面整合和應(yīng)用。課程的安排是以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ),涉及單片機(jī)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和Android移動開發(fā)技術(shù)。學(xué)生需要完成從下位機(jī)到上位機(jī)的一個完整的應(yīng)用系統(tǒng),從信息采集、無線傳輸?shù)綉?yīng)用軟件設(shè)計。作為該門課程的必要基礎(chǔ),單片機(jī)、C語言、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用能力必須過關(guān),而實踐課程則將專業(yè)核心課程融入到項目中。本課程開設(shè)目的是使學(xué)生能夠應(yīng)用以往所學(xué)的專業(yè)知識,完成一個完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng),從而建立對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的全面感知和擁有初步的設(shè)計能力,為從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

實際教學(xué)過程中由于受到課程學(xué)時設(shè)置、實驗條件等多種因素的影響,絕大多數(shù)專業(yè)課程的授課都以理論教學(xué)為主,實踐環(huán)節(jié)比較薄弱。本課程存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)本課程以實踐應(yīng)用為主要目標(biāo),而市場上關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的系統(tǒng)性教材寥寥無幾,由于沒有固定的教材作為參考,因此授課范圍難以把握[3]。

(2)由于本課程涉及其他專業(yè)課程的綜合應(yīng)用,一方面授課教師本身的研究領(lǐng)域和專業(yè)擅長不同,在授課過程中容易出現(xiàn)厚此薄彼的現(xiàn)象,另一方面學(xué)生對本課程涉及的其他專業(yè)課程知識基礎(chǔ)不夠扎實,因此限制了課程的有效實施。

(3)目前本課程理論和實踐教學(xué)總學(xué)時為64,要以實踐應(yīng)用為目標(biāo),既要針對重點和難點知識進(jìn)行分解講授,又要結(jié)合實際應(yīng)用項目進(jìn)行設(shè)計論證,使學(xué)生能夠充分理解物聯(lián)網(wǎng)理論知識和技能,這本身就是一個復(fù)雜的過程。同時,授課教師缺乏企業(yè)經(jīng)歷,實踐開發(fā)經(jīng)驗不足,不能有效地將理論與實踐相統(tǒng)一。在課程實施中,教師也在不斷地學(xué)習(xí)和摸索,尤其是在項目的軟硬件實踐中,經(jīng)常會出現(xiàn)這樣那樣的問題,不僅耗費精力還浪費時間,影響課程的進(jìn)度[4]。

2 教學(xué)方法探討

2.1 優(yōu)化培養(yǎng)方案以及夯實課程基礎(chǔ)

從理論上來說,傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等都已經(jīng)是成熟的技術(shù),無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)又是從計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和通信技術(shù)延伸而來,因此完成這一設(shè)計任務(wù)的理論和實踐基礎(chǔ)已經(jīng)具備[5]。然而,從專業(yè)培養(yǎng)方法和課程設(shè)置來看,由于涉及的知識門類多,課程數(shù)目多、難度大,加之學(xué)時限制,使得實踐教學(xué)學(xué)時一再縮減,因此學(xué)生看似學(xué)習(xí)了很多專業(yè)課程,實際上對知識的理解很膚淺,更談不上應(yīng)用能力。顯然,這樣的專業(yè)知識功底對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程的順利開展是不利的。

要保證學(xué)生在大學(xué)三年級能夠把握專業(yè)基礎(chǔ)知識,具備設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的能力,物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程設(shè)置和培養(yǎng)應(yīng)該選取一條主線。另外,在方案制作時,考慮到四川文理學(xué)院應(yīng)用型本科的定位,要以行業(yè)需求為指導(dǎo),加強(qiáng)與企業(yè)聯(lián)系溝通,充分發(fā)揮校企合作的優(yōu)勢,由企業(yè)老師和校內(nèi)老師共同探討專業(yè)課程的設(shè)置,適當(dāng)精簡理論課程內(nèi)容。專業(yè)基礎(chǔ)課程開設(shè)時以電子技術(shù)基礎(chǔ)、C語言程序設(shè)計、電子線路設(shè)計、單片機(jī)原理及應(yīng)用、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理為主,專業(yè)核心課程開設(shè)時以傳感器技術(shù)及應(yīng)用、RFID技術(shù)及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、Android應(yīng)用開發(fā)為主。理論課程體系如圖1所示。

在階段性學(xué)習(xí)結(jié)束后,安排學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的項目實訓(xùn),由企業(yè)老師負(fù)責(zé)學(xué)生的實踐指導(dǎo)。核心實驗及實訓(xùn)項目設(shè)置如圖2所示。經(jīng)過大學(xué)一年級和大學(xué)二年級的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)和實踐后,學(xué)生對單片機(jī)、傳感器有了一定的理解,能夠熟練地使用單片機(jī)C語言編程完成傳感器數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制。同時,通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)及實訓(xùn),學(xué)生掌握了無線通信收發(fā)及相關(guān)協(xié)議,對Zigbee協(xié)議棧、IAR集成開發(fā)環(huán)境有了操作實踐,專業(yè)基礎(chǔ)知識和實踐技能得到了鍛煉。因此,在大學(xué)三年級下學(xué)期開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程,學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識和實踐技能儲備不至于寬泛膚淺,既精簡了學(xué)時,又滿足了應(yīng)用開發(fā)需求。

圖1 核心理論課程體系Fig.1 Core theory curriculum system

圖2 核心實驗及實訓(xùn)項目Fig.2 Core experiments and training projects

2.2 設(shè)計經(jīng)典案例并采用項目式教學(xué)模式

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程的初衷是綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)核心專業(yè)知識,完成某種應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā),使學(xué)生建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的概念,提升學(xué)生的開發(fā)設(shè)計能力。傳統(tǒng)的理論與實踐分離的教學(xué)模式,使得教、學(xué)、做不能及時地統(tǒng)一,學(xué)生在理論學(xué)習(xí)時,由于課程知識難度大、內(nèi)容抽象而不能深入理解,久而久之學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣,進(jìn)而影響實踐教學(xué)的開展。綜合本課程特點,以項目為主體的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)更符合本課程的教學(xué)要求。以項目為基礎(chǔ),將項目按照物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)進(jìn)行分解,教學(xué)時按模塊進(jìn)行。教師按照任務(wù)分解的步驟進(jìn)行授課和解答,同時將知識點的講解穿插在項目設(shè)計中,學(xué)生邊動手實踐邊學(xué)習(xí)。在這個過程中,出現(xiàn)問題及時思考解決,通過師生互動討論,在實踐中學(xué)習(xí),在學(xué)習(xí)中實踐,兩者相互促進(jìn),進(jìn)而使學(xué)生逐步完成整個項目的設(shè)計[6]。

物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典應(yīng)用案例的合理選取是項目式教學(xué)順利實施的關(guān)鍵。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景,比較典型的應(yīng)用案例有環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、智能家居、城市自動照明等。通過這些應(yīng)用與專業(yè)核心技能的融合,完成集傳感、傳輸、智能控制于一體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。本課程的開展以項目設(shè)計和考查為主,以小組為單位完成項目設(shè)計。小組成員之間分工明確,通過相互協(xié)作和討論共同完成設(shè)計,在項目完成后,通過小組答辯的方式進(jìn)行考查[7]。相比于傳統(tǒng)的以教師為主體的授課方式,項目式教學(xué)能充分發(fā)揮學(xué)生的主動性,同時有利于培養(yǎng)團(tuán)隊合作意識。

2.3 加強(qiáng)實驗室建設(shè)并開展創(chuàng)新實驗

對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來說,課程體系龐大、知識繁雜,學(xué)生想要完成3層結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,從信息采集、通信傳輸?shù)街悄芸刂?哪一個環(huán)節(jié)專業(yè)知識不過關(guān),都無法勝任設(shè)計任務(wù)。從底層到頂層完整的系統(tǒng)設(shè)計,固然對學(xué)生的能力提升具有重要意義,但在實際實施中,往往由于某個環(huán)節(jié)的知識或者能力欠缺而影響了項目的進(jìn)程,因此基于現(xiàn)有實驗系統(tǒng)的二次研發(fā)模式不失為一個最佳選擇。利用現(xiàn)有的傳感器模塊和實驗平臺快速搭建硬件系統(tǒng),將實踐的重點放到數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)上,這樣既簡化了項目任務(wù),降低了復(fù)雜度,又可以使學(xué)生全面感受物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計和工作流程?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng),采用開源操作系統(tǒng)和Tiny OS的開源協(xié)議,學(xué)生可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計開發(fā),這使得基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生有了更多接觸軟硬件系統(tǒng)開發(fā)測試的機(jī)會,從而提高學(xué)習(xí)興趣[8]。另外,目前市場上相關(guān)的產(chǎn)品不僅涵蓋物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程實驗,還提供了物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用開發(fā)環(huán)境,可為學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)和實踐提供強(qiáng)大的硬件支持。

2.4 加強(qiáng)雙師型教師隊伍建設(shè)和培養(yǎng)高技能的專業(yè)教師

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程強(qiáng)調(diào)實踐應(yīng)用,整個課程的實施對教師的能力和專業(yè)知識是一個巨大的考驗,可以說教師的實踐能力是教學(xué)的關(guān)鍵。由于高校教師普遍缺乏企業(yè)經(jīng)驗和研發(fā)經(jīng)驗,因此加強(qiáng)教師隊伍建設(shè),培養(yǎng)教師的應(yīng)用開發(fā)能力也是提升課程教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。基于此,一方面可以適當(dāng)?shù)匾M(jìn)或者外聘具有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的工程技術(shù)人才補(bǔ)充教師隊伍,另一方面派遣專業(yè)教師到企業(yè)中進(jìn)行實踐鍛煉,通過企業(yè)實踐提升教師的研發(fā)能力。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程對專業(yè)知識基礎(chǔ)要求較高,應(yīng)用性較強(qiáng),課程的教學(xué)還處在發(fā)展初期,要提升該門課程的教學(xué)效果,學(xué)生的專業(yè)知識基礎(chǔ)和實踐應(yīng)用能力、實驗室的硬件條件、教師的理論和實踐能力缺一不可,因此必須優(yōu)化課程體系,加強(qiáng)課程基礎(chǔ)建設(shè)和教師能力提升,為課程的順利實施提供有力保障。

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