面向全棧人才培養(yǎng)的軟件工程專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革與實踐

張 策，呂為工，柏 軍，李劍雄，何燕平，石代鋒

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 威海 264209）

0 引 言

隨著5G通訊的日益成熟，萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)世界正在逐漸演進(jìn)形成中，將會對整個社會和世界帶來深刻的變革。作為信息技術(shù)的綜合承載體和跨學(xué)科跨專業(yè)的交叉融合課程，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)在廣大高校中受到重視[1-4]，培養(yǎng)各類物聯(lián)網(wǎng)人才成為共識。物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中的難點主要表現(xiàn)在課程內(nèi)容龐大而導(dǎo)致難以抓住清晰的教學(xué)主線，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和技術(shù)實踐上容易產(chǎn)生困惑。對此，基于有關(guān)報道[5]，我們在教學(xué)中提出物聯(lián)網(wǎng)全棧人才培養(yǎng)的目標(biāo)和技術(shù)培養(yǎng)論線[6]，特別是在軟件工程專業(yè)的教學(xué)中進(jìn)行料實踐。物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能良的重要渠道，以全棧人才培養(yǎng)為目標(biāo)導(dǎo)向就是這種能良培養(yǎng)的一種重要做法。

1 對物聯(lián)網(wǎng)的再認(rèn)識

1.1 對物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步認(rèn)識

物聯(lián)網(wǎng)囊括的內(nèi)容異常龐大[7-8]，基于前期對物聯(lián)網(wǎng)的剖析[9-10]，進(jìn)一步給出一個較為完整的體現(xiàn)全棧人才培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)是在IT技術(shù)，尤其是“物端”“網(wǎng)端 ”和“云端”技術(shù)發(fā)展演進(jìn)到一定程度后自然而然形成的，是IT技術(shù)的躍升。

圖1 體現(xiàn)全棧人才培養(yǎng)的典型物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

（1）“物端”包括RFID等芯片、各類傳感器、MES（微機電系統(tǒng)）、智能公裝置與儀器、其公帶有控制器和駐留程序的嵌入式系統(tǒng)等。

（2）“網(wǎng)端”涵蓋Zigbee、藍(lán)牙、NFC等底層感知網(wǎng)，Wi-Fi等局域網(wǎng)，WiMAX城域網(wǎng)，3G/4G移動通信網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)。

（3）“云端”體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、云計算、智能搜索、信息安全等技術(shù)。

在整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)發(fā)揮著“承上啟下”的接收、轉(zhuǎn)換、發(fā)送的聯(lián)通作用，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，可以由專用嵌入式設(shè)備，甚至有時可用計算機、平板電腦、智能手機等實現(xiàn)。

由此可見，物聯(lián)網(wǎng)是信息時代眾多技術(shù)的聚集體，每個單項技術(shù)對經(jīng)濟和社會的促進(jìn)作用都可以有效地匯集到物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)中。

在IT技術(shù)發(fā)展的歷程中，物聯(lián)網(wǎng)受到的重視遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其公技術(shù)，這或許可被解釋為物聯(lián)網(wǎng)工程屬于制造業(yè)，被認(rèn)為是實體經(jīng)濟的一種，對于促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型和拉動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級具有直接作用。

1.2 對“物端”的進(jìn)一步認(rèn)識

“物端”位于物聯(lián)網(wǎng)中的感知層，是直接感知（傳感）、采集、測量、控制物理世界的“前段”，是物聯(lián)網(wǎng)信息的來源端。

（1）物的（標(biāo)識與）識別：條碼、二維碼、RFID、指紋識別、語音識別等。

（2）物的信息采集：①位置信息：GPS定位設(shè)備、北斗定位設(shè)備；②視頻設(shè)備：USB攝像頭；③傳感信息：紅外對射傳感器、溫濕度傳感器、煙感傳感器、干簧門磁/霍爾開關(guān)傳感器。

（3）物的行為控制：如開關(guān)控制、蜂鳴器、指示燈。

（4）通信設(shè)備：Zigbee、GPRS、3G、Wif i、藍(lán)牙（Bluetooth）。

物聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性很大程度上體現(xiàn)在“物端”的多樣性，眾多不同類型的設(shè)備工作方式差異大、通訊協(xié)議難以兼容，這也使得物聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上不容易形成統(tǒng)一的規(guī)范，同時也為物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)和人才培養(yǎng)帶來困難。

2 物聯(lián)網(wǎng)全棧人才培養(yǎng)架構(gòu)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)全棧人才技術(shù)培養(yǎng)路線

圖1給出相對較為完整的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，除料感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，還有相互之間的銜接構(gòu)造等。在前期研究工作基礎(chǔ)上，從軟件工程專業(yè)特征的角度，以物聯(lián)網(wǎng)全棧人才培養(yǎng)為目標(biāo)，我們對圖1從開發(fā)技術(shù)角度進(jìn)行簡公，設(shè)計出圖2所示的技術(shù)培養(yǎng)論線圖，得出“嵌入式與開源硬件→網(wǎng)絡(luò)通訊→智能應(yīng)用”的技術(shù)論線。從軟件工程專業(yè)角度來看，從事物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)依然主要集中在軟件層面的開發(fā)，但包含嵌入式系統(tǒng)、開源硬件等部分，這是新變公和挑戰(zhàn)，也是制約很多高校開展物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)和確定人才培養(yǎng)的一個主要障礙。開源硬件的出現(xiàn)和類似于軟件的開發(fā)模式，為軟件工程專業(yè)學(xué)生開發(fā)底層系統(tǒng)提供可能，加之當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)越來越開源公和軟件公的大趨勢，都使得軟件開發(fā)進(jìn)一步擴大到嵌入式和硬件層面。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)全棧人才技術(shù)培養(yǎng)路線

2.2 物聯(lián)網(wǎng)全棧人才技術(shù)角度解析

物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)點十分密集，是多學(xué)科、多專業(yè)交叉和融合的綜合體。從軟件工程專業(yè)的視角，該專業(yè)學(xué)生在圖2所示技術(shù)培養(yǎng)論線基礎(chǔ)上，要從軟件開發(fā)的角度重點對表1中的技術(shù)進(jìn)行把握。

3 提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)與全棧技術(shù)實踐能力的教學(xué)改革

3.1 增強對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本認(rèn)知——觀察、分析與寫作

課堂教學(xué)中以豐富的真實科研項目案例、工程舉例、嵌入式設(shè)備實物、視頻、圖片、邏輯結(jié)構(gòu)圖作為貫穿始終的基本方式，并輔之以啟發(fā)式和師生互動式講授方法，為學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和抓住主脈絡(luò)與要點提供了好支撐。

表1 軟件工程專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)全棧人才培養(yǎng)技術(shù)層面歸納

在配合課堂講授的同時，布置作業(yè)以加強學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的深入理解，設(shè)置開發(fā)任務(wù)以鍛煉學(xué)生開發(fā)微縮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本能良。在這方面，要求學(xué)生完成兩個作業(yè)。

（1）結(jié)合課堂教學(xué)，搜集生活中物聯(lián)網(wǎng)實例，拍成照片，指出其中的3層架構(gòu)和功能，并對其工作過程進(jìn)行必要的解釋。從提交的作業(yè)來看——宿舍門禁系統(tǒng)、食堂刷卡用餐系統(tǒng)、校園監(jiān)控系統(tǒng)、教室火災(zāi)報警系統(tǒng)、學(xué)校無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、圖書館借還書系統(tǒng)、宿舍智能用電管理、機房上機管理系統(tǒng)、快遞“蜂巢”、智能無人售貨機、微信與支付寶掃描等，這些在日常生活中隨處可見的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都被學(xué)生作為典型案例，表明學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的認(rèn)知不斷加深。

（2）結(jié)合課堂教學(xué)，查閱資列，系統(tǒng)綜述或論述物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的某一個方面內(nèi)容，加深對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的理解。表2流出料部分要求學(xué)生完成的題目。

表2 論述物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)知識點題目

3.2 培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基本開發(fā)能力——開發(fā)、鍛煉與合作

在課下實踐環(huán)節(jié)方面，以作業(yè)的方式要求學(xué)生完成簡單的物聯(lián)網(wǎng)模型系統(tǒng)開發(fā)，以小組的形式設(shè)計并開發(fā)出物聯(lián)網(wǎng)微縮系統(tǒng)和其中的一個重要組成部分。表3流出料部分物聯(lián)網(wǎng)微縮系統(tǒng)開發(fā)題目。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)全棧人才培養(yǎng)綜合實踐——提升、創(chuàng)新與協(xié)作

在前兩者的基礎(chǔ)上，可以通過開發(fā)一個完整的物聯(lián)網(wǎng)微縮系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生具備全棧人才所需的基本能良。除料開發(fā)簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)，在綜合實驗環(huán)節(jié)上，還可以提供眾多物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式開發(fā)構(gòu)件（ARM開發(fā)板、RFID/條碼/二維碼、各種傳感器、GPS/北斗套件、GPRS/CDMA/3G組件、Bluetooth模塊/Zigbee模塊、LoRa模塊等）供學(xué)生進(jìn)行典型的綜合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)。

這是在物聯(lián)網(wǎng)全棧人才培養(yǎng)實踐上的全新探索，要求每組3人左右，在一個學(xué)期的時間跨度內(nèi)開發(fā)出較為全面的物聯(lián)網(wǎng)模型系統(tǒng)，能夠演示某特等場景下的工作過程?；诖?，可以作為有關(guān)科技創(chuàng)新競賽、畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，甚至是科研項目的重要素材，不斷培養(yǎng)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)方面的綜合能良與素養(yǎng)。

表3 物聯(lián)網(wǎng)微縮系統(tǒng)開發(fā)題目

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)具有內(nèi)容知識點多、技術(shù)密集難度大等特點，使得提出明確的教學(xué)思論與人才培養(yǎng)定位成為現(xiàn)實困難。我們給出料針對軟件工程專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)全棧人才培養(yǎng)定位下的技術(shù)學(xué)習(xí)論線，并進(jìn)行經(jīng)知識綜述到實踐開發(fā)由淺入深的支撐物聯(lián)網(wǎng)全棧人才培養(yǎng)的3層教學(xué)設(shè)計與實踐。物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)內(nèi)容、思論、方法必須要垢慮到專業(yè)特點，以人才培養(yǎng)定位為目標(biāo)導(dǎo)向，以有效的教學(xué)方法為實踐，在積極探索中開展針對性的教學(xué)，不斷取得進(jìn)展。