物联网工程专业硬件课程体系建设的研究

王鑫++张钰++唐成华++刘建明

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.12.007

摘要 分析依托网络工程专业建设的物联网工程专业中的具体状况，提出一种针对性的硬件课程体系，用于解决物联网感知层相关课程薄弱这一问题，并探索其中的教改方法，简化理论教学，设计并采用以应用为驱动的系统性实践教学体系，建设与之配套的实验室，循序渐进不断线地提升锻炼动手实践能力，切实提高学生的综合实力。

关键词 网络工程；物联网工程；硬件课程体系；教学改革

中图分类号：G642.3文献标识码：A

文章编号：1671-489X(2014)12-0007-04

Study on Construction of Hardware Curriculum System for Internet of Things Engineering Major//WANG Xin, ZHANG Yu, TANG Chenghua, LIU Jianming

Abstract Through analyzing the specific situation of the construction of internet of things engineering major relying on network engineering major, a targeted hardware curriculum system is proposed to solve this problem that the courses which is related to IOT perception layer is weak. This paper explores the methods of teaching reform, which is including: simplifying the theoretical teaching, designing and adopting a application-driven systematic practical teaching system and constructing laboratories which is match to the practical teaching system. By above methods, students can continuously exercise their practice ability step by step, thereby improving their own comprehensive strength.

Key words network engineering; internet of things engineering; hardware curriculum system; teaching reform

物联网，是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网被公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，具有十分广阔的行业前景[1]。

目前我国物联网产业刚刚起步，相关技术人才稀缺。国内的许多高校依托自己原有的相关院系与专业，开始建立物联网工程专业。由于依托的院系专业不同，所授课程和专业设置也各具特色[2-3]。这其中值得注意的是，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络，只是其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信[4]。因此，结合多年网络工程专业的教学经验，笔者分析以网络工程专业为基础建立物联网工程专业的可行性，重点指出其中出现的问题与不足，提出一种设置硬件课程体系的解决方案，并详细探讨其中的教学改革思路。

1 硬件课程体系的设置

物联网工程专业是一个多学科交叉融合的专业，其中包括有网络工程、控制系统、计算机应用技术、通信与信息系统、电子科学等[5]。按照物联网的技术架构层级分类，其知识层次如图1所示。

按照物联网的技术层级（即应用层、传输层、感知层）的分类方式，与网络工程的课程设置进行对比，图2显示了两个专业课程设置的比较。从图2中看出，网络工程专业在物联网技术的网络层和应用层领域具有很好的研究基础，感知层则比较缺乏，这是由于感知层更多依赖的是与硬件相关或者软硬件结合的技术。综上所述，以网络工程专业为基础建立物联网工程专业，需要加强硬件课程的教学。在此本文提出一种针对物理网工程专业的硬件课程体系，如图3所示。

硬件课程体系中的公共基础课硬件课程体系中的公共基础课包括数字电子技术、模拟电子技术、电路分析，开设这些课程旨在奠定学生的硬件知识基础。这些课程不仅是电子科学技术和电子信息工程中的技术基础课，也是物联网专业中重要的技术基础课。

硬件课程体系中的专业基础课硬件课程体系中的专业基础课包括传感器技术、射频识别（RFID）技术、微机接口技术、计算机组成和系统结构，开设这些课程的目的是培养学生物联网专业的学术基础。这其中计算机组成和系统结构、微机接口技术是计算科学与技术专业的核心课程，传感器技术和无线射频识别技术是物联网工程专业的重要基础课程。

硬件课程体系中的专业核心课硬件课程体系中的专业核心课包括有嵌入式系统和无线传感器网络。无线传感器网络课程重在介绍通信协议、传感器数据融合、技术标准等知识点。嵌入式系统课程主要围绕ARM嵌入式系统开发，帮助学生掌握芯片级开发的技术。

2 硬件课程体系的教学改革方法

重视动手实践，精简理论教学物联网工程专业的培养目标是培养能够从事物联网领域的系统设计、系统分析、系统维护与管理和产品研发的高等工程技术人才[6]。这样的培养目标决定了教学内容在保证学生有着扎实的理论基础的同时，也要有较强的实践与创新能力。本着“打牢基础，注重实践”的教学理念，同时考虑到硬件课程体系中的课程更多需要学生通过动手实践参与才能真正掌握，在理论教学学时的安排上，除了公共基础课需要的理论学时较多些外，其余课程的理论学时不会超过本课程总学时的一半。在理论教学中，不仅要让学生熟悉该课程的基础知识，也要培养学生的学科兴趣和学习方法，使学生在接下来的实验和实践环节中更容易上手。

应用为驱动的实践教学学生通过理论教学学习到了该课程的基础知识，之后参加实验和实践活动。这样的过程不仅巩固了原先的理论基础，也加深了认识，增强了动手能力。同时，物联网工程专业作为一门工程类专业，其培养重点在学生的工程能力和工程素养上。因此，本文设计了以项目应用为驱动力的实践教学体系，将项目工程实施贯穿到整个实践教学的全过程。并且为了体现实践教学的系统性和连贯性，对实践教学体系做了层次划分，如图4所示。

硬件课程体系的实践教学分为专业认知、基础实验、综合实验、综合设计、实习实训和创新创业这几个实践层次，形成大学四年实践教学环节不断线的培养过程。专业认知层次的实践形式有认知实习和学科基础实习实训，让学生对所学知识和框架有个基本感性的认识，在第一学期完成；基础实验和综合实验的实践层次以课程实验的形式进行，会贯穿在大学四年教学过程中完成；综合设计层次包括课程实验和课程设计，主要针对专业的核心课程设置，除此之还设置科研项目训练，让学生参与到教师的科研项目中实践锻炼；实习实训层次上，设置与专业培养方向紧密结合的实训课程，时间安排在第六学期，生产实习和毕业设计会密切联系当前的产业形势，让企业参与其中，在企业的指导下进行该项实践环节，时间分别安排在第七和第八学期；创新创业层次上，建立大学生实践基地，以学科竞赛为龙头，提高学生创新创业能力。

endprint

1）循序渐进的实验设计。在对课程实验的设计中应考虑到：一方面，物联网工程专业属于新办专业，专业中的知识体系需要学生渐进性地认识了解；另一方面，随着硬件课程体系的深入，不同课程之间的交叉和融合越来越明显，仅凭一门课程的实验很难让学生全面掌握和理解技术的要领。所以，在遵循“由浅入深，循序渐进”的认知原则的前提下，设计出一种由基础实验、综合实验到设计实验的多层次实验，用于满足不同阶段的实验和实践需求，如表1所示。

实验层次的不同，对应实验项目和组织方式也不同。基础性实验主要通过实验验证等方式，让学生了解熟悉方法，对自己所学课程所涉及知识范畴、技术对象和应用有一个概念性的、感知上的认识；综合性实验让学生以小组形式进行，通过对物联网中的某个功能模块或部件进行开发优化，从而提高自己的动手实践能力；设计性实验通过项目方式进行，让学生立足于物理网具体应用中某个子项目的开发，并解决项目中的实际问题，从中培养其创新性思路与方法。

在此以无线射频识别技术课程为例，首先，在基础认知性实验中让学生认识并了解无线射频技术的原理、相关模块的结构和使用方法；其次，通过综合性设计实验设计或者优化无线射频中的应答器或者阅读器；最后，通过创新开发性实验设计一个基于无线射频技术的自动信息识别子系统。

2）多元开放的课外实践。课堂实验受到学时、实验场所和指导实验教师等条件限制，学生只能在有限的空间和时间内动手实践，无法充分发挥自身的想象力和创造力，实践效果欠佳。因此在设计实践教学环节时，根据硬件课程体系的特点，从最大限度调动学生自身积极性和主动性出发，为学生创造一个空间、时间上都比较自由和灵活的实践环境。比如前文介绍的综合性实验和核心课程设计都需要较多的实验时间，通过开放实验室[7]，首先学生可以自由安排实验，对于曾经失败的实验可以重做，更有助于提高自身的实验技术水平；其次，学生可以根据自身状况在一定的范围内自由选择实验，或者自己设计实验方案和步骤，有利于提高学生的创新热情和能力，从而真正使课内外的实践相互融合。让学生参与到教师的课题项目研究中，比如校园一卡通的二次应用开发，学生不仅把自己所学的知识应用到实际项目中得到锻炼，也从中了解到当前学科技术中最新的发展动向与趋势，为日后的学习研究方向做好定位。让学生参与各类学科竞赛和大学生创新基地，增强学生的创新创业理念，学会分析问题和解决问题的本领，同时通过团队合作方式提高了人际交往能力。

与实践教学配套的物联网实验室建设高校实验室是高等学校的一个重要组成部分，它的质量高低直接影响着教学质量与科研质量。实验室水平是反映一个学校教学水平、科学技术水平和管理水平的重要标志之一[8]。为了配合硬件教学体系的实践教学，对物联网专业实验室的建设做出如下设计。

1）充分利用已有的实验资源。比如使用嵌入式实验室、电子电路实验室、软件工程实验室、网络工程实验室等学科专业实验室，并在这些实验室基础上进行改造，建设成无线射频识别、传感器网络等技术实验室，以达到“小投入，大收益”的效果。

2）增设物联网应用及实训场景。建设一个覆盖智能家居、智能建筑、机器人控制、工业监测等多个物联网应用场景的展示环境，使学生能直观了解物联网产业的具体应用，并利用开放接口可进行物联网工程的实际开发，从而让学生在更真实的应用环境中进行开发，提升自己的实践能力。

3）建立网络化的开放实验室信息管理系统。对开放实验项目、实验人员、仪器设备使用情况等信息进行网络化管理，学生通过访问该系统查询相关的使用情况，并网上预约开放实验室的使用申请。

3 总结

对物联网工程专业和网络工程专业的知识体系进行比较，分析和指出以网络工程为基础建立物联网工程中感知层相关知识薄弱这一不足之处，提出并设计一种针对物联网感知层的硬件课程体系。并根据物联网工程专业特点和物联网产业应用需求，对课程的教学方法做出改革：精简理论教学，强化实践训练；以应用为驱动开展系统性、层次性的实践教学，层层加深，不断线地加强学生实践创新能力；建设与之配套的实验室，使实践教学更加完备。从而真正做到巩固课堂知识和拓宽知识面的同时，锻炼实践能力和创新思维，提高人才培养的质量。

参考文献

[1]郑小发.物联网工程专业中高职院校教学课程实验体系研究[J].智能处理与应用,2012(2):75-77.

[2]桂小林.物联网技术专业课程体系探索[J].计算机教育,2010(16):1-3.

[3]马忠梅,孙娟,李奇.物联网工程专业课程体系与实践探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(10):1-5.

[4]沈苏彬,范曲立,宗平,等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报:自然科学版,2009(6):1-10.

[5]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009(12):1-7.

[6]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,2011(3):44-46.

[7]陈子辉,王泽.国内高等学校实验室开放情况调查与探索[J].实验室科学,2008(5):4-7.

[8]宋国利,盖功琪,苏冬妹.开放式实验教学模式的研究与探讨[J].实验室研究与探索,2010(2):3-8.

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1）循序渐进的实验设计。在对课程实验的设计中应考虑到：一方面，物联网工程专业属于新办专业，专业中的知识体系需要学生渐进性地认识了解；另一方面，随着硬件课程体系的深入，不同课程之间的交叉和融合越来越明显，仅凭一门课程的实验很难让学生全面掌握和理解技术的要领。所以，在遵循“由浅入深，循序渐进”的认知原则的前提下，设计出一种由基础实验、综合实验到设计实验的多层次实验，用于满足不同阶段的实验和实践需求，如表1所示。

实验层次的不同，对应实验项目和组织方式也不同。基础性实验主要通过实验验证等方式，让学生了解熟悉方法，对自己所学课程所涉及知识范畴、技术对象和应用有一个概念性的、感知上的认识；综合性实验让学生以小组形式进行，通过对物联网中的某个功能模块或部件进行开发优化，从而提高自己的动手实践能力；设计性实验通过项目方式进行，让学生立足于物理网具体应用中某个子项目的开发，并解决项目中的实际问题，从中培养其创新性思路与方法。

在此以无线射频识别技术课程为例，首先，在基础认知性实验中让学生认识并了解无线射频技术的原理、相关模块的结构和使用方法；其次，通过综合性设计实验设计或者优化无线射频中的应答器或者阅读器；最后，通过创新开发性实验设计一个基于无线射频技术的自动信息识别子系统。

2）多元开放的课外实践。课堂实验受到学时、实验场所和指导实验教师等条件限制，学生只能在有限的空间和时间内动手实践，无法充分发挥自身的想象力和创造力，实践效果欠佳。因此在设计实践教学环节时，根据硬件课程体系的特点，从最大限度调动学生自身积极性和主动性出发，为学生创造一个空间、时间上都比较自由和灵活的实践环境。比如前文介绍的综合性实验和核心课程设计都需要较多的实验时间，通过开放实验室[7]，首先学生可以自由安排实验，对于曾经失败的实验可以重做，更有助于提高自身的实验技术水平；其次，学生可以根据自身状况在一定的范围内自由选择实验，或者自己设计实验方案和步骤，有利于提高学生的创新热情和能力，从而真正使课内外的实践相互融合。让学生参与到教师的课题项目研究中，比如校园一卡通的二次应用开发，学生不仅把自己所学的知识应用到实际项目中得到锻炼，也从中了解到当前学科技术中最新的发展动向与趋势，为日后的学习研究方向做好定位。让学生参与各类学科竞赛和大学生创新基地，增强学生的创新创业理念，学会分析问题和解决问题的本领，同时通过团队合作方式提高了人际交往能力。

与实践教学配套的物联网实验室建设高校实验室是高等学校的一个重要组成部分，它的质量高低直接影响着教学质量与科研质量。实验室水平是反映一个学校教学水平、科学技术水平和管理水平的重要标志之一[8]。为了配合硬件教学体系的实践教学，对物联网专业实验室的建设做出如下设计。

1）充分利用已有的实验资源。比如使用嵌入式实验室、电子电路实验室、软件工程实验室、网络工程实验室等学科专业实验室，并在这些实验室基础上进行改造，建设成无线射频识别、传感器网络等技术实验室，以达到“小投入，大收益”的效果。

2）增设物联网应用及实训场景。建设一个覆盖智能家居、智能建筑、机器人控制、工业监测等多个物联网应用场景的展示环境，使学生能直观了解物联网产业的具体应用，并利用开放接口可进行物联网工程的实际开发，从而让学生在更真实的应用环境中进行开发，提升自己的实践能力。

3）建立网络化的开放实验室信息管理系统。对开放实验项目、实验人员、仪器设备使用情况等信息进行网络化管理，学生通过访问该系统查询相关的使用情况，并网上预约开放实验室的使用申请。

3 总结

对物联网工程专业和网络工程专业的知识体系进行比较，分析和指出以网络工程为基础建立物联网工程中感知层相关知识薄弱这一不足之处，提出并设计一种针对物联网感知层的硬件课程体系。并根据物联网工程专业特点和物联网产业应用需求，对课程的教学方法做出改革：精简理论教学，强化实践训练；以应用为驱动开展系统性、层次性的实践教学，层层加深，不断线地加强学生实践创新能力；建设与之配套的实验室，使实践教学更加完备。从而真正做到巩固课堂知识和拓宽知识面的同时，锻炼实践能力和创新思维，提高人才培养的质量。

参考文献

[1]郑小发.物联网工程专业中高职院校教学课程实验体系研究[J].智能处理与应用,2012(2):75-77.

[2]桂小林.物联网技术专业课程体系探索[J].计算机教育,2010(16):1-3.

[3]马忠梅,孙娟,李奇.物联网工程专业课程体系与实践探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(10):1-5.

[4]沈苏彬,范曲立,宗平,等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报:自然科学版,2009(6):1-10.

[5]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009(12):1-7.

[6]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,2011(3):44-46.

[7]陈子辉,王泽.国内高等学校实验室开放情况调查与探索[J].实验室科学,2008(5):4-7.

[8]宋国利,盖功琪,苏冬妹.开放式实验教学模式的研究与探讨[J].实验室研究与探索,2010(2):3-8.

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1）循序渐进的实验设计。在对课程实验的设计中应考虑到：一方面，物联网工程专业属于新办专业，专业中的知识体系需要学生渐进性地认识了解；另一方面，随着硬件课程体系的深入，不同课程之间的交叉和融合越来越明显，仅凭一门课程的实验很难让学生全面掌握和理解技术的要领。所以，在遵循“由浅入深，循序渐进”的认知原则的前提下，设计出一种由基础实验、综合实验到设计实验的多层次实验，用于满足不同阶段的实验和实践需求，如表1所示。

实验层次的不同，对应实验项目和组织方式也不同。基础性实验主要通过实验验证等方式，让学生了解熟悉方法，对自己所学课程所涉及知识范畴、技术对象和应用有一个概念性的、感知上的认识；综合性实验让学生以小组形式进行，通过对物联网中的某个功能模块或部件进行开发优化，从而提高自己的动手实践能力；设计性实验通过项目方式进行，让学生立足于物理网具体应用中某个子项目的开发，并解决项目中的实际问题，从中培养其创新性思路与方法。

在此以无线射频识别技术课程为例，首先，在基础认知性实验中让学生认识并了解无线射频技术的原理、相关模块的结构和使用方法；其次，通过综合性设计实验设计或者优化无线射频中的应答器或者阅读器；最后，通过创新开发性实验设计一个基于无线射频技术的自动信息识别子系统。

2）多元开放的课外实践。课堂实验受到学时、实验场所和指导实验教师等条件限制，学生只能在有限的空间和时间内动手实践，无法充分发挥自身的想象力和创造力，实践效果欠佳。因此在设计实践教学环节时，根据硬件课程体系的特点，从最大限度调动学生自身积极性和主动性出发，为学生创造一个空间、时间上都比较自由和灵活的实践环境。比如前文介绍的综合性实验和核心课程设计都需要较多的实验时间，通过开放实验室[7]，首先学生可以自由安排实验，对于曾经失败的实验可以重做，更有助于提高自身的实验技术水平；其次，学生可以根据自身状况在一定的范围内自由选择实验，或者自己设计实验方案和步骤，有利于提高学生的创新热情和能力，从而真正使课内外的实践相互融合。让学生参与到教师的课题项目研究中，比如校园一卡通的二次应用开发，学生不仅把自己所学的知识应用到实际项目中得到锻炼，也从中了解到当前学科技术中最新的发展动向与趋势，为日后的学习研究方向做好定位。让学生参与各类学科竞赛和大学生创新基地，增强学生的创新创业理念，学会分析问题和解决问题的本领，同时通过团队合作方式提高了人际交往能力。

与实践教学配套的物联网实验室建设高校实验室是高等学校的一个重要组成部分，它的质量高低直接影响着教学质量与科研质量。实验室水平是反映一个学校教学水平、科学技术水平和管理水平的重要标志之一[8]。为了配合硬件教学体系的实践教学，对物联网专业实验室的建设做出如下设计。

1）充分利用已有的实验资源。比如使用嵌入式实验室、电子电路实验室、软件工程实验室、网络工程实验室等学科专业实验室，并在这些实验室基础上进行改造，建设成无线射频识别、传感器网络等技术实验室，以达到“小投入，大收益”的效果。

2）增设物联网应用及实训场景。建设一个覆盖智能家居、智能建筑、机器人控制、工业监测等多个物联网应用场景的展示环境，使学生能直观了解物联网产业的具体应用，并利用开放接口可进行物联网工程的实际开发，从而让学生在更真实的应用环境中进行开发，提升自己的实践能力。

3）建立网络化的开放实验室信息管理系统。对开放实验项目、实验人员、仪器设备使用情况等信息进行网络化管理，学生通过访问该系统查询相关的使用情况，并网上预约开放实验室的使用申请。

3 总结

对物联网工程专业和网络工程专业的知识体系进行比较，分析和指出以网络工程为基础建立物联网工程中感知层相关知识薄弱这一不足之处，提出并设计一种针对物联网感知层的硬件课程体系。并根据物联网工程专业特点和物联网产业应用需求，对课程的教学方法做出改革：精简理论教学，强化实践训练；以应用为驱动开展系统性、层次性的实践教学，层层加深，不断线地加强学生实践创新能力；建设与之配套的实验室，使实践教学更加完备。从而真正做到巩固课堂知识和拓宽知识面的同时，锻炼实践能力和创新思维，提高人才培养的质量。

参考文献

[1]郑小发.物联网工程专业中高职院校教学课程实验体系研究[J].智能处理与应用,2012(2):75-77.

[2]桂小林.物联网技术专业课程体系探索[J].计算机教育,2010(16):1-3.

[3]马忠梅,孙娟,李奇.物联网工程专业课程体系与实践探讨[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(10):1-5.

[4]沈苏彬,范曲立,宗平,等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报:自然科学版,2009(6):1-10.

[5]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,2009(12):1-7.

[6]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,2011(3):44-46.

[7]陈子辉,王泽.国内高等学校实验室开放情况调查与探索[J].实验室科学,2008(5):4-7.

[8]宋国利,盖功琪,苏冬妹.开放式实验教学模式的研究与探讨[J].实验室研究与探索,2010(2):3-8.

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