基于Sakai的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程開放式教學(xué)系統(tǒng)

柴建偉

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在我國設(shè)置年限較短，教學(xué)過程中存在很多突出性問題，特別是學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、實(shí)踐能力不強(qiáng)、學(xué)習(xí)資源不足、缺乏學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)新意識(shí)。本文依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程特點(diǎn)，探討利用Sakai網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的強(qiáng)大功能支持，構(gòu)建一個(gè)適用與專業(yè)教學(xué)需要的開放式教學(xué)系統(tǒng)，來充分融合課上、課下的各種教學(xué)資源，讓學(xué)生能夠在一個(gè)相對(duì)開放自主的環(huán)境下，主動(dòng)去學(xué)習(xí)和分享更多的專業(yè)知識(shí)。

隨著李克強(qiáng)總理2015年在政府工作報(bào)告中首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，國家開始大力推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)的結(jié)合。現(xiàn)在，“互聯(lián)網(wǎng)+”正走向“深度融合”時(shí)期，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”是其中很重要的應(yīng)用領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。開放式教學(xué)是“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，深入推進(jìn)教育教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量的重要方式，通過開放式教學(xué)的實(shí)施，能夠讓學(xué)生有更多的自主選擇，更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也可以幫助其鍛煉自主思維能力、材料搜集整理和表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、自我創(chuàng)新能力等。本文基于廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實(shí)際情況，探討搭建開放式教學(xué)系統(tǒng)。

一、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

我國物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)設(shè)立至今不到10年的時(shí)間，其課程體系、師資隊(duì)伍、教學(xué)資源建設(shè)均處于起步階段。且大部分物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程都具有實(shí)踐性較強(qiáng)、學(xué)科跨度較大、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)等特點(diǎn)，要求物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生，除了掌握必備的專業(yè)理論知識(shí)之外，必須通過豐富的課程實(shí)踐來提高專業(yè)技能、培養(yǎng)自學(xué)和創(chuàng)新的能力。然而，在多年相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)工作過程中，我們發(fā)現(xiàn)高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)工作面臨如下難點(diǎn)：

實(shí)訓(xùn)室的實(shí)訓(xùn)設(shè)備大多采用實(shí)驗(yàn)箱的形式，很多技術(shù)環(huán)節(jié)和應(yīng)用模塊均被生產(chǎn)廠家封閉，以“黑盒”的形式供教師和學(xué)生們使用。這種情況下，即便設(shè)備所能提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)量眾多，但其中大多數(shù)是極為簡單的基礎(chǔ)類驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，比如：RFID實(shí)訓(xùn)中的低頻、高頻、超高頻實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，基本只能完成相應(yīng)頻段射頻卡的讀、寫操作，對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的理解益處不是很大。即便實(shí)驗(yàn)箱提供了原理機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其設(shè)計(jì)仍然顯得過于封閉和抽象，學(xué)生無法深入形象地了解其內(nèi)部工作原理，更沒辦法親自設(shè)計(jì)卡和讀寫器電路，老師和學(xué)生的自主設(shè)計(jì)權(quán)太少。

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容多出自實(shí)訓(xùn)設(shè)備附帶的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，然而教學(xué)內(nèi)容多選自市場上已發(fā)行的數(shù)量和類型不是很豐富的教材，很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)內(nèi)容不一致的情況，給教與學(xué)增加了一定的不便利性，增大課程開發(fā)的難度和工作量。即便是老師知道一些更新、更適合教學(xué)的小型硬件平臺(tái)，但是由于采購經(jīng)費(fèi)，學(xué)生個(gè)人購買意愿不同等問題，不便于大規(guī)模推廣應(yīng)用，而如果能通過一個(gè)平臺(tái)，讓大家分享這些資料和學(xué)習(xí)情況，就可以滿足有學(xué)習(xí)意愿的同學(xué)的需要。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展日新月異，老師在學(xué)校教授的一些實(shí)踐技能，學(xué)生接觸到的一些實(shí)訓(xùn)設(shè)備，可能已經(jīng)是相關(guān)行業(yè)落后甚至是已經(jīng)淘汰的。比方嵌入式實(shí)訓(xùn)設(shè)備中采用TI公司的CORTEX-A8系列OMAP3530處理器，在設(shè)備采購的時(shí)候已經(jīng)算是最新技術(shù)產(chǎn)品，然而產(chǎn)品的生命周期預(yù)計(jì)在5年左右，隨著設(shè)備使用時(shí)間的推遲，必將面臨淘汰的問題，學(xué)校的設(shè)備更新卻無法跟上技術(shù)的發(fā)展。

通過近五六年的專業(yè)教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果不盡如人意，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)上課走神、甚至玩手機(jī)、聊天、聽音樂、看視頻等無法完全融入課堂教學(xué)過程的現(xiàn)象。作為高職學(xué)生，無論是普高起點(diǎn)的還是職高起點(diǎn)的，普遍具有學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱、學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)、缺乏正確的學(xué)習(xí)方法、厭學(xué)心理明顯、自主學(xué)習(xí)能力差、熱衷上網(wǎng)娛樂、熱衷參加各類感興趣的社團(tuán)活動(dòng)等特點(diǎn)。因此，單純依靠傳統(tǒng)的授課方式已不能滿足專業(yè)授課需要。

二、系統(tǒng)功能分析與設(shè)計(jì)

本文利用Sakai網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的強(qiáng)大功能支持，結(jié)合高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的特點(diǎn)，進(jìn)行二次開發(fā)構(gòu)建一個(gè)開放式教學(xué)系統(tǒng)，來充分融合課上、課下的各種教學(xué)資源，讓學(xué)生能夠在一個(gè)相對(duì)開放自主的環(huán)境下，主動(dòng)去學(xué)習(xí)和分享更多的專業(yè)知識(shí)，更好地提高個(gè)人的專業(yè)技能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)解決下面幾個(gè)問題：

如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，增加課程的粘度。目前，已應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)多偏重于資源的羅列，缺乏趣味性和吸引力，學(xué)生往往是被迫參與進(jìn)來，缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，且無法較長時(shí)間堅(jiān)持下來，師生之間、生生之間互動(dòng)交流較少。為此，參考游戲化理念進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將游戲中的激勵(lì)、競爭、協(xié)作、難度遞增、循環(huán)設(shè)計(jì)等機(jī)制引入課程設(shè)計(jì)。首先，對(duì)系統(tǒng)中的教學(xué)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，主要選擇一些實(shí)踐性強(qiáng)，具有較大獲得感的教學(xué)任務(wù)。然后按照任務(wù)的難易程度進(jìn)行分類，分別賦予不同的完成分值，對(duì)于實(shí)在完成不了的任務(wù)可以尋求同學(xué)或者老師幫忙，也可以通過學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)來提升自身，從而拿到分值。只有拿到足夠的分值，才能進(jìn)行難度更大任務(wù)的學(xué)習(xí)，如果分值不夠，可以通過向系統(tǒng)中補(bǔ)充相關(guān)知識(shí)，來獲得分值獎(jiǎng)勵(lì)。另外，幫助別人解決問題，不但可以增加成就感，而且也能獲得分值獎(jiǎng)勵(lì)。同時(shí)系統(tǒng)向老師和同學(xué)們展示分值排行情況，高分的同學(xué)不但能得到老師更多的關(guān)注和獎(jiǎng)勵(lì)，而且能夠收到更多的求助信息，從而晉級(jí)更快，低分的同學(xué)在競爭對(duì)比之下，也會(huì)不斷充實(shí)自己獲取晉級(jí)。當(dāng)學(xué)生晉級(jí)到某種程度的時(shí)候，就可以開啟新的課程模塊，而當(dāng)所有的課程模塊都完成之后，就可以申請(qǐng)考試，考試通過則課程的開放式教學(xué)環(huán)節(jié)完成。

如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法多樣化。不同的課程、不同的教學(xué)單元甚至同一門課程的同一個(gè)教學(xué)單元中都可能采取不同的教學(xué)方法。系統(tǒng)中通過允許上傳視頻資料的形式支持講授法和演示法；通過設(shè)定教學(xué)任務(wù)相關(guān)資料的形式支持發(fā)現(xiàn)法和探究法；通過設(shè)置不同課程模塊、不同難度等級(jí)的任務(wù)以及各課程模塊的小測驗(yàn)來支持練習(xí)法；系統(tǒng)允許進(jìn)行學(xué)生分組，并能在討論區(qū)進(jìn)行問題探討來支持討論法；系統(tǒng)允許將課程劃分為不同的單元，將每個(gè)單元?jiǎng)澐殖刹煌娜蝿?wù)，或者直接將課程設(shè)定成不同的任務(wù)來實(shí)施，支持任務(wù)驅(qū)動(dòng)法；系統(tǒng)參考游戲化設(shè)計(jì)理念，為開放式的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，支持自主學(xué)習(xí)法。

如何進(jìn)行課程考核。課程的考核分為過程性考核和終結(jié)性考核兩部分，老師可以設(shè)定各部分考核的權(quán)重。過程性考核可以選擇性地依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，包括學(xué)習(xí)過程中分值的多少、幫助同學(xué)正確解決問題的情況、已完成任務(wù)難度情況、對(duì)任務(wù)相關(guān)知識(shí)的補(bǔ)充數(shù)量和質(zhì)量情況等。終結(jié)性考核可以參考課程考試時(shí)間和考試成績。最后將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中獲得的成績和課上成績綜合起來，給出學(xué)生本門課程的總評(píng)成績。

如何融入學(xué)生的創(chuàng)新培養(yǎng)。搭建專門的雙創(chuàng)模塊，包括：政策文件、技術(shù)論壇、雙創(chuàng)活動(dòng)、創(chuàng)意點(diǎn)子匯、咨詢郵箱等構(gòu)成部分，用于為學(xué)生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的相關(guān)資料以及交流平臺(tái)。并通過線上線下的定期不定期組織的各種交流活動(dòng)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)好的想法和項(xiàng)目，鼓勵(lì)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。

在此開放式教學(xué)系統(tǒng)中，主要包含四大功能模塊，分別是系統(tǒng)注冊(cè)登錄退出模塊、系統(tǒng)管理員管理模塊、教師管理模塊和學(xué)生管理模塊，其中每一個(gè)模塊下又包含若干子模塊，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、系統(tǒng)技術(shù)分析與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)作為學(xué)生開展網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的載體，并且是教師進(jìn)行線上教學(xué)與輔導(dǎo)的平臺(tái)，必須滿足以下技術(shù)要求：

系統(tǒng)架構(gòu)合理，支持大規(guī)模并發(fā)訪問。必須保障當(dāng)有大批量老師和同學(xué)們同時(shí)使用時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

模塊化代碼設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展和維護(hù)。模塊化的好處是各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，功能簡單，可以提高代碼重用性，便于團(tuán)隊(duì)合作，也有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)。

系統(tǒng)穩(wěn)定性高，兼容電腦和手機(jī)端多平臺(tái)應(yīng)用。有些情況下，學(xué)生采用電腦上網(wǎng)不太方便，如果系統(tǒng)能夠同時(shí)支持手機(jī)和其他智能終端的應(yīng)用，將可以提供更便利的服務(wù)。

系統(tǒng)開發(fā)成本低，技術(shù)難度適中。本系統(tǒng)開發(fā)人員均為高校教師，工作精力、工作時(shí)間和可投入資金有限，在技術(shù)選擇上需考慮實(shí)際情況。

因此本文選擇在已有課程與教學(xué)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行二次開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求。通過對(duì)目前在用的教學(xué)管理平臺(tái)包括：Sakai、Coursera、Moodel、OpenedX、Udacity、愛課程、網(wǎng)易云課堂、學(xué)堂在線等的對(duì)比和分析，選擇由美國印第安納大學(xué)、密西根大學(xué)、斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院發(fā)起的貼合高校教學(xué)需求，免費(fèi)開源的Sakai平臺(tái)來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Sakai提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的教學(xué)平臺(tái)，基本能夠滿足日常教學(xué)環(huán)境中的各種需求，包括課程開設(shè)、資料發(fā)布、在線討論、在線作業(yè)、在線考試、Wiki，統(tǒng)計(jì)等各項(xiàng)功能。

Sakai平臺(tái)是基于J2EE企業(yè)級(jí)應(yīng)用架構(gòu)，使用Java代碼編寫的面向服務(wù)的應(yīng)用程序，支持插件結(jié)構(gòu)，便于定制所需要的系統(tǒng)功能。Sakai平臺(tái)采用分層設(shè)計(jì)思想，其各層所用技術(shù)如圖2所示。

要進(jìn)行Sakai網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的二次開發(fā)，首先需要下載、編譯并部署Sakai源代碼，在此基礎(chǔ)之上，按照其對(duì)外提供的API接口，完成Sakai平臺(tái)上的一些工具或者插件的開發(fā)。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，采用JDK開發(fā)工具包進(jìn)行Java編程，使用Apache Maven來管理項(xiàng)目，Web服務(wù)器選用Tomcat，數(shù)據(jù)庫選用Sakai平臺(tái)支持的小型免費(fèi)數(shù)據(jù)庫MySOL。在此環(huán)境下，通過完成定制工具的開發(fā)，來完成系統(tǒng)所需部分?jǐn)U展功能。

采用開放式教學(xué)系統(tǒng)輔助物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的教學(xué)，雖然前期課程開發(fā)工作量較大，但是其應(yīng)用效果顯著，能夠更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，幫助更多學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中找到自己的興趣點(diǎn)和方向，極大的提高了學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維意識(shí)。我們下一步的工作方向是開發(fā)更多、更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源來擴(kuò)充系統(tǒng)，使其為更多感興趣的學(xué)生服務(wù)。