物聯網專業實踐教學模式綜述

陳春梅 郭明明

摘要：近年來，物聯網技術迅速發展，市場人才需求正呈現爆發式增長。在不久的將來，物聯網必將會帶動通信行業的又一次革命浪潮。由于物聯網專業為高校新辦專業，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，努力建設物聯網相關課程以及相關專業實驗室。本文在探討物聯網專業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，并給出了一些建議。

關鍵詞：物聯網專業;實踐教學;教學模式

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）35-0150-03

一、概述

物聯網在當今社會已成為一個熱點話題，它正不斷應用到我們的生活中。物聯網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GPS、激光掃描器等，按照約定的協議，通過相應的接口把物體與互聯網相連，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種巨型網絡[1，2]。2010年，教育部開始將物聯網、傳感器網絡作為戰略性新興產業相關專業的重點，鼓勵各大高校申報相關專業。作為培養市場所需人才的高校來說，物聯網專業實踐教學顯得尤為重要，建設物聯網實驗室也成為當務之急。高等院校物聯網專業應該注重培養具有物聯網專業基礎知識和具有較強的物聯網專業實踐能力的全方位人才[3，4]，這就要求高等院校在物聯網實踐教學方面建立和完善適應于學生發展的實踐教學體系。

二、物聯網體系結構和關鍵技術

根據研究，按照自底向上的方法，物聯網體系結構從技術和功能角度可以分為三層，即感知層、網絡層和應用層。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，由各種傳感器以及傳感器網絡組成，是物聯網信息的源頭。用于物聯網信息感知的傳感器主要有溫濕度傳感器、氣體傳感器、水質傳感器等。它利用射頻識別（RFID）器件、嵌入式設備、無線傳感網等全面感知物體的各種信息，具有節點數量多、成本低等特點[5]。可見，感知層是物聯網體系結構的底層技術，是物聯網關鍵技術之一。

網絡層由光載無線交換系統（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交換機）和其他網絡設備共同組成，是各種信息與互聯網的融合、傳輸和接入層，是基于TCP/IP協議的網絡平臺[6]。

應用層的主要作用是支持物聯網應用系統中各類平臺技術的運行，這些技術包括物聯網信息存儲技術、物聯網信息共享和交互技術以及各行業末端網絡應用技術等，主要實現物聯網與行業技術的深度融合和無處不在的智能化功能[7]。應用層是由后臺數據中心、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網主要的核心知識和應用范圍，為物聯網專業的教學指出了明確的方向。

三、物聯網專業實踐教學典型解決方案

我國高校開設物聯網專業是近五年的事，由于整個專業起步比較晚，相對來說，實踐教學環境的配備更遲一步，不管是各大高校還是服務于高校的企業單位，對該專業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網專業教學，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。

（一）體驗實踐的廣泛感知模式

物聯網專業本身與電子、通信、計算機領域密切相關，但它也應該有自己明顯的特性。據了解，各大高校的物聯網專業基本都設置在計算機學院或信息學院，如何把物聯網專業與同學院其他專業區分開來？基于物聯網專業具有很強的工程實踐特性，一些大學從實踐環節入手，針對物聯網實驗教學環節和專業實驗內容給出了解決方案。該方案認為實驗室建設應該重視基本應用開發能力的培養、應該建立寬泛的可操作環境，讓學生在實驗時有可選性，鼓勵創新精神，從而培養學生對實際物聯網應用項目的整體把握能力。

方案中指出，對物聯網專業實踐教學環節應該從專業認識、畢業設計、生產實習、競賽活動等方面進行改進。據調查，新生的專業認識一般是統一參觀專業實驗室或某個網絡公司或以講座形式向學生展示專業的發展，使學生獲得對自己專業的初步認識。新的解決方案是建立特定行業物聯網“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網專業及其應用場合，從而增加學生對專業的理解，激發學生對專業的興趣。生產實習方面，通常是帶領學生到生產現場進行參觀實習。由于物聯網是一個新興行業，可供學生進行參觀實習的工業生產現場比較少，因此需要重新制定物聯網專業實習解決方案。經調研發現，建立“物聯網綜合演示實訓中心”供學生感性體驗，或者利用學校與企業聯合共建的物聯網相關示范基地以及學校自建的實訓中心是比較有效的方案。專業基礎學習，應做到學與做同行。為滿足多樣化需求，應完善豐富專業基礎教學實驗室，從而豐富課程設計的綜合實驗內容。如果教師時間緊，可以采用第三方提供的產品方案。通過學科競賽，讓學生可以在創新、理論付諸實踐、團隊合作三個方面促進增長。

在高校物聯網專業實驗內容拓展方面，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，針對高校的行業特點，建立其相應的應用型實訓中心，比如智能家居系統、智能門禁系統、智能安防系統等，提供專業認識、科技創新、科研、畢業設計等內容。對于應用實訓類，構建通用典型的物聯網小型系統以及中規模應用系統，比如智能停車管理實訓室、智能農業實訓室等，提供專業認識、課程設計、科技競賽及創新相關的實驗服務。對于基礎教學實驗類，進行專業基礎、課程設計等專業基本能力培養，比如傳感器、單片機、FPGA實驗室等。

（二）精品案例教學模式

對于概念和應用寬泛的物聯網專業來說，與其面面俱到廣而不精，不如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方向，這不僅可以充分利用現有資源，更能體現針對性，且學生容易入門。為此，一些企業隨之打造了類似產品，以求能夠通過某個具體精品案例，把物聯網的三層結構體現得淋漓盡致，在追求精品的同時，不失整體的實踐教學模式。

方案中，物聯網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、無線通信技術、計算機網絡技術和傳感器技術于一體，形成智能化、網絡化的家居控制系統，將家中的各種設備（如照明系統、音視頻設備、窗簾控制、安防系統、空調控制、數字影院系統等）通過家庭網絡連接到一起，從而實現全方位的信息交互，保持信息交流暢通，環保節能，節約資金，增強家居安全。智能家居系統可提供的實驗為智能移動視頻監控實驗、智能門禁實驗、智能電燈控制實驗、智能窗簾控制實驗、家居環境參數采集實驗，通過這些實驗，可以使學生更好地鍛煉動手能力。

方案通過智能家居系統引出物聯網關鍵技術，該技術主要分為物聯網傳感技術、物聯網接入教育、物聯網網絡技術等。物聯網傳感技術可提供多款CPU，例如8051核CPU、cortex m3核CPU和FPGA等，使學生能夠學習不同復雜度、不同成本的CPU連接傳感器進行信號采集的流程。物聯網傳感技術還可以提供多款傳感器。物聯網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，目的是讓學生能夠學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。其優勢特點是提供一套能夠使用不同類型CPU實現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、數字接口和開關量接口。物聯網接入技術的核心思想是提供這樣一套實驗裝置：在完成無線網絡管理和射頻識別信息處理的同時，可以將數據通過不同網絡路徑傳輸到網絡中心，目的是讓學生掌握WIFI、GPRS、3G網絡組成，信息傳輸過程中的關鍵性參數配置，傳輸性能分析等內容。物聯網網絡技術核心思想是提供一套能夠涵蓋物聯網網絡層關鍵性技術，即軟交換技術和IPv6技術的實踐教學裝置和教學資源，使學生能夠掌握主流的網絡信息交換技術。

（三）二次研發實踐模式

對于體系比較龐大、涉及知識比較繁多的物聯網專業來說，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。二次研發教學模式即讓學生在現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網系統的工作流程，從而學習相關知識。一些公司推出了二次開發實驗平臺，如基于WSN（Wireless Sensor Network）的物聯網解決方案體系架構ATOS平臺，該平臺框架如圖3所示。ATOS物聯網開發平臺采用一套設備兩套協議的方式，這兩套協議包括標準的Zigbee協議和基于TinyOS的開源自主協議。TOS系統采用開源TinyOS操作系統，向用戶公開了路由協議和上層軟件源代碼，用戶可以根據各種應用需求對系統進行二次開發，包括傳感器設置，數據采集、存儲、訪問等環節均提供二次開發接口，用戶可以修改和設計自己所關注的部分，從而實現應用系統的開發工作。這給高校初學物聯網的學生提供了簡單易行的軟硬件開發機會。

ATOS平臺主要設計了傳感器數據采集、基站數據匯聚、網關對外發送、采集系統解析以及遠程服務器數據接收和存儲等功能，它從整體上為物聯網專業的學生提供了從傳感數據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網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，傳統的實訓模式多為“現場觀摩為主、基本不予參與”，在本方案中，學生可以根據系統提供的二次開發平臺，重現上述具備的所有功能，或根據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的設計模式，根據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，系統中絕大部分設備和器件，如傳感器、氣動部件等，都是工業現場使用的標準工業級元件，學生如同實踐在一個真實生產的過程中，能夠學到真正實用的專業知識和操作技能。

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網專業的學生。該功能體現為室內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計之后，實現軌跡與區域的實時定位等功能。與傳統的RFID刷卡式人員定位不同，它可靈活地實現人員隨時隨地定位。

四、總結

物聯網行業的興起，為高校學生提供了廣闊的就業前景。物聯網專業所涉及的硬件、軟件及網絡大多是現有技術的綜合應用，因此，物聯網專業是工程實踐性較強的學科，若要培養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網實踐教學體系。由于物聯網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發展特性，因此，物聯網專業實踐教學面臨新模式的挑戰，這也給各高校根據自身優勢摸索出新專業辦學特色提供了良好機遇。

參考文獻：

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