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物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式綜述
物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式綜述
陳春梅，郭明明
�。ㄎ髂峡萍即髮W(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621000）
摘要：近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，市場(chǎng)人才需求正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。在不久的將來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)必將帶動(dòng)通信行業(yè)的又一次革命浪潮。由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)為高校新辦專業(yè)，有關(guān)教學(xué)設(shè)置和教學(xué)模式都還在摸索當(dāng)中。為了盡快滿足教學(xué)需求，各高校必須結(jié)合自身特點(diǎn)，努力建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程以及相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。本文在探討物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程體系的同時(shí)，研究了其實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)模式，分析了它們各自的特點(diǎn)，為此給出了一些建議。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)模式
資助項(xiàng)目：西南科技大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式創(chuàng)新研究”
一、概述
物聯(lián)網(wǎng)在當(dāng)今社會(huì)已成為一個(gè)熱點(diǎn)話題，它正不斷應(yīng)用到我們生活中。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)裝置在物體上的各種傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別RFID裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)GPS、激光掃描器等，按照約定的協(xié)議，通過(guò)相應(yīng)的接口把物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨型網(wǎng)絡(luò)[1-2]。2010年，教育部開(kāi)始將物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)的重點(diǎn)，開(kāi)始鼓勵(lì)各大高校申報(bào)相關(guān)專業(yè)。作為培養(yǎng)市場(chǎng)所需人才的高校來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)顯得尤為重要，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室也成為當(dāng)務(wù)之急。高等院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)該注重培養(yǎng)具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和具有較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐能力的全方位人才[3-4]。因此，這就要求高等院校在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)方面建立和完善適應(yīng)于學(xué)生發(fā)展的實(shí)踐教學(xué)體系。
二、物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)研究，按照自底向上的方法，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)從技術(shù)和功能角度可以分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
感知層主要是前端信息采集以及控制終端，要求能夠全面感知物理世界的各種信息。感知層主要是由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，是物聯(lián)網(wǎng)信息的源頭。用于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的傳感器主要有溫濕度傳感器、氣體傳感器、水質(zhì)傳感器等。它利用射頻識(shí)別（RFID）器件、嵌入式設(shè)備、無(wú)線傳感網(wǎng)等全面感知物體的各種信息，具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、成本低等特點(diǎn)[5]�？梢�(jiàn)，感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的底層技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一。
網(wǎng)絡(luò)層由光載無(wú)線交換系統(tǒng)（主要包括光載無(wú)線交換機(jī)、遠(yuǎn)端射頻單元、模擬光纖、WIFI設(shè)備服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)）和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同組成，是各種信息與互聯(lián)網(wǎng)的融合、傳輸和接入層，是基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[6]。
應(yīng)用層的主要作用是支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中各類平臺(tái)技術(shù)的運(yùn)行，這些技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)信息存儲(chǔ)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信息共享和交互技術(shù)以及各行業(yè)末端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)等，主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)技術(shù)的深度融合和無(wú)處不在的智能化功能[7]。應(yīng)用層是由后臺(tái)數(shù)據(jù)中心、遠(yuǎn)程客戶端以及裝載在其中的各種應(yīng)用程序共同組成的，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端信息和控制終端的管理和應(yīng)用。
這三個(gè)層次基本涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)主要的核心知識(shí)和應(yīng)用范圍，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)指出了明確的方向。
三、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)典型解決方案
我國(guó)高校開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是近五年的事，由于整個(gè)專業(yè)起步比較晚，相對(duì)來(lái)說(shuō)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的配備更遲一步，不管是各大高校還是服務(wù)于高校的企業(yè)單位，對(duì)該專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)配套設(shè)施都還處于起步階段，如何定位高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)，如何確定相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)模式，對(duì)此，本文進(jìn)行了相關(guān)分析和總結(jié)。
1.體驗(yàn)實(shí)踐的廣泛感知模式。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本身與電子、通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域密切相關(guān)，但它也應(yīng)該有自己明顯的特性。據(jù)了解，各大高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基本都設(shè)置在計(jì)算機(jī)學(xué)院或信息學(xué)院，如何把物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與同學(xué)院其他專業(yè)區(qū)分開(kāi)來(lái)？基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐特性，一些大學(xué)從實(shí)踐環(huán)節(jié)入手，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給出了解決方案。
該方案認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)該重視基本應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng)、應(yīng)該建立寬泛的可操作環(huán)境，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)有可選性，鼓勵(lì)創(chuàng)新精神。從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目的整體把握能力。
方案中指出對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)該從專業(yè)認(rèn)識(shí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、競(jìng)賽活動(dòng)等方面進(jìn)行改進(jìn)。據(jù)調(diào)查，新生專業(yè)認(rèn)識(shí)一般是統(tǒng)一參觀專業(yè)實(shí)驗(yàn)室或某個(gè)網(wǎng)絡(luò)公司或以講座形式向?qū)W生展示專業(yè)的發(fā)展，使學(xué)生獲得對(duì)自己專業(yè)的初步認(rèn)識(shí)。新的解決方案是建立特定行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“綜合演示實(shí)訓(xùn)中心”。
通過(guò)參觀該實(shí)訓(xùn)中心，讓學(xué)生從整體上認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及其應(yīng)用場(chǎng)合，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的理解和興趣。生產(chǎn)實(shí)習(xí)方面通常是帶領(lǐng)學(xué)生到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)，由于物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)新興行業(yè)，可供學(xué)生進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)比較少，因此需要重新制定物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)習(xí)解決方案。(m.htc668.com)經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，建立“物聯(lián)網(wǎng)綜合演示實(shí)訓(xùn)中心”供學(xué)生感性體驗(yàn)，或者利用學(xué)校與企業(yè)聯(lián)合共建的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)示范基地以及學(xué)校自建的實(shí)訓(xùn)中心。專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，應(yīng)做到學(xué)與做同行。為滿足多樣化需求，應(yīng)完善豐富專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，從而豐富課程設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如果教師時(shí)間緊，可以采用第三方提供的產(chǎn)品方案。通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽，讓學(xué)生可以在創(chuàng)新、理論付諸實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作三個(gè)方面促進(jìn)增長(zhǎng)。
對(duì)高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展方面，方案給出了三步走策略：綜合演示實(shí)訓(xùn)類、應(yīng)用實(shí)訓(xùn)類以及基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)類。對(duì)于綜合演示實(shí)訓(xùn)類，針對(duì)高校的行業(yè)特點(diǎn)，建立其相應(yīng)的應(yīng)用型實(shí)訓(xùn)中心。比如智能家居系統(tǒng)、智能門(mén)禁系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等。提供專業(yè)認(rèn)識(shí)、科技創(chuàng)新、科研、畢業(yè)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。對(duì)于應(yīng)用實(shí)訓(xùn)類，構(gòu)建通用典型的物聯(lián)網(wǎng)小型系統(tǒng)以及中規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)。比如智能停車管理實(shí)訓(xùn)室、智能農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)室等。提供專業(yè)認(rèn)識(shí)、課程設(shè)計(jì)、科技競(jìng)賽及創(chuàng)新相關(guān)的實(shí)驗(yàn)服務(wù)。對(duì)于基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)類，進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)、課程設(shè)計(jì)等專業(yè)基本能力培養(yǎng)。比如傳感器、單片機(jī)、FPGA實(shí)驗(yàn)室等。
2.精品案例教學(xué)模式。對(duì)于概念和應(yīng)用寬泛的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來(lái)說(shuō)，與其面面俱到廣而不精，一些高校提出并采用精品案例教學(xué)模式。學(xué)校結(jié)合自身的長(zhǎng)處，選擇適合自己的培養(yǎng)方向，這不僅可以充分利用現(xiàn)有資源，更能體現(xiàn)針對(duì)性，且學(xué)生容易入門(mén)。為此，一些企業(yè)隨之打造類似產(chǎn)品，以求能夠通過(guò)某個(gè)具體精品案例，同樣能把物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)體現(xiàn)得淋漓盡致。在追求精品的同時(shí)，不失整體的實(shí)踐教學(xué)模式。
方案中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)選取了典型的案例———智能家居，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。智能家居融合自動(dòng)化控制系統(tǒng)、無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)于一體，形成智能化、網(wǎng)絡(luò)化的家居控制系統(tǒng)，將家中的各種設(shè)備（如照明系統(tǒng)、音視頻設(shè)備、窗簾控制、安防系統(tǒng)、空調(diào)控制、數(shù)字影院系統(tǒng)等）通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起，從而實(shí)現(xiàn)全方位的信息交互、保持信息交流暢通、環(huán)保節(jié)能，節(jié)約資金、增強(qiáng)家居安全。智能家居系統(tǒng)可提供實(shí)驗(yàn)為智能移動(dòng)視頻監(jiān)控實(shí)驗(yàn)、智能門(mén)禁實(shí)驗(yàn)、智能電燈控制實(shí)驗(yàn)、智能窗簾控制實(shí)驗(yàn)、家居環(huán)境參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更好地鍛煉動(dòng)手能力。
該方案中通過(guò)智能家居系統(tǒng)引出物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)主要分為物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)接入教育、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)可提供多款CPU，例如8051核CPU、cortex m3核CPU和FPGA等，使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)不同復(fù)雜度、不同成本的CPU連接傳感器進(jìn)行信號(hào)采集的流程。同時(shí)可以提供多款傳感器。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)的核心思想是提供一套可以更換CPU芯片的、能夠連接多種傳感器的試驗(yàn)教學(xué)裝置，目的是讓學(xué)生能夠?qū)W習(xí)各種傳感器的應(yīng)用，包括傳感器信息采集、傳感器信號(hào)分析和接口電路設(shè)計(jì)。
其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)是提供一套能夠使用不同類型CPU實(shí)現(xiàn)傳感器信息采集與處理的實(shí)踐教學(xué)裝置、提供多種傳感器應(yīng)用，包括聲音、電磁、溫度、濕度、氣體、紅外、光照、機(jī)械動(dòng)作等多種感知信號(hào)。提供多樣的傳感器接口，包括模擬接口、數(shù)字接口和開(kāi)關(guān)量接口。物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)的核心思想是提供這樣一套實(shí)驗(yàn)裝置：在完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理和射頻識(shí)別信息處理的同時(shí)，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)不同網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中心。目的是讓學(xué)生掌握WIFI、GPRS、3G網(wǎng)絡(luò)組成，信息傳輸過(guò)程中的關(guān)鍵性參數(shù)配置，傳輸性能分析等內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心思想是提供一套能夠涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵性技術(shù)，即軟交換技術(shù)和IPv6技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)裝置和教學(xué)資源。目的是讓學(xué)生能夠掌握主流的網(wǎng)絡(luò)信息交換技術(shù)。
3.二次研發(fā)實(shí)踐模式。對(duì)于體系比較龐大、涉及知識(shí)比較繁多的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來(lái)說(shuō)，讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐從底層到頂層完整走一遍的思路或許是一條學(xué)習(xí)捷徑。二次研發(fā)教學(xué)模式即是讓學(xué)生在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上完成個(gè)性設(shè)置和修改部分功能模塊的方式體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作流程，從而學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。一些公司推出了二次開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如基于WSN（WirelessSensor Network）的物聯(lián)網(wǎng)解決方案體系架構(gòu)ATOS平臺(tái)，該平臺(tái)框架如圖3所示。ATOS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用一套設(shè)備兩套協(xié)議的方式。這兩套協(xié)議包括標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee協(xié)議和基于TinyOS的開(kāi)源自主協(xié)議。TOS系統(tǒng)采用開(kāi)源TinyOS操作系統(tǒng)，向用戶公開(kāi)了路由協(xié)議和上層軟件源代碼，用戶可以根據(jù)各種應(yīng)用需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，包括傳感器設(shè)置，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、訪問(wèn)等環(huán)節(jié)均提供二次開(kāi)發(fā)接口，用戶可以修改和設(shè)計(jì)自己所關(guān)注的部分，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，這給高校初學(xué)物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生提供了簡(jiǎn)單易行的軟硬件開(kāi)發(fā)機(jī)會(huì)。
ATOS平臺(tái)主要設(shè)計(jì)了傳感器數(shù)據(jù)采集、基站數(shù)據(jù)匯聚、網(wǎng)關(guān)對(duì)外發(fā)送、采集系統(tǒng)解析以及遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)等功能，因此，它從整體上為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生提供了從傳感數(shù)據(jù)到終端用戶的各個(gè)流程，讓實(shí)踐過(guò)的學(xué)生能夠徹底理解物聯(lián)網(wǎng)從底層到應(yīng)用層再到終端的基本架構(gòu)。
該方案不同于其他實(shí)訓(xùn)模式，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式多為“現(xiàn)場(chǎng)觀摩為主、基本不予參與”。在本方案中，學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)提供的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，重現(xiàn)上述具備的所有功能，或根據(jù)自己的需求改寫(xiě)新的控制邏輯，因此具備較好的學(xué)習(xí)參與度；另外，該方案還可采用硬件組態(tài)的設(shè)計(jì)模式，根據(jù)不同的需求選配不同模塊組建自己的試驗(yàn)平臺(tái)，以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要；而且，系統(tǒng)中絕大部分設(shè)備和器件如傳感器、氣動(dòng)部件等都是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)元件，學(xué)生如同實(shí)踐在一個(gè)真實(shí)生產(chǎn)的過(guò)程中，從而學(xué)到真正實(shí)用的專業(yè)知識(shí)和操作技能。
另外，ATOS平臺(tái)中的實(shí)訓(xùn)定位功能，也能更好地全面地鍛煉物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生。該功能體現(xiàn)為室內(nèi)人員精確定位技術(shù)的演示與測(cè)試。它采用基站定位技術(shù)，即利用已知基站來(lái)定位移動(dòng)點(diǎn)的位置。在對(duì)信息進(jìn)行收集與統(tǒng)計(jì)之后，實(shí)現(xiàn)軌跡與區(qū)域的實(shí)時(shí)定位等功能。與傳統(tǒng)的RFID刷卡式人員定位不同，它可靈活地實(shí)現(xiàn)人員隨時(shí)隨地定位。
四、總結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，為高校學(xué)生提供了廣闊的就業(yè)前景。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)所涉及的硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)大多是現(xiàn)有技術(shù)的綜合應(yīng)用。因此，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是工程實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，若要培養(yǎng)出理論知識(shí)與動(dòng)手能力于一身的綜合型人才，就需要高校制定出一套完善的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)體系。由于物聯(lián)網(wǎng)的提出本身涉及多門(mén)學(xué)科，故其課程體系具有一定的交叉性和動(dòng)態(tài)發(fā)展特性。因此，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)面臨新模式的挑戰(zhàn)，這也給各高校根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)摸索出新專業(yè)辦學(xué)特色提供了良好機(jī)遇。
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