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物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學模式綜述
物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學模式綜述
陳春梅，郭明明
�。ㄎ髂峡萍即髮W信息工程學院，四川綿陽621000）
摘要：近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展，市場人才需求正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。在不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)必將帶動通信行業(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)，有關教學設置和教學模式都還在摸索當中。為了盡快滿足教學需求，各高校必須結合自身特點，努力建設物聯(lián)網(wǎng)相關課程以及相關專業(yè)實驗室。本文在探討物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學課程體系的同時，研究了其實踐教學的教學模式，分析了它們各自的特點，為此給出了一些建議。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)；實踐教學；教學模式
資助項目：西南科技大學教學改革項目“物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學模式創(chuàng)新研究”
一、概述
物聯(lián)網(wǎng)在當今社會已成為一個熱點話題，它正不斷應用到我們生活中。物聯(lián)網(wǎng)是指通過裝置在物體上的各種傳感設備，如射頻識別RFID裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)GPS、激光掃描器等，按照約定的協(xié)議，通過相應的接口把物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨型網(wǎng)絡[1-2]。2010年，教育部開始將物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關專業(yè)的重點，開始鼓勵各大高校申報相關專業(yè)。作為培養(yǎng)市場所需人才的高校來說，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學顯得尤為重要，建設物聯(lián)網(wǎng)實驗室也成為當務之急。高等院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應該注重培養(yǎng)具有物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基礎知識和具有較強的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實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)實踐教學方面建立和完善適應于學生發(fā)展的實踐教學體系。
二、物聯(lián)網(wǎng)體系結構和關鍵技術
根據(jù)研究，按照自底向上的方法，物聯(lián)網(wǎng)體系結構從技術和功能角度可以分為三層，即感知層、網(wǎng)絡層和應用層。其結構框圖如圖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。它利用射頻識別（RFID）器件、嵌入式設備、無線傳感網(wǎng)等全面感知物體的各種信息，具有節(jié)點數(shù)量多、成本低等特點[5]�？梢�，感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系結構的底層技術，是物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術之一。
網(wǎng)絡層由光載無線交換系統(tǒng)（主要包括光載無線交換機、遠端射頻單元、模擬光纖、WIFI設備服務器和以太網(wǎng)交換機）和其他網(wǎng)絡設備共同組成，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)絡平臺[6]。
應用層的主要作用是支持物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中各類平臺技術的運行，這些技術包括物聯(lián)網(wǎng)信息存儲技術、物聯(lián)網(wǎng)信息共享和交互技術以及各行業(yè)末端網(wǎng)絡應用技術等，主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)技術的深度融合和無處不在的智能化功能[7]。應用層是由后臺數(shù)據(jù)中心、遠程客戶端以及裝載在其中的各種應用程序共同組成的，實現(xiàn)對前端信息和控制終端的管理和應用。
這三個層次基本涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)主要的核心知識和應用范圍，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學指出了明確的方向。
三、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學典型解決方案
我國高校開設物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是近五年的事，由于整個專業(yè)起步比較晚，相對來說，實踐教學環(huán)境的配備更遲一步，不管是各大高校還是服務于高校的企業(yè)單位，對該專業(yè)的實踐教學配套設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，如何確定相應的實踐教學模式，對此，本文進行了相關分析和總結。
1.體驗實踐的廣泛感知模式。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本身與電子、通信、計算機領域密切相關，但它也應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)基本都設置在計算機學院或信息學院，如何把物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與同學院其他專業(yè)區(qū)分開來？基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有很強的工程實踐特性，一些大學從實踐環(huán)節(jié)入手，針對物聯(lián)網(wǎng)實驗教學環(huán)節(jié)和專業(yè)實驗內(nèi)容給出了解決方案。
該方案認為實驗室建設應該重視基本應用開發(fā)能力的培養(yǎng)、應該建立寬泛的可操作環(huán)境，讓學生在實驗時有可選性，鼓勵創(chuàng)新精神。從而培養(yǎng)學生對實際物聯(lián)網(wǎng)應用項目的整體把握能力。
方案中指出對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)應該從專業(yè)認識、畢業(yè)設計、生產(chǎn)實習、競賽活動等方面進行改進。據(jù)調(diào)查，新生專業(yè)認識一般是統(tǒng)一參觀專業(yè)實驗室或某個網(wǎng)絡公司或以講座形式向?qū)W生展示專業(yè)的發(fā)展，使學生獲得對自己專業(yè)的初步認識。新的解決方案是建立特定行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“綜合演示實訓中心”。
通過參觀該實訓中心，讓學生從整體上認識物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及其應用場合，從而激發(fā)學生對專業(yè)的理解和興趣。生產(chǎn)實習方面通常是帶領學生到生產(chǎn)現(xiàn)場進行參觀實習，由于物聯(lián)網(wǎng)是一個新興行業(yè)，可供學生進行參觀實習的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場比較少，因此需要重新制定物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實習解決方案。(www.gymyzhishaji.com)經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，建立“物聯(lián)網(wǎng)綜合演示實訓中心”供學生感性體驗，或者利用學校與企業(yè)聯(lián)合共建的物聯(lián)網(wǎng)相關示范基地以及學校自建的實訓中心。專業(yè)基礎學習，應做到學與做同行。為滿足多樣化需求，應完善豐富專業(yè)基礎教學實驗室，從而豐富課程設計的綜合實驗內(nèi)容。如果教師時間緊，可以采用第三方提供的產(chǎn)品方案。通過學科競賽，讓學生可以在創(chuàng)新、理論付諸實踐、團隊合作三個方面促進增長。
對高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實驗內(nèi)容拓展方面，方案給出了三步走策略：綜合演示實訓類、應用實訓類以及基礎教學實驗類。對于綜合演示實訓類，針對高校的行業(yè)特點，建立其相應的應用型實訓中心。比如智能家居系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等。提供專業(yè)認識、科技創(chuàng)新、科研、畢業(yè)設計等內(nèi)容。對于應用實訓類，構建通用典型的物聯(lián)網(wǎng)小型系統(tǒng)以及中規(guī)模應用系統(tǒng)。比如智能停車管理實訓室、智能農(nóng)業(yè)實訓室等。提供專業(yè)認識、課程設計、科技競賽及創(chuàng)新相關的實驗服務。對于基礎教學實驗類，進行專業(yè)基礎、課程設計等專業(yè)基本能力培養(yǎng)。比如傳感器、單片機、FPGA實驗室等。
2.精品案例教學模式。對于概念和應用寬泛的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來說，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模式。學校結合自身的長處，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)針對性，且學生容易入門。為此，一些企業(yè)隨之打造類似產(chǎn)品，以求能夠通過某個具體精品案例，同樣能把物聯(lián)網(wǎng)的三層結構體現(xiàn)得淋漓盡致。在追求精品的同時，不失整體的實踐教學模式。
方案中物聯(lián)網(wǎng)技術應用領域教學選取了典型的案例———智能家居，其結構框圖如圖2所示。智能家居融合自動化控制系統(tǒng)、無線通信技術、計算機網(wǎng)絡技術和傳感器技術于一體，形成智能化、網(wǎng)絡化的家居控制系統(tǒng)，將家中的各種設備（如照明系統(tǒng)、音視頻設備、窗簾控制、安防系統(tǒng)、空調(diào)控制、數(shù)字影院系統(tǒng)等）通過家庭網(wǎng)絡連接到一起，從而實現(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、增強家居安全。智能家居系統(tǒng)可提供實驗為智能移動視頻監(jiān)控實驗、智能門禁實驗、智能電燈控制實驗、智能窗簾控制實驗、家居環(huán)境參數(shù)采集實驗。通過這些實驗，可以使學生更好地鍛煉動手能力。
該方案中通過智能家居系統(tǒng)引出物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術，該技術主要分為物聯(lián)網(wǎng)傳感技術、物聯(lián)網(wǎng)接入教育、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術等。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術可提供多款CPU，例如8051核CPU、cortex m3核CPU和FPGA等，使學生能夠?qū)W習不同復雜度、不同成本的CPU連接傳感器進行信號采集的流程。同時可以提供多款傳感器。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術實驗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教學裝置，目的是讓學生能夠?qū)W習各種傳感器的應用，包括傳感器信息采集、傳感器信號分析和接口電路設計。
其優(yōu)勢特點是提供一套能夠使用不同類型CPU實現(xiàn)傳感器信息采集與處理的實踐教學裝置、提供多種傳感器應用，包括聲音、電磁、溫度、濕度、氣體、紅外、光照、機械動作等多種感知信號。提供多樣的傳感器接口，包括模擬接口、數(shù)字接口和開關量接口。物聯(lián)網(wǎng)接入技術的核心思想是提供這樣一套實驗裝置：在完成無線網(wǎng)絡管理和射頻識別信息處理的同時，可以將數(shù)據(jù)通過不同網(wǎng)絡路徑傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中心。目的是讓學生掌握WIFI、GPRS、3G網(wǎng)絡組成，信息傳輸過程中的關鍵性參數(shù)配置，傳輸性能分析等內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術核心思想是提供一套能夠涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層關鍵性技術，即軟交換技術和IPv6技術的實踐教學裝置和教學資源。目的是讓學生能夠掌握主流的網(wǎng)絡信息交換技術。
3.二次研發(fā)實踐模式。對于體系比較龐大、涉及知識比較繁多的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)來說，讓學生親自動手實踐從底層到頂層完整走一遍的思路或許是一條學習捷徑。二次研發(fā)教學模式即是讓學生在現(xiàn)有實驗箱的基礎上完成個性設置和修改部分功能模塊的方式體驗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作流程，從而學習相關知識。一些公司推出了二次開發(fā)實驗平臺，如基于WSN（WirelessSensor Network）的物聯(lián)網(wǎng)解決方案體系架構ATOS平臺，該平臺框架如圖3所示。ATOS物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺采用一套設備兩套協(xié)議的方式。這兩套協(xié)議包括標準的Zigbee協(xié)議和基于TinyOS的開源自主協(xié)議。TOS系統(tǒng)采用開源TinyOS操作系統(tǒng)，向用戶公開了路由協(xié)議和上層軟件源代碼，用戶可以根據(jù)各種應用需求對系統(tǒng)進行二次開發(fā)，包括傳感器設置，數(shù)據(jù)采集、存儲、訪問等環(huán)節(jié)均提供二次開發(fā)接口，用戶可以修改和設計自己所關注的部分，從而實現(xiàn)應用系統(tǒng)的開發(fā)工作，這給高校初學物聯(lián)網(wǎng)的學生提供了簡單易行的軟硬件開發(fā)機會。
ATOS平臺主要設計了傳感器數(shù)據(jù)采集、基站數(shù)據(jù)匯聚、網(wǎng)關對外發(fā)送、采集系統(tǒng)解析以及遠程服務器數(shù)據(jù)接收和存儲等功能，因此，它從整體上為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生提供了從傳感數(shù)據(jù)到終端用戶的各個流程，讓實踐過的學生能夠徹底理解物聯(lián)網(wǎng)從底層到應用層再到終端的基本架構。
該方案不同于其他實訓模式，傳統(tǒng)的實訓模式多為“現(xiàn)場觀摩為主、基本不予參與”。在本方案中，學生可以根據(jù)系統(tǒng)提供的二次開發(fā)平臺，重現(xiàn)上述具備的所有功能，或根據(jù)自己的需求改寫新的控制邏輯，因此具備較好的學習參與度；另外，該方案還可采用硬件組態(tài)的設計模式，根據(jù)不同的需求選配不同模塊組建自己的試驗平臺，以適應實驗教學的需要；而且，系統(tǒng)中絕大部分設備和器件如傳感器、氣動部件等都是工業(yè)現(xiàn)場使用的標準工業(yè)級元件，學生如同實踐在一個真實生產(chǎn)的過程中，從而學到真正實用的專業(yè)知識和操作技能。
另外，ATOS平臺中的實訓定位功能，也能更好地全面地鍛煉物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生。該功能體現(xiàn)為室內(nèi)人員精確定位技術的演示與測試。它采用基站定位技術，即利用已知基站來定位移動點的位置。在對信息進行收集與統(tǒng)計之后，實現(xiàn)軌跡與區(qū)域的實時定位等功能。與傳統(tǒng)的RFID刷卡式人員定位不同，它可靈活地實現(xiàn)人員隨時隨地定位。
四、總結
物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，為高校學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)絡大多是現(xiàn)有技術的綜合應用。因此，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是工程實踐性較強的學科，若要培養(yǎng)出理論知識與動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)實踐教學體系。由于物聯(lián)網(wǎng)的提出本身涉及多門學科，故其課程體系具有一定的交叉性和動態(tài)發(fā)展特性。因此，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學面臨新模式的挑戰(zhàn)，這也給各高校根據(jù)自身優(yōu)勢摸索出新專業(yè)辦學特色提供了良好機遇。
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