物联网专业理论与实践教学体系设计

房爱东，潘正高，凌 军，卢 彪

(宿州学院，安徽 宿州 234000)



物联网专业理论与实践教学体系设计

房爱东，潘正高，凌 军，卢 彪

(宿州学院，安徽 宿州 234000)

高校开设的物联网专业在理论和实践教学上仍处于一个初级阶段，为了提高高校专业人才培养能力，提出了物联网专业的理论与实践教学体系设计。理论教学体系设计内容主要包括理论教学模块设计和理论教学设计。实践教学体系设计主要包括实践教学体系的框架设计和实验室搭建设计。理论教学和实践教学相结合，大大提高了物联网工程专业学生的综合素质，满足了物联网技术发展对人才的市场需求。

物联网；理论教学体系；实践教学体系；实习实训

0 引言

物联网(Internet of Things，IoT)是新时代信息技术的重要发展方向之一，智慧城市、基于IoT的高新技术园区和相关软硬件产业的大力建设促进了IoT产业链在我国的高速发展[1]。随着IoT产业链的逐渐完善，企业对IoT人才的需求也越来越大，近年来越来越多的工科类院校相继开设了IoT专业来应对市场的变化[2]。IoT的体系架构主要包括应用平台、支撑平台、传输平台和感知平台。

本文通过对IoT技术的建设体系结构的分析，对高校IoT专业的课程进行了相应的理论教学体系设计和实践教学体系设计[3]。

1 理论教学体系设计

1.1 理论教学模块设计

通过对IoT体系建设的四层架构的分析，我们将IoT工程专业的理论教学设计为7个教学模块[3]。

(1)微波高频教学模块：包括GSM、CDMA、WDM、信号编解码、信号放大衰弱、微波通信、高频传输、信号调试和色散原理与互补等。

(2)无线网络技术教学模块：包括无线局域网技术、无线网络、数据信号收发器、WIFI、蓝牙和无线高级算法等。

(3)单片机和嵌入式教学模块：包括ARM引脚连接、传感器信号干扰控制、M2M数据存储传输和长距数通、嵌入式操作系统、短距无线传感数通和计算机嵌入网络编程等。

(4)传感技术教学模块：包括电磁技术原理和结构、ARM嵌入式网关技术、微功耗802.11标准、无线传感器网络原理和4G技术的原理、结构等。

(5)高级网络教学模块：包括无线网络拓扑、无线收发机结构的研究和开发、通信协议栈设计和低功耗加密等。

(6)RFID教学模块：包括RFID标签冲突算法、微控制器系统、读卡器、GPRS技术原理、射频识别和数据库等。

(7)传输系统教学模块：包括无线基站与终端之间的信号传输系统、无线基站与有线节点之间的信号传输系统、终端与终端的点到点信号传输系统和android、ios操作系统等。

1.2 理论教学设计

通过对IoT工程专业的7个理论教学模块的分析，进行了如下的理论教学设计[4]：

(1)针对IoT技术的特点，按照应用软件开发技术、数据支撑存储技术(云计算、数据库等)、无线或有线数据传输网络技术和感知技术(RFID、WSN等)的知识结构体系进行教学[5]。

(2)随着传统互联网技术的成熟、移动互联网技术的快速发展、计算机网络技术特别是无线传输4G、蓝牙技术和物理传感等技术的快速部署[6]，这种技术融合的趋势变化有助于IoT工程专业的本科生充分理解理论课的教授内容与实际科技发展走向的内在联系，为实践课程的教学做好准备。

(3)尽量降低抽象的、过于复杂的、应用价值不高的理论知识的讲授，比如适当降低计算机网络协议低级算法、IoT低端安全技术等内容的讲授。

(4)尽量提高IoT、互联网特别是移动互联网新技术的理论教学，比如基于安卓开发平台的软件开发技术、基于Apple开发平台的软硬件技术、基于H5操作平台的软硬件技术和基于PHP开发平台的软硬件技术等新技术的教学[7]。同时，教授课程前提供弹性的、可变的教学进度和教学内容，比如将应用联系紧密的无线传输网络技术(短距无线zigbee、长距无线LTE)、有线传输技术(短距有线Router、长距有线OTN)、传输安全技术(IPSEC、SSL、VPN)和网管技术作为理论教学的知识重点。

2 实践教学体系设计

实践教学体系设计主要包括2个方面：框架设计和实验室构建设计[8]。

2.1 框架设计

实践教学框架设计的目的主要是利用课内基础性实验和实践课程基础性设计为总体基础，通过实习实训和毕业设计、大学生IoT设计竞赛、组网竞赛、数学建模竞赛和网络安全等竞赛活动提升物联网专业本科生的创新创业能力，构建以综合实习实训活动为重点的实践教学体系[3]。实践教学的框架设计如图1所示。

课内实验的目的是让学生加深巩固对相关的理论知识的理解和掌握。这些实验主要分为软件和算法设计类、微电机系统设计类和嵌入式系统设计类。其中软件和算法是实现IoT功能、决定IoT行为的主要技术，包括各种各样的网络计算系统和感知信息处理、交互算法、计算和优化软件系统架构和软件平台研发等等。

专业课内实验主要包括：(1)软件开发技术。软件建模、JAVA技术、基于android和ios平台的APP开发技术、c语言、C++、软件工程、智能优化算法设计和硬件系统开发等；(2)射频识别系统开发技术。实现了传感器系统、数据库存储系统、感知技术系统、蓝牙、zigbee、UWB、不间断供电系统和节能系统的统一，是微传感智能系统的重要体现；(3)硬件开发技术。基于ARM平台的开发技术是对硬件的功能损耗、硬件体积、硬件鲁棒性和性价比的综合比较，根据不同的软件模块的智能移植和剪切的嵌入式计算机技术，是实现物联网智能化通信的重要手段。

目前，物联网相关高新技术企业对人才的要求更注重个体的研发实践能力和对IoT技术方向的把握，据此，学校从经费上、课程安排上大力支持IoT工程专业的学生积极参加各类基于IoT技术的竞赛活动，提高学生对IoT技术的理解和应用能力。

针对IoT工程专业学生在专业技术、团队合作精神、细致的工作方法、严谨的工作态度和工作经验上存在的不足，开设了专业性较强的综合项目实训活动。

2.2 实验室搭建设计

宿州学院的IoT专业的实验室搭建设计主要包括了IoT基础实验室、IoT综合实验室和IoT项目实训实验室3个大类(13个小类)，如图2所示。

IoT基础实验室主要包括[9]：(1)无线传感实验室，满足WSN网络技术的学习；(2)RFID实验室，满足了射频识别技术的学习；(3)云计算实验室，满足了数据存储技术的学习；(4)传感器实验室，满足了数据采集技术的学习；(5)嵌入式实验室，满足了模电、数电、单片机编程等技术的学习；(6)高级软件无线电实验室，满足了4G、蓝牙、zigbee、网络和软开技术的需求。

IoT综合实验室主要是建设了一套以智慧校园为背景的综合演示实训中心，它提供了综合IoT技术的学习平台[10]，包括IoT传感技术应用系统、IoT数据传输的无线、互联网和有线综合应用系统、IoT数据存储支撑的云计算、数据库的应用系统和应用VIEW软件的综合应用系统。智慧校园综合演示实训中心提供了一整套IoT项目的解决方案和具体应用实施方案。

IoT项目实训实验室能够提供完整的、系统的综合物联网项目整体应用系统，主要包括[11]：基于家居的软硬件系统实训实验室、基于电力网络的软硬件系统实训实验室、基于物流行业的软硬件系统实训实验室、安防软硬件系统实训实验室、交通软硬件系统实训实验室、农业软硬件系统实训实验室等。

3 结语

通过对IoT工程理论和实践教学体系的设计与改革，提高了学生的计算机编程技术、硬件系统开发技术、创新能力、项目运作能力和科学研究能力。主要包括：(1)掌握了无线传输技术、射频识别技术、传感器技术、软硬件系统开发技术、无线通讯组网技术等，能够运用IoT技术完成网络开发、网络组网、网络设计和网络开局；(2)能够很好地利用ICT融合技术和IoT技术来制定准确的项目运作周期，对IoT项目的具体实施进行整体的把握和网络优化；(3)提高自我学习和自我发展能力，能够适应迅猛发展的信息化技术和IoT技术，具备了一定的科研能力。

[1] 陈峥嵘,柴建伟.我国物联网教育现状及发展趋势研究[J].黑龙江畜牧兽医,2016,(12):235-237.

[2] 褚翠霞.基于物联网的智慧校园建设与发展研究[J].中国新通信,2016,(14):86-86.

[3] 卢彪,吴孝银,张晓梅.基于物联网工程专业人才培养方案的教学研究[J].攀枝花学院学报,2015,(5):106-108.

[4] 赵枫朝,王勇.从《物联网导论》的教学实践到物联网工程专业的专业建设[J].教育教学论坛,2013,(15):227-228.

[5] 章冲.物联网工程导论教学初探[J].计算机光盘软件与应用,2012,(13):248.

[6] 吴蔚.物联网在高校教育和管理中的应用分析[J].电脑迷,2016,(7):123.

[7] 周孝元.基于物联网技术的信息化应用研究[J].电脑知识与技术，2015,(9X):223-224.

[8] 吴房胜,李如平,徐金秀,等.高校物联网专业人才培养模式改革创新研究[J].电脑知识与技术,2015,(8X):181-183.

[9] 王新平,王志良.物联网工程导论课程建设与研究[J].高教学刊,2016,(20):58-59.

[10] 宫兵,赵鹏,马吉权,等.物联网工程实验教学示范中心建设的研究与探索[J].黑龙江教育(理论与实践),2016,(11):48-49.

[11] 胡海峰.物联网工程专业实践教学建设研究[J].电子制作,2013,(21):112.

Design of Theory and Practice Teaching Systemof the Major of Internet of Things

FANGAi-dong,PANZheng-gao,LINGJun,LUBiao

(SuzhouUniversity,Suzhou, 234000,China)

The major of Internet of things in higher education is still on a primary stage both in theoretic instruction and in practice teaching. In order to improve the ability to cultivate professional talents in colleges and universities, this paper presents a systematic design of professional theory and practice teaching. The content of theory teaching system design mainly includes: theoretical teaching module and theory teaching design. Practice teaching system design mainly includes: the framework of practical teaching system and laboratory building design. The combination of professional theory teaching and practice teaching greatly improves the comprehensive quality of Internet of things engineering majors, and satisfied the market demand for talents due to the development of Internet of things technology.

Internet of things; theory teaching system; practice teaching system; practice

2017-03-11

安徽省高等学校教学研究重大项目(2016jyxm1026)；安徽省高等学校教学研究重大项目(2016jyxm1021)；宿州学院教学研究项目(szxy2015jy12)

房爱东(1965-)，男，硕士，宿州学院信息工程学院副教授，研究方向：人工智能、模式识别。

TP393

A

1674-3229(2017)02-0108-04