新工科背景下的物聯網課程教學模式

曾紅武，王 佳

(重慶醫(yī)科大學 醫(yī)學信息學院，重慶 400000)

一、前言

物聯網(IoT，Internet of things)即“萬物相連的互聯網”，是互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。物聯網是將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，實現在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯互通，物聯網上的每個“物”一般來說具有四種能力，即標識能力、感知能力、通信能力和可控能力[1]。隨著信息技術的發(fā)展，特別是5G技術的突破，物與物、人與物之間大容量、高速的信息交換逐漸成為現實。智能家居、工業(yè)物聯網、智慧城市等物聯網產業(yè)已經形成，物聯網相關產品需求呈爆炸式增長。

物聯網技術在多個領域應用成功之后，相關行業(yè)對物聯網技術人才的需求日益增長。近年來，培養(yǎng)的物聯網技術從業(yè)人員逐年呈現幾何數增長，但是從需求方來說仍出現無法招聘到合適人才的現象。物聯網產業(yè)蓬勃興起，但人才短缺的狀況沒有好轉。目前，全國開設物聯網專業(yè)的院校有1 000多所，但每年畢業(yè)生人數不足10萬，未來幾年，隨著人工智能與物聯網的結合，物聯網領域的人才需求量將達到20萬以上，供不應求態(tài)勢很明顯。

業(yè)內一般將物聯網分為傳感層、網絡層、應用層。物聯網的三層架構模型決定了物聯網技術的多樣性。傳感層需要對硬件及嵌入式開發(fā)有系統的了解，主要涉及到硬件的設計與研發(fā)；網絡層主要涉及物聯網網關、短距離無線通信、自組織網絡、簡化IPv6協議、低功耗路由、增強的機器對機器無線接入和核心網標準、M2M模組與平臺、網絡資源虛擬化標準、異構融合的網絡標準等；應用層包括應用層架構、信息智能處理技術以及行業(yè)、公眾應用類標準。應用層架構重點是面向對象的服務架構，包括SOA體系架構、面向上層應用業(yè)務的流程管理、業(yè)務流程之間的通信協議、元數據標準以及SOA安全架構標準。應用層信息智能處理類技術標準包括云計算、數據存儲、數據挖掘、海量智能信息處理和呈現等。云計算技術標準重點包括開放云計算接口、云計算開放式虛擬化架構(資源管理與控制)、云計算互操作、云計算安全架構等。物聯網技術的技能包含了業(yè)務理解能力、數據探索能力、項目管理能力。

從上述的物聯網各層技術分布來看，物聯網技術有多樣性、復雜性等特點。因此，物聯網技術能力難以在短時間內培養(yǎng)，一個有較高水平的物聯網技術人才需要較深厚的理論知識，并且需要參與大量的實踐才能逐步提高。如何培養(yǎng)高素質的物聯網技術人才已成為新工科背景下各高校物聯網相關專業(yè)任課教師的重點，值得各高校相關任課教師關注和探討。

二、物聯網課程教學現狀

當前，面對激增的物聯網技術人才的需求，廣大高等院校作為物聯網技術人才培養(yǎng)的搖籃，肩負著向社會各行業(yè)輸送優(yōu)秀人才的重擔[2]。2017年，教育部發(fā)布了“新工科建設”計劃，這個計劃強調了理論與實踐的融合。最近幾年廣大高校也開展了大量的課程教學改革，比如，運用酷課、慕課等形式進行教學，并取得了一定的成效，同時各高校也建立了一批與物聯網技術相關的專業(yè)和學院。有一些高校還聯合企業(yè)成立了相應實驗室，比如，江蘇大學與富士通半導體公司成立物聯網聯合實驗室，該實驗室提供給江蘇大學學生進行微處理器技術的創(chuàng)新性實驗和研究。廣大高校還積極與企業(yè)對接，讓學生到企業(yè)中實習，比如，重慶醫(yī)科大學將學生送往中聯進行為期2—3個月的實訓。但是，縱觀多數高校的物聯網技術人才培養(yǎng)計劃和相應的課程，可以發(fā)現一個普遍的問題是重理論知識的培養(yǎng)，缺乏物聯網技術技能的培養(yǎng)。

從各高等院校開設的物聯網技術課程來看，課程的主要內容處于理論知識傳授階段。由于課時較少，大部分的課程以理論教學為主，多數教師也局限于傳授相關物聯網技術的理論知識。教師在授課過程中對物聯網的三層架構進行了比較充分的講解，也能對物聯網每一層涉及的理論知識、運用場景進行總結，同時還能利用一些簡單的案例進行講解。但是，大量的高校學生很難有實際的工程案例實踐，課程教學過程中無法延伸到物聯網技術技能培養(yǎng)階段。部分高校在培養(yǎng)學生物聯網技術技能方面也引入了企業(yè)進行實訓教學，從實訓過程和結果來看，這種方式也存在三方面的不足，一是這種方式不是長久之計；二是校外實訓企業(yè)能力參差不齊；三是校外實訓時間較短，實訓內容單一，無法完成整個工程的實踐。

在新工科背景下，最近幾年有的高校也對物聯網技術課程進行了改革，引入了項目驅動、任務驅動等教學方法來進行物聯網技術課程的教學[3]。但是這類方式的項目和任務都是現成的，有明確的需求和考核目標，學生也只是按照項目的要求或任務按部就班的完成，學生需要思考的問題很少，通常只是對理論知識的簡單運用。事實上，一個真正落地的項目是需要從最初的項目需求開始，到最終的項目實施全過程。例如，在ETC停車收費系統中，往往是對現有項目的重現。課程項目與實際的工程項目有很大不同，實際的工程項目沒有明確的問題分析，需要物聯網技術人員從現場的實際環(huán)境出發(fā)，從復雜的業(yè)務背景和實際問題中提取，同時這個需求還可能隨著對項目的深入了解發(fā)生深刻變化，這些歷練的過程在現有的項目驅動和任務驅動教學中是無法體會的[4]。事實上，實際工程項目中傳感層獲得的數據非常雜亂，需要進行大量的預處理，同時還有客戶近乎嚴苛的驗收標準和項目預期時間節(jié)點。上述問題在教科書式的課堂上、在企業(yè)的實訓上都不曾發(fā)生，需要在實戰(zhàn)項目中不斷糾錯并創(chuàng)新地去解決發(fā)現的問題。因此，傳統的項目驅動式、任務式培養(yǎng)出來的物聯網技術人員將無法面對企業(yè)的實際項目。

綜上所述，由于部分高校課程內容陳舊、學時有限，廣大學生在物聯網技術學習的過程中實踐能力得不到有效鍛煉，學習的內容與實際需求有較大的脫節(jié)是目前物聯網技術人才培養(yǎng)面臨的最大問題。

三、基于“行動學習”的物聯網技術課程教學模式

行動學習(Action learning，又譯作“行動學習法”)，英國管理思想家雷格·瑞文斯(Reg Revans)于1940年發(fā)明，并將其應用于英格蘭和威爾士煤礦業(yè)的組織培訓，因此，雷格·瑞文斯也被尊稱為“行動學習之父”。所謂“行動學習”，就是通過行動實踐學習。即在一個專門以學習為目的的背景環(huán)境中，以組織面臨的重要問題為載體，學習者通過對實際工作中的問題、任務、項目等進行處理，從而達到學習的目的。

“行動學習法”看起來非常簡單，因此，該學習方法多年來一直被人們所忽視，從未發(fā)現其背后隱藏的力量?！靶袆訉W習”之于學習方面的基本方法就是：人們獲得實踐經驗的最好方法是通過實際的項目操作而非通過傳統的課堂教學?！靶袆訉W習法”的目的不僅是為了促進某一具體項目，更致力于推動一個人的學習能力，將知識學習全面轉化成能力和技能提高。

雷格·瑞文斯教授認為“行動學習”可以表述為以下公式：AL=P+Q+R+I。AL(Action Learning)：行動學習；P(Programmed Knowledge)：結構化的知識；Q(Questions)：質疑；R(Reflection)：反思；I(Implementation)：執(zhí)行，即行動學習=結構化的知識+質疑+反思+執(zhí)行?！靶袆訉W習”是一種綜合的學習模式，是學習知識、分享經驗、創(chuàng)造性研究解決問題和實際行動“四位一體”的方法。

從上述的公式可以看出，“行動學習”是一個循環(huán)學習的過程。第一階段代表結構化知識的獲取，也就是理論知識階段的學習；第二階段是在實踐中將理論知識加以運用，并歸納總結實踐中發(fā)現的問題，獲取質疑；第三階段是反思發(fā)現的問題，并提出解決方案；第四階段是執(zhí)行第三階段提出的解決方案。“行動學習”方法是從P→Q→R→I這幾個階段的循環(huán)交錯進行，構成了從“行動學習”到“認知學習”和“改造學習”的過程。

將“行動學習”方法運用到物聯網技術技能培養(yǎng)，這個過程可以由四個階段組成。第一個階段對物聯網技術的基本架構、基本理論、基本方法、基本工具進行學習，對應“行動學習”的P階段；第二階段是項目模仿階段，對應行動學習的Q階段，這一階段是將P階段的理論知識加以簡單的應用，可以將知識轉化成質疑；第三階段是“行動學習”的R階段，這一階段將反思Q階段出現的問題，并提出解決方案；第四階段是將R階段提出的解決方案加以執(zhí)行，即“行動學習”的I階段。綜上所述，四個階段的學習過程可細分為以下四個具體的步驟。

1.物聯網技術理論基礎知識的掌握

這一步驟是“行動學習”的P階段，這一階段強調的是掌握物聯網技術的理論知識，這是后續(xù)步驟的基礎，這階段可以讓學生了解和掌握物聯網的基本架構、基本運用、運用領域、各層開發(fā)的工具以及如何實現[5]。只有扎實的理論知識，后續(xù)的實踐和反思才有基礎?！靶袆訉W習”中強調實踐的反思，理論知識是其反思的奠基石?！靶袆訉W習”的主體是學生，教師的作用在于為學生構建學習的環(huán)境，設計合理學習物聯網技術的路徑，使學生在學習的過程中掌握項目執(zhí)行的流程和流程中每一步的方法和技巧，同時鼓勵學生每個階段善于反思和樂于反思。

這一階段，教師不必讓學生懂得每一行代碼的意思，應聚焦在分析問題的思路上。在功能的實現上可以直接調用一些開源的框架的API嘗試功能及算法的實現，強化對數據的理解及思維方法。例如，學習的初期可調用OpenCV，Face++ 的接口實現簡單的人臉識別功能。這種所見即所得的學習方式能很快地提高學生的學習興趣。

2.模仿優(yōu)秀物聯網技術人員的思路

這一階段是“行動學習”的Q階段，教師應督促學生在小的實踐項目中將P階段的知識加以應用。整個流程應貫穿物聯網的三層架構，從數據的獲取到數據傳輸，最終到數據的有效應用，這是一個完整的物聯網技術流程。每個環(huán)節(jié)都對應了物聯網相關層的理論知識，這個階段應該反思如何有效的將理論知識運用到物聯網運用的整體思路當中[6]。作為一個初學者模仿優(yōu)秀的物聯網技術人員的思路尤為重要。這個階段教師可以整理已完成的物聯網應用項目，這些項目包括但不限于經典的的項目。

任課教師將整理好的項目做成實驗文檔，將整個項目完整的呈現出來，實驗文檔中需要強調整體項目的思路和需要注意的難點。這個階段應將學生分組，組員以4—5人一組為宜。成員分組原則上既要考慮成員之間性格相投以便組員之間有良好的溝通，也要考慮組員間能力結構，以便各組都能順利完成任務。各組拿到實驗項目后進行項目的重現，項目重現過程中每個階段讓學生將理論知識與項目的過程進行映射，同時各組及不同分組之間進行相互討論，重點討論每個階段選擇用什么技術，可能會遇到的問題，這些問題應該如何解決，思考有沒有更加優(yōu)化的辦法解決這些問題。這個過程就是“行動學習”的Q階段到P階段的平滑移動。在這個過程中學生能逐漸掌握物聯網項目運作的技能，這就是從理論知識的學習到實踐并質疑的學習過程。在這個過程中既鍛煉了學生團隊協作能力，更能發(fā)現理論知識的不足，這為復習理論知識和循環(huán)到下一階段奠定基礎。

3.項目的反思

在進行簡單的項目復現時，學生的物聯網技術處于基本技能階段，但對實際業(yè)務問題理解還處在一個較低的層次。現在應該進入“行動學習”的R階段，即質疑階段，這是“行動學習”的循環(huán)提升階段。這個階段應讓學生參與一些新項目，在新的項目實現過程中，注重讓學生將新知識、新技能與已有的知識體系融會貫通，并嘗試摸索解決新問題的方法、思路。這個階段教師參與度較低，只需要留時間給學生自主完成即可，教師的著重點應該放在督促學生按時間節(jié)點完成階段任務。同時教師應根據不同學生的能力和所處階段合理的推薦一些實踐項目，這些項目應是真實有效的，例如，校園內自行車定位項目、校園內的智慧路燈系統等。這些項目可操作性強，且實際存在，項目實踐性較強，在項目的實踐過程中學生的獲得感較強，容易激發(fā)學生的主觀能動性。教師在項目的實踐中應組織并鼓勵學生不斷反思，總結，再反思，再總結。條件成熟的情況下可以指導一些優(yōu)秀的學生參與大賽活動。新的項目過程中的反思過程可以提高學生分析問題和應用物聯網知識的能力，項目的實踐中學生的項目管理能力、團隊協作能力也會顯著提升。

4.工程項目的執(zhí)行

前面三個階段的學習完成了“行動學習”的P、Q、R階段，即結構化的知識、質疑、反思三個階段，現在進入“行動學習”的最后一個階段，執(zhí)行I階段，這個階段是對“行動學習”的最終檢驗。在前面三個階段的學習積累后，需要參與實際的工程項目。實際的工程項目難度較大，因為在項目的初期，用戶只提出一些簡單的愿景，并沒有一個總體的目標，物聯網技術人員需要走訪現場，并與使用人員交流，抽象出合適的需求分析報告，這就需要物聯網技術人員有較高的專業(yè)知識和業(yè)務能力。實際的工程項目的數據源可能分散在不同的傳感器中，因此，提取哪些數據，什么時候提取，如何提取，都要根據業(yè)務需要來考慮。同時實際的項目中，業(yè)主單位會有嚴格的業(yè)務審核流程，數據的傳遞速度、量級、穩(wěn)定性必須要達到一定的性能要求。在應用層方面數據如何處理，如何運用，如何展示，這些問題都需要與用戶深度溝通，同時由于用戶使用數據的多樣性、不統一性都需要物聯網技術人員與客戶一同思考和探討后才能得出結論。與第三階段的比賽等相比，此階段對物聯網技術人員的要求會更高。實際的項目也會有一定的時間限制，相應的會給學生帶來一定的壓力。這個階段學生會面對更大的困難和挑戰(zhàn)，需要有項目經驗的教師給予積極的指導。針對學生的問題，指導教師應該利用企業(yè)專家豐富的經驗為學生提供有益的建議，這個階段需要學生理論與實踐深入結合[7]?？傊?，如何解決客戶提出來的業(yè)務問題，如何解決實際的問題，無法從技術上解決相應問題時如何說服客戶更改相應流程是物聯網技術人員培養(yǎng)的終極目標。

四、總結

當前，物聯網相關行業(yè)對物聯網技術人才的需求旺盛，但大部分高校培養(yǎng)的人才卻不能適應市場的需求。高校的物聯網技術課程側重理論知識的講解，學生在實際的工程項目中還需要大幅提高相應能力。物聯網技術涉及的知識多，人才培養(yǎng)周期長，對技能要求高，需要從模仿項目、比賽項目到實際項目的長時間積累。物聯網技術技能培養(yǎng)對高校教師和學生來說都是一個不小的挑戰(zhàn)，教師應積極參與實踐，積累必要的項目能力，并與企業(yè)積極對接合作，培養(yǎng)出能解決實際問題、為社會所用的物聯網技術人才。