物联网专业实践教学模式综述

物联网专业实践教学模式综述

　　物联网专业实践教学模式综述

　　陈春梅，郭明明

　　（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621000）

　　摘要：近年来，物联网技术迅速发展，市场人才需求正呈现爆发式增长。在不久的将来，物联网必将带动通信行业的又一次革命浪潮。由于物联网专业为高校新办专业，有关教学设置和教学模式都还在摸索当中。为了尽快满足教学需求，各高校必须结合自身特点，努力建设物联网相关课程以及相关专业实验室。本文在探讨物联网专业实践教学课程体系的同时，研究了其实践教学的教学模式，分析了它们各自的特点，为此给出了一些建议。

　　关键词：物联网专业；实践教学；教学模式

　　资助项目：西南科技大学教学改革项目“物联网专业实践教学模式创新研究”

　　一、概述

　　物联网在当今社会已成为一个热点话题，它正不断应用到我们生活中。物联网是指通过装置在物体上的各种传感设备，如射频识别RFID装置、红外感应器、全球定位系统GPS、激光扫描器等，按照约定的协议，通过相应的接口把物体与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨型网络[1-2]。2010年，教育部开始将物联网、传感器网络作为战略性新兴产业相关专业的重点，开始鼓励各大高校申报相关专业。作为培养市场所需人才的高校来说，物联网专业实践教学显得尤为重要，建设物联网实验室也成为当务之急。高等院校物联网专业应该注重培养具有物联网专业基础知识和具有较强的物联网专业实践能力的全方位人才[3-4]。因此，这就要求高等院校在物联网实践教学方面建立和完善适应于学生发展的实践教学体系。

　　二、物联网体系结构和关键技术

　　根据研究，按照自底向上的方法，物联网体系结构从技术和功能角度可以分为三层，即感知层、网络层和应用层。其结构框图如图1所示。

　　感知层主要是前端信息采集以及控制终端，要求能够全面感知物理世界的各种信息。感知层主要是由各种传感器以及传感器网络组成，是物联网信息的源头。用于物联网信息感知的传感器主要有温湿度传感器、气体传感器、水质传感器等。它利用射频识别（RFID）器件、嵌入式设备、无线传感网等全面感知物体的各种信息，具有节点数量多、成本低等特点[5]。可见，感知层是物联网体系结构的底层技术，是物联网关键技术之一。

　　网络层由光载无线交换系统（主要包括光载无线交换机、远端射频单元、模拟光纤、WIFI设备服务器和以太网交换机）和其他网络设备共同组成，是各种信息与互联网的融合、传输和接入层，是基于TCP/IP协议的网络平台[6]。

　　应用层的主要作用是支持物联网应用系统中各类平台技术的运行，这些技术包括物联网信息存储技术、物联网信息共享和交互技术以及各行业末端网络应用技术等，主要实现物联网与行业技术的深度融合和无处不在的智能化功能[7]。应用层是由后台数据中心、远程客户端以及装载在其中的各种应用程序共同组成的，实现对前端信息和控制终端的管理和应用。

　　这三个层次基本涵盖了物联网主要的核心知识和应用范围，为物联网专业的教学指出了明确的方向。

　　三、物联网专业实践教学典型解决方案

　　我国高校开设物联网专业是近五年的事，由于整个专业起步比较晚，相对来说，实践教学环境的配备更迟一步，不管是各大高校还是服务于高校的企业单位，对该专业的实践教学配套设施都还处于起步阶段，如何定位高校的物联网专业教学，如何确定相应的实践教学模式，对此，本文进行了相关分析和总结。

　　1.体验实践的广泛感知模式。物联网专业本身与电子、通信、计算机领域密切相关，但它也应该有自己明显的特性。据了解，各大高校的物联网专业基本都设置在计算机学院或信息学院，如何把物联网专业与同学院其他专业区分开来？基于物联网专业具有很强的工程实践特性，一些大学从实践环节入手，针对物联网实验教学环节和专业实验内容给出了解决方案。

　　该方案认为实验室建设应该重视基本应用开发能力的培养、应该建立宽泛的可操作环境，让学生在实验时有可选性，鼓励创新精神。从而培养学生对实际物联网应用项目的整体把握能力。

　　方案中指出对物联网专业实践教学环节应该从专业认识、毕业设计、生产实习、竞赛活动等方面进行改进。据调查，新生专业认识一般是统一参观专业实验室或某个网络公司或以讲座形式向学生展示专业的发展，使学生获得对自己专业的初步认识。新的解决方案是建立特定行业物联网“综合演示实训中心”。

　　通过参观该实训中心，让学生从整体上认识物联网专业及其应用场合，从而激发学生对专业的理解和兴趣。生产实习方面通常是带领学生到生产现场进行参观实习，由于物联网是一个新兴行业，可供学生进行参观实习的工业生产现场比较少，因此需要重新制定物联网专业实习解决方案。(www.fwsir.com)经调研发现，建立“物联网综合演示实训中心”供学生感性体验，或者利用学校与企业联合共建的物联网相关示范基地以及学校自建的实训中心。专业基础学习，应做到学与做同行。为满足多样化需求，应完善丰富专业基础教学实验室，从而丰富课程设计的综合实验内容。如果教师时间紧，可以采用第三方提供的产品方案。通过学科竞赛，让学生可以在创新、理论付诸实践、团队合作三个方面促进增长。

　　对高校物联网专业实验内容拓展方面，方案给出了三步走策略：综合演示实训类、应用实训类以及基础教学实验类。对于综合演示实训类，针对高校的行业特点，建立其相应的应用型实训中心。比如智能家居系统、智能门禁系统、智能安防系统等。提供专业认识、科技创新、科研、毕业设计等内容。对于应用实训类，构建通用典型的物联网小型系统以及中规模应用系统。比如智能停车管理实训室、智能农业实训室等。提供专业认识、课程设计、科技竞赛及创新相关的实验服务。对于基础教学实验类，进行专业基础、课程设计等专业基本能力培养。比如传感器、单片机、FPGA实验室等。

　　2.精品案例教学模式。对于概念和应用宽泛的物联网专业来说，与其面面俱到广而不精，一些高校提出并采用精品案例教学模式。学校结合自身的长处，选择适合自己的培养方向，这不仅可以充分利用现有资源，更能体现针对性，且学生容易入门。为此，一些企业随之打造类似产品，以求能够通过某个具体精品案例，同样能把物联网的三层结构体现得淋漓尽致。在追求精品的同时，不失整体的实践教学模式。

　　方案中物联网技术应用领域教学选取了典型的案例———智能家居，其结构框图如图2所示。智能家居融合自动化控制系统、无线通信技术、计算机网络技术和传感器技术于一体，形成智能化、网络化的家居控制系统，将家中的各种设备（如照明系统、音视频设备、窗帘控制、安防系统、空调控制、数字影院系统等）通过家庭网络连接到一起，从而实现全方位的信息交互、保持信息交流畅通、环保节能，节约资金、增强家居安全。智能家居系统可提供实验为智能移动视频监控实验、智能门禁实验、智能电灯控制实验、智能窗帘控制实验、家居环境参数采集实验。通过这些实验，可以使学生更好地锻炼动手能力。

　　该方案中通过智能家居系统引出物联网关键技术，该技术主要分为物联网传感技术、物联网接入教育、物联网网络技术等。物联网传感技术可提供多款CPU，例如8051核CPU、cortex m3核CPU和FPGA等，使学生能够学习不同复杂度、不同成本的CPU连接传感器进行信号采集的流程。同时可以提供多款传感器。物联网传感技术实验的核心思想是提供一套可以更换CPU芯片的、能够连接多种传感器的试验教学装置，目的是让学生能够学习各种传感器的应用，包括传感器信息采集、传感器信号分析和接口电路设计。

　　其优势特点是提供一套能够使用不同类型CPU实现传感器信息采集与处理的实践教学装置、提供多种传感器应用，包括声音、电磁、温度、湿度、气体、红外、光照、机械动作等多种感知信号。提供多样的传感器接口，包括模拟接口、数字接口和开关量接口。物联网接入技术的核心思想是提供这样一套实验装置：在完成无线网络管理和射频识别信息处理的同时，可以将数据通过不同网络路径传输到网络中心。目的是让学生掌握WIFI、GPRS、3G网络组成，信息传输过程中的关键性参数配置，传输性能分析等内容。物联网网络技术核心思想是提供一套能够涵盖了物联网网络层关键性技术，即软交换技术和IPv6技术的实践教学装置和教学资源。目的是让学生能够掌握主流的网络信息交换技术。

　　3.二次研发实践模式。对于体系比较庞大、涉及知识比较繁多的物联网专业来说，让学生亲自动手实践从底层到顶层完整走一遍的思路或许是一条学习捷径。二次研发教学模式即是让学生在现有实验箱的基础上完成个性设置和修改部分功能模块的方式体验物联网系统的工作流程，从而学习相关知识。一些公司推出了二次开发实验平台，如基于WSN（WirelessSensor Network）的物联网解决方案体系架构ATOS平台，该平台框架如图3所示。ATOS物联网开发平台采用一套设备两套协议的方式。这两套协议包括标准的Zigbee协议和基于TinyOS的开源自主协议。TOS系统采用开源TinyOS操作系统，向用户公开了路由协议和上层软件源代码，用户可以根据各种应用需求对系统进行二次开发，包括传感器设置，数据采集、存储、访问等环节均提供二次开发接口，用户可以修改和设计自己所关注的部分，从而实现应用系统的开发工作，这给高校初学物联网的学生提供了简单易行的软硬件开发机会。

　　ATOS平台主要设计了传感器数据采集、基站数据汇聚、网关对外发送、采集系统解析以及远程服务器数据接收和存储等功能，因此，它从整体上为物联网专业的学生提供了从传感数据到终端用户的各个流程，让实践过的学生能够彻底理解物联网从底层到应用层再到终端的基本架构。

　　该方案不同于其他实训模式，传统的实训模式多为“现场观摩为主、基本不予参与”。在本方案中，学生可以根据系统提供的二次开发平台，重现上述具备的所有功能，或根据自己的需求改写新的控制逻辑，因此具备较好的学习参与度；另外，该方案还可采用硬件组态的设计模式，根据不同的需求选配不同模块组建自己的试验平台，以适应实验教学的需要；而且，系统中绝大部分设备和器件如传感器、气动部件等都是工业现场使用的标准工业级元件，学生如同实践在一个真实生产的过程中，从而学到真正实用的专业知识和操作技能。

　　另外，ATOS平台中的实训定位功能，也能更好地全面地锻炼物联网专业的学生。该功能体现为室内人员精确定位技术的演示与测试。它采用基站定位技术，即利用已知基站来定位移动点的位置。在对信息进行收集与统计之后，实现轨迹与区域的实时定位等功能。与传统的RFID刷卡式人员定位不同，它可灵活地实现人员随时随地定位。

　　四、总结

　　物联网行业的兴起，为高校学生提供了广阔的就业前景。物联网专业所涉及的硬件、软件及网络大多是现有技术的综合应用。因此，物联网专业是工程实践性较强的学科，若要培养出理论知识与动手能力于一身的综合型人才，就需要高校制定出一套完善的物联网实践教学体系。由于物联网的提出本身涉及多门学科，故其课程体系具有一定的交叉性和动态发展特性。因此，物联网专业实践教学面临新模式的挑战，这也给各高校根据自身优势摸索出新专业办学特色提供了良好机遇。

　　参考文献：

　　[1]谢秋丽，黄刚。基于物联网人才培养与教学实践的研究[J].软件导刊：教育技术，2011，（3 ）。

　　[2]罗蓉。物联网的发展和应用研究[J].计算机工程应用技术，2011，（3 ）。

　　[3]郭丽。高职院校物联网应用技术方向课程体系的探索与构建[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2011，（2 ）。

　　[4]王志良。物联网现在与未来[M].北京：机械工业出版社，2010.

　　[5]桂小林。物联网技术专业课程体系探索[J].计算机教育，2010，（16）。

　　[6]肖慧彬。物联网中企业信息交换中间件技术开发研究[D].北方工业大学，2009.

　　[7]韩娜，谭晶。物联网的关键技术与发展[J].河南科技，2011，（4）。

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