高職物聯(lián)網專業(yè)創(chuàng)客課程體系研究

胡駿 龍翔

摘 要：物聯(lián)網被稱為繼計算機、互聯(lián)網之后世界信息產業(yè)第三次浪潮。物聯(lián)網作為一個交叉學科與具有跨界特性的“創(chuàng)客”擁有著相同的融合基因，在物聯(lián)網專業(yè)開展“創(chuàng)客”教育具有先天的優(yōu)勢。在大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的浪潮下，構建基于物聯(lián)網創(chuàng)客的教育體系成為目前職業(yè)院校開展“雙創(chuàng)”教育的一把金鑰匙。本文就高職創(chuàng)客教育課程體系進行討論，提出一種融合創(chuàng)客教育的物聯(lián)網專業(yè)人才培養(yǎng)路徑。

關鍵詞：高等職業(yè)院校 物聯(lián)網 創(chuàng)客 課程體系

一、高職物聯(lián)網專業(yè)教育教學現(xiàn)狀（The current situation of teaching in the Internet of Things major）

物聯(lián)網產品開發(fā)流程通常包括需求分析、硬件和軟件并行協(xié)同開發(fā)、測試調試等階段。經過企業(yè)調研，我們將目標崗位的典型工作任務合并歸納為相關課程，并與目前高職教育水平進行量化評分，如圖1所示。

通過比較，發(fā)現(xiàn)目前高職物聯(lián)網教育水平與企業(yè)崗位需求還存在一定的距離。究其原因，主要包括兩個方面：物聯(lián)網技術涵蓋面極廣，融合了現(xiàn)有的計算機、網絡、通信、電子和控制等多項技術，入門存在一定的門檻；另一方面，高職物聯(lián)網專業(yè)生源極其復雜（中職和高中文理科學生兼收），學生英語基礎參差不齊、邏輯推理能力不強、文字錄入能力差強人意的學情也造成教學進度難以順利推進。因此，選擇一種能覆蓋物聯(lián)網專業(yè)典型工作任務，能使學生對硬件結構和電路結構有一定了解，訓練學生通過編寫程序完成功能實現(xiàn)的平臺作為物聯(lián)網專業(yè)教學輔助手段就顯得十分有必要[1]。

二、基于物聯(lián)網專業(yè)的創(chuàng)客課程介紹（Introduction to the Maker Course based on the Internet of Things）

自創(chuàng)客概念提出以來，各種適合非專業(yè)人士進行開發(fā)的軟硬件平臺不斷涌現(xiàn)。Arduino、Processing、App Inventor無疑就是其中的佼佼者，其良好的跨平臺性、豐富的生態(tài)、簡易的開發(fā)語言能顯著降低學生學習成本和時間開銷，快速切入開發(fā)流程。學習這些平臺工具，可以為高職學生專業(yè)課程的學習打下堅實的基礎。更令人驚喜的是，在進行簡單培訓后，學生可以根據(jù)自己的創(chuàng)意快速搭建產品原型，實現(xiàn)由學習者向創(chuàng)造者的轉變。

（一）Arduino開發(fā)平臺

Arduino作為一個基于AVR單片機開源的電子設計開發(fā)平臺，在IDE中對寄存器操作、I/O方式進行封裝，使用精簡的C/C++語言進行開發(fā)。在Arduino官方開發(fā)團隊提供的標準Arduino庫函數(shù)和第三方接口的幫助下，讓開發(fā)者把主要精力放在對傳感器數(shù)據(jù)采集處理、驅動執(zhí)行器等方面上，大大縮短電子產品開發(fā)周期。正是由于Arduino定制了很多底層的設計，使得它損失了很多嵌入式開發(fā)的靈活性和效率性，在本科教育中通常不被采用，但是對于基礎薄弱的高職學生具有很大的吸引力。

以Arduino Uno開發(fā)板為例，其自帶14個數(shù)字輸入輸出引腳，6個模擬引腳，USB接口允許上位機通過IDE編寫程序直接燒寫；同時也支持I2C，UART等協(xié)議支持控制器與外圍套件和擴展板通信。簡單的硬件結構輔以外圍套件、傳感器和執(zhí)行器，學生可以輕易的實現(xiàn)空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)、酒精檢測儀、溫濕度記錄儀、指紋考勤系統(tǒng)、超聲波測距等系統(tǒng)。開發(fā)這些系統(tǒng)原本要求開發(fā)者掌握大量的電子電路和單片機內部結構以及程序語言等背景知識，通過Arduino平臺進行輕量級開發(fā)后，一般學生都可以很容易做出讓人滿意的作品。

1.Arduino硬件開發(fā)平臺——Fritzing和123D Circuits

高職這個層次的學生最顯著的特點是感性多于理性，這種情況造成教學中學生無法將電路中各種符號與真實元器件聯(lián)系起來，這也直接影響到他們對Protel或Proteus等電子電路CAD軟件的學習。因此使用面包板搭建基本電路成為物聯(lián)網專業(yè)電類課程實踐教學一種初步有效的手段。然而，對電路進行調試是整個實踐教學過程中最令老師頭疼的事情。復雜面包板電路中，一次性上電通過的情況畢竟屬于少數(shù)，大概率情況是通過調試找出各式各樣錯誤。這樣一來，極有可能在有限的時間內，老師無法對每一位學生進行指導。在創(chuàng)客硬件CAD設計軟件Fritzing和Autodesk123D Circuits推出以后，這種情況得到了極大改善。

Fritzing軟件在進行電路設計的時候共有三種視圖：面包板視圖、框架結構視圖、PCB視圖。在面包板視圖中，在菜單中拖拽各種基于svg（可縮放矢量圖）格式的外觀高仿器件到面包板上，通過跳線進行連接，快速搭建電路，如圖2（a）所示；切換到框架結構視圖后，教師可以很輕易地對整個硬件系統(tǒng)進行分析、歸納、講解，如圖2（b）所示；在對整個硬件電路核對無誤后，在面包板視圖中對仿真視圖進行打印，并將打印的紙張貼在真實面包板上，此時進行動手搭建真實電路驗證功能性，如圖2（c）所示；所有以上步驟完成以后，工作過程很自然的過渡到PCB視圖進行輸出制版，如圖2（d）所示。Autodesk123D Circuits軟件除具有Fritzing這些特點外，還具有仿真的功能。

2.Arduino軟件開發(fā)平臺—Ardublock

Ardublock作為一種Arduino的第三方開發(fā)環(huán)境，必須依附于Arduino IDE軟件而運行。該軟件提供了一種類似于Scratch的圖形化操作界面，通過把原生的文本代碼提升為更直觀的圖形塊，開發(fā)者對圖形塊進行拼接、拖拽等操作完成整個編程過程。在此過程中，軟件內置的邏輯檢測機制會確保開發(fā)者的拼接符合規(guī)則。這樣就能避免手工敲入代碼可能帶來的語法錯誤、加快了程序開發(fā)速度。

（二）Processing交互式開發(fā)語言

Processing是一種面向視覺與交互的編程語言，是Java語言一種簡化版本。它繼承了Java跨平臺性、面向對象特性等諸多特點。最近幾年，各種不斷涌現(xiàn)的新技術中也不斷加強對Processing技術的融合。例如在Processing的PDE中導入對應的Android SDK，編寫的代碼即可生成為apk文件在Android手機上運行；在前端開發(fā)工具JavaScript中近期也添加了p5.js類庫，為網頁的美化、互動性的提升提供了一種新的方法。

正是Processing的簡易性和跨平臺性，在創(chuàng)作產品的過程中，通常被用來和開源硬件進行對接，從而能使用戶和硬件產生互動。

（三）AppInventor2移動開發(fā)平臺

App Inventor2（簡稱AI2）是一款擁有類似于Scratch的圖形化操作界面，編寫的程序具備可讀性強、拓展性好、易于維護等特點的Android 應用開發(fā)平臺。AI2中用戶只需要用鼠標拖動不同的組件和內部代碼塊，再將它們組合在一起打包生成apk。整個AI2程序設計流程如圖3所示。

使用AI2搭配Arduino可以做出硬件與移動端互動的作品。例如使用Arduino的GENUINO 101開發(fā)板連接傳感器后采集各種實時環(huán)境數(shù)據(jù)，使用藍牙與手機進行通信就可以在應用界面內顯示。整個工作流程為硬件搭建、應用界面開發(fā)、應用邏輯開發(fā)，如圖4所示。

三、融合創(chuàng)客課程的物聯(lián)網課程體系（Integrating the Internet of Things course system with the Maker Course）

在梳理清楚目前流行的創(chuàng)客課程和物聯(lián)網專業(yè)課程的內在聯(lián)系后，我們可以將創(chuàng)客課程融入到人才培養(yǎng)方案中去，對現(xiàn)有專業(yè)核心課程起到進行鋪墊或延展作用。以《電子技術》課程為起點，在Fritzing或者AutoDesk 123 Circuits軟件中對典型電路進行仿真的同時使學生得到元器件的認知教育；以Arduino開發(fā)板為核心，在Ardublock開發(fā)環(huán)境中讓學生理解編寫C/C#程序的邏輯和步驟，輔助自動識別模塊、無線傳感網絡模塊和傳感器套件開展物聯(lián)網核心專業(yè)課程教學，盡快打通物聯(lián)網產品設計實現(xiàn)路徑，使學生充分體驗到物聯(lián)網開發(fā)技術的樂趣，為專業(yè)課程教學夯實基礎。另一方面，以Java語言為程序學習核心，開設Processing及AppInventor 2課程，豐富學生的物聯(lián)網交互設計手段，為有志于軟件設計的學生開設“第二課堂”，如圖5所示。

結語（Conclusion）

本文針對目前高等職業(yè)院校物聯(lián)網專業(yè)的教學困境，提出一種融合創(chuàng)客課程的專業(yè)課程體系。這些創(chuàng)客課程對學生的學習基礎要求較弱，具有設計過程可視化，對復雜技術進行封裝等特點，十分適合目前高等職業(yè)院校的學情。

盡管如此，在開展創(chuàng)客課程教學的時候，還是遇到很多挑戰(zhàn)。例如，相應的教材市面上還不夠豐富，掌握新技術的教師還不多，創(chuàng)客課程的學時安排和排課順序需要進一步理順，學校層面重視程度不夠等等一系列的問題，需要在今后的工作中進一步解決。

參考文獻（References）

[1]李凌云.高職院校創(chuàng)客教育的價值、現(xiàn)狀及優(yōu)化路徑[J].教育與職業(yè)，2016（24）：57-59.

[2]雒亮.開源硬件，撬動創(chuàng)客教育實踐的杠桿[J].中國電化教育，2015（4）：7-14.

[3]陳穎.地方農科院校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)體系的創(chuàng)建與實踐[J].云南農業(yè)大學學報，2012（6）：72-76.

作者簡介

胡駿（1981—），男，碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網技術。

龍翔（1973—），男，碩士，副教授，研究方向：計算機網絡，信息安全，物聯(lián)網技術。