物聯(lián)網(wǎng)與電子信息專業(yè)實踐教學(xué)融合的研究

劉靜森+楊冬云+侯曉力+朱曉明+鄒海英

摘要：在研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子信息工程專業(yè)課程體系的對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子信息專業(yè)實踐教學(xué)進行有機融合，并設(shè)計適應(yīng)該專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)平臺，將該實踐教學(xué)平臺應(yīng)用到本專業(yè)的實踐教學(xué)中，提高了學(xué)生的實踐技能，實踐教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；電子信息專業(yè)；實踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0261-02

“物聯(lián)網(wǎng)”是在“互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。自2009年8月溫家寶同志提出“感知中國”以來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，寫入“政府工作報告”，物聯(lián)網(wǎng)在中國受到了全世界極大的關(guān)注。

一、物聯(lián)網(wǎng)與電子信息專業(yè)實踐教學(xué)融合的意義

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外各領(lǐng)域應(yīng)用的重點，它具有全面感知、可靠傳遞、智能處理等特征，給人們的生活、工作和學(xué)習(xí)帶來了更智能、更便捷的變革。如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子信息工程專業(yè)實踐教學(xué)進行融合，研制出符合電子信息工程專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)平臺，具有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.該實踐教學(xué)平臺與傳統(tǒng)的課程實驗箱可以互為補充，解決了課程試驗箱彼此孤立、無銜接的問題，分別從課程和專業(yè)（點和面）的角度對提高學(xué)生的實踐技能起到支撐作用。

2.該實踐教學(xué)平臺所能提供的實驗多為綜合性與設(shè)計性實驗，讓學(xué)生從以前只做一個實驗到做一個有實際應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)小系統(tǒng)，給學(xué)生自由發(fā)揮的空間非常大，充分挖掘?qū)W生的潛能與興趣，以興趣為導(dǎo)向?qū)W(xué)生從以前實驗的“被動學(xué)習(xí)”變成“主動學(xué)習(xí)”。

3.該實踐教學(xué)平臺所能提供的實驗具有工程應(yīng)用的特點，通過該平臺的實驗教學(xué)，在提高學(xué)生實踐技能的同時與企業(yè)需求相對接，進而提高本專業(yè)學(xué)生在就業(yè)時的競爭力。

4.該實踐教學(xué)平臺將電子信息工程專業(yè)主干課程的實驗進行了融合，這種理論與實踐的有機融合，對本專業(yè)主干課程的理論教學(xué)起到較好的支撐作用。

5.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的實踐教學(xué)平臺不僅適用于電子信息工程專業(yè)，同時也適用于其他電類相關(guān)專業(yè)，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

二、物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)平臺現(xiàn)狀分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，國內(nèi)有很多公司開發(fā)出了應(yīng)用于高校的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，例如無錫泛太科技有限公司、深聯(lián)致遠(yuǎn)科技有限公司和杭州喜馬拉雅集團科技有限公司等。這些公司的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺存在如下問題。

1.各公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺往往只提供相關(guān)項目的代碼，由于公司的研發(fā)人員不具備教學(xué)經(jīng)驗，他們提供的項目很難與本專業(yè)的相關(guān)課程進行有機的結(jié)合。

2.各公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺采用的都是高端的ARM處理器，由于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生只開設(shè)了51單片機的課程，由51過渡到帶有嵌入式操作系統(tǒng)的高端ARM處理器的學(xué)習(xí)難度較大。

3.各公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺只提供物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)實驗，即使個別的平臺也提供了應(yīng)用層的實驗，但這些實驗很難與電子信息工程專業(yè)開設(shè)的相關(guān)課程進行有效的結(jié)合，學(xué)生在這樣的平臺下實驗，很難達(dá)到較好的效果。

4.各公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺價格昂貴，每套價格都在萬元以上，如果以此平臺建立物聯(lián)網(wǎng)實驗室，資金投入較大。

三、物聯(lián)網(wǎng)與電子信息專業(yè)課程體系的對應(yīng)關(guān)系

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子信息工程專業(yè)課程體系的關(guān)系如圖1所示。由圖可以看出物聯(lián)網(wǎng)可分為三個層，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。下面研究這三個層與課程體系的對應(yīng)關(guān)系。

1.感知層與課程體系的對應(yīng)關(guān)系。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)短距離傳輸兩部分，物聯(lián)網(wǎng)的該層與專業(yè)課程體系中的Zigbee技術(shù)、RFID技術(shù)與應(yīng)用、傳感器及檢測技術(shù)和單片機原理與應(yīng)用等課程相對應(yīng)。傳感器及檢測技術(shù)課程從屬于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，傳感器是獲取信息的工具，位于系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于人體的五官，直接感受外部信息，將信息轉(zhuǎn)化成可用信號，對系統(tǒng)的智能化起著決定性作用，智能程度愈高，系統(tǒng)對傳感器的依賴程度愈大。ZigBee技術(shù)在射頻與無線電技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)通信技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Zigbee技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)平臺感知層的一個重要組成部分。RFID技術(shù)是一種利用無線通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)，是基于射頻識別的自動識別類的項目的核心技術(shù)，并且RFID技術(shù)也成為了物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術(shù)。傳感器及檢測技術(shù)課程在物聯(lián)網(wǎng)的感知層負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)的采集。Zigbee技術(shù)、RFID技術(shù)與應(yīng)用這兩門課程在物聯(lián)網(wǎng)的感知層負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)的短距離傳輸。單片機原理與應(yīng)用課程在物聯(lián)網(wǎng)的感知層負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)短距離傳輸之間的橋梁。

2.網(wǎng)絡(luò)層與課程體系的對應(yīng)關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)把感知層感知到的數(shù)據(jù)無障礙、可靠及安全地進行傳送，物聯(lián)網(wǎng)的該層與專業(yè)課程體系中的通信原理、信息論與編碼、通信網(wǎng)及接入技術(shù)和工業(yè)通信技術(shù)基礎(chǔ)等課程相對應(yīng)。這些課程給物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)提供理論支撐，是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層理論基礎(chǔ)。

3.應(yīng)用層與課程體系的對應(yīng)關(guān)系。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)把感知和傳輸來的數(shù)據(jù)進行分析和處理，做出正確的控制和決策，物聯(lián)網(wǎng)的該層與專業(yè)課程體系中的電子系統(tǒng)軟件設(shè)計、監(jiān)控系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)、3G技術(shù)應(yīng)用和數(shù)字圖像處理等課程相對應(yīng)。

四、物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)平臺的設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)的三個層都有相應(yīng)的課程與之對應(yīng)，但學(xué)生在進行課程的理論學(xué)習(xí)和實踐學(xué)習(xí)的時候，課程之間比較孤立，很難建立這種對應(yīng)的關(guān)系，所以導(dǎo)致課程的理論和實踐教學(xué)效果較差。通過以上分析可以看出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子信息工程專業(yè)課程體系有著緊密的關(guān)系，該關(guān)系是設(shè)計并實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實踐教學(xué)平臺的基礎(chǔ)。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子信息專業(yè)課程體系的對應(yīng)關(guān)系為依托，結(jié)合本專業(yè)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的特點設(shè)計符合本專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)平臺。該實踐教學(xué)平臺如圖2所示。該平臺硬件由ARM嵌入式主板、模塊板和PC機平臺或手機平臺構(gòu)成。模塊板中RFID模塊、Zigbee模塊、藍(lán)牙模塊、傳感器模塊和GPS模塊主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)感知層的功能，感知層的每一個模塊都有與之對應(yīng)的理論課程，在利用模塊進行感知層實驗時可以讓學(xué)生更深刻地理解與之對應(yīng)的理論課程的知識點，達(dá)到理論與實踐的統(tǒng)一。模塊板中以太網(wǎng)模塊、GPRS模塊和WIFI模塊主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的功能，網(wǎng)絡(luò)層的兩個模塊都有與之對應(yīng)的理論課程，同樣在利用模塊進行網(wǎng)絡(luò)層實驗時可以讓學(xué)生更深刻地理解通信原理、信息論與編碼這些理論性較強的課程的知識點。PC機平臺或手機平臺主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的功能，基于這兩個平臺的應(yīng)用層軟件開發(fā)，可以將傳輸層上傳的數(shù)據(jù)進行更好地顯示和存儲，這正是監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計這樣的專業(yè)課所涉及的知識。而ARM嵌入式主板是感知層模塊和網(wǎng)絡(luò)層模塊之間的橋梁。它一方面負(fù)責(zé)與傳感器模塊及短距離傳輸模塊進行通信進行數(shù)據(jù)的獲取，另一方面它將獲取到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層模塊進行傳輸與上位機進行通信。

ARM嵌入式主板采用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列處理器，方便學(xué)生由51快速的過渡到ARM處理器的學(xué)習(xí)，PC機平臺選用Windows操作系統(tǒng)，手機平臺選用Android操作系統(tǒng)。

五、教學(xué)效果

該實踐教學(xué)平臺已在實踐教學(xué)中廣泛應(yīng)用，教學(xué)效果良好，主要體現(xiàn)如下。

1.對實踐教學(xué)的促進。在實踐教學(xué)中，該平臺提高了電子信息工程專業(yè)學(xué)生的實踐技能和工程應(yīng)用能力，學(xué)生對實踐的興趣增加，以興趣為導(dǎo)向讓學(xué)生更加積極主動地動手實踐，這些實踐技能的提升使學(xué)生在學(xué)科競賽中取得了比以往更好的成績，并且在就業(yè)中競爭力大大提高，就業(yè)后得到了企業(yè)的普遍認(rèn)可。

2.對理論教學(xué)的促進。在理論教學(xué)中，通過該平臺的實驗，學(xué)生可更深刻地理解理論課程所教授的知識，學(xué)生從以前的單純的理論學(xué)習(xí)到“從理論到實踐，再從實踐到理論”這樣一個良性的循環(huán)，在實踐中遇到問題并得到解決后更加深了對理論知識點的理解。

總之，學(xué)生在該實踐教學(xué)平臺的學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮了主體作用，提高了工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

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