物联网技术开发课程改革研究

2018-05-16赵英豪褚云霞

石家庄学院学报 2018年3期

张军，赵英豪，褚云霞，李娟

（石家庄学院计算机科学与技术学院，河北石家庄 050035）

0 引言

物联网技术开发是石家庄学院科学与技术本科专业的核心必修课程，具有非常重要的地位和作用.物联网技术开发是一门实践性很强的学科，它是以计算机和计算机网络为基础的一门综合性信息技术；物联网技术开发又是一门典型的交叉性学科，它涉及了计算机科学、通信、网络工程和管理科学等学科知识；物联网技术开发广泛应用于资源环境管理、环境监测保护、地质勘探、测量等相关部门[1，2].本课程的任务是使学生具备运用物联网理论分析解决实际问题的能力，为将来从事物联网及相关领域的技术开发、产品设计与生产奠定一定的基础.受技术发展太快和实验条件的限制，物联网的教学过程中一般以理论为主，安排的实验也以演示型和验证型为主，做完实验的学生也不一定能将所学知识很好地应用到实际项目中[1].另外，每一章节的实验项目相对独立，课程结束后实验项目不能形成一个完整的项目整体，学生对物联网没有整体的概念.本研究以项目驱动的教学模式，改变了教学方式，使学生在课程结束后能够完成一个完整的物联网项目，培养了学生的动手和创新能力，提高了学生就业的竞争力.

1 教学目的及要求

要求学生对物联网有一个整体认识，掌握其体系结构和相关技术.通过对自动识别技术与射频识别（RFID）、传感技术、定位系统、智能信息设备的学习，掌握感知识别层的基本知识；通过对无线宽带网、无限低速网、移动通信网的学习，掌握网络构建层的基本知识；通过对大数据与海量信息存储、数据库系统、物联网中的信息安全与隐私保护的学习，掌握管理服务层的基本知识；通过对智能交通、智能物流、智能建筑等系统的学习，了解物联网技术在多个领域中的应用；最后还应掌握物联网前沿状况.在这个过程中强调掌握物联网涉及的基本概念和知识，提高学生对不断变化的物联网的适应能力[3].

通过物联网的实验课程实践，使学生掌握一定的物联网相关技术.通过RFID实验，掌握低频、高频、超高频和2.4 G有源RFID读写器、原理机、标签的原理及应用；通过物联网综合实验，掌握低功耗WiFi、Zig-Bee、Bluetooth 4.0 BLE、IPv6等多种无线传感网络；通过无线自组织网络路由、物联网管理、调试与诊断、认知无线网络、移动计算中的智能感知，了解物联网前沿技术和应用.掌握物联网技术相关领域的基本知识、基本理论和标准[3，4].

2 物联网教学现状

石家庄学院在2012年人才培养方案中将物联网及相关课程加入到计算机科学技术、网络工程等专业中，2013年在科学与技术专业开设相关课程.至今计算机科学与技术学院所有本科专业都开设物联网技术开发的相关课程，每年参与学习相关课程的学生超过千人，因此，如何有效地进行实践教学显得愈加迫切和十分重要.

目前物联网课程的主要内容为感知层、传输层和应用层中无线传感器网络、RFID技术等，其涵盖了计算机、通讯、网络、控制等众多专业知识，见图1.其理论性很强，需要很强的逻辑思维能力，几乎每一个章节都可以独立开设一门课程[3，4]，再加上学院学生基础较差，导致本课程学生感觉知识量大，学不会.通过几年的教学实践，主要发现有以下几个问题：

1）作为应用型本科院校，如果依然按照传统的先理论后实践的教学模式，理论知识开始学习后才开始实验课的学习，造成理论和实践的脱节，实践能力差，与社会的人才需求严重脱节.

2）作为新兴的专业，高校在实践教学方面还十分薄弱，安排的实验大多是演示型、验证型，缺少实际动手操作的过程，不能激发学生学习的主动性和创造性.即使组织学生到企业实习物联网应用，大多也是走马观花式的见习，缺乏与企业之间的进一步沟通.

3）高校教师缺乏工程经验.物联网工程技术当前处于不断发展阶段，更新率快，一些旧的技术会被淘汰，需要紧跟技术的脚步，实时调整，不断进行改革，以适应社会人才的需求，教师缺少企业中的实际工程经验，“双师型”教师严重缺乏.

4）缺乏实际应用范例.在物联网课程的实验中，感知层、传输层、处理层的实验都是以独立的分模块进行的，没有形成一个整体，没有一个完整的物联网应用的案例，也没有具体的企业应用的案例，实验依旧停留在演示和验证阶段，缺少对物联网整个系统的模拟操作和创新型的实验项目，大大影响了学生学习的积极性.

图1 物联网涉及的关键技术

3 改革方案

物联网技术开发是一门应用性、交叉性的课程，采用“任务驱动”的教学模式更有利于学生的自主学习和创新实践.

3.1 “项目驱动”的教学模式改革

“项目驱动”的教学模式实施方案如下：打破原来课本上的逐章讲解和逐章实验的模式，以教师自身的科研项目或者校企合作的项目为基础，为学生构建真实的物联网开发设计项目，在课程初期，教师进行项目的演示，让学生认识到学完本门课程后，自己也可以完成这样的一个项目，提高学生的学习兴趣；进而把本门课程内容分成数据采集、数据传输和应用开发三大部分，重点讲解每部分内容的具体实现技术和方式，搭建实际的环境或平台，让学生以小组的形式，紧跟理论学习的进度，分阶段地进行项目的研究探讨和开发.在项目的开发过程中，教师引导学生不断探究新知识的重点和难点，并指导学生通过查阅大量的资料，解决项目中遇到的问题，加深对物联网的理解和掌握；最后，每个小组的项目形成一套完整的作品，作为期末的考评，从数据采集、数据传输和应用开发这三大部分内容进行考核，优秀作品可以推荐参加各类竞赛或向企业推荐推广[1，2].

教学模式实施过程如下：

1）确定小组研究项目

确定要做的方向或题目，自由结组（每组不超过5人），提交研究方案和组名单.表1是通过市场调研或企业委托开发的项目，让同学们根据自己的爱好和能力进行选择，提交资料如表2所示.

表1 可供选择的物联网项目

表2 提交的资料

分组以学生自由组合为主，兼顾学生学习水平的差异.定期组织小组内和小组之间的研究讨论，针对每个小组选择的不同项目推荐学生阅读相关的专业书籍，查阅相关资料，从而了解更多的专业相关知识，进而使项目的研究更加深入和具有创新性.

老师随时在实验室和学生讨论，学生每周做出进度表，如表3所示.

表3 周进度表

2）项目评价

最后每个小组的项目作为期末作品，由相关教师和行业专业人员进行验收和评价.教师评选出的优秀作品经过进一步的深入研究和专业教师的指导，参加学校和国家级的各类知识竞赛，激发学生的学习热情.

3.2 课程考核方式改革

本课程不设置闭卷考试，采取平时的阶段性考评和期末大作业进行综合专业考核.具体考核方式如下：

1）阶段性考核（平时进度表+考勤）

根据学生平时的课堂讨论和小组的项目进度情况进行考核.学生的期末大作业是靠平时的积累来完成的，因此过程监督更加重要.学生除了完成课堂的学习外，为了完成项目，需要查阅大量的课外资料.另外，课堂考勤也作为一项内容进行考核.

2）期末大作业

让学生根据讲过的物联网技术开发内容，结合所掌握的物联网技术开发知识，查找物联网技术开发的相关应用和知识，做成PPT和创新项目进行讲解，同学们可以任意结组，也可以一人一组，但最多不能超过5人，共同完成构想产品，或做出明确的设计方案.

评分标准根据产品的可用性和查找资料的系统性、完整性和相关性制定，组分占70%，个人贡献占30%，见表4.评分标准激励学生做出让人赏心悦目的产品，并且需要讲解得当，引人入胜.

表4 物联网技术开发课程考核评分表

学生最后总成绩由期末作品（30%）+平时讨论和进度（70%）的总和确定.

3.3 物联网创新实验室建立

石家庄学院物联网课程之前的实验项目一直在嵌入式实验室完成，为了更好地让学生们接触了解物联网，结合学院的物联网协同创新实验室，建设物联网演示厅和专业实验室，首先实验室满足物联网技术开发专业课程的需要，让学生通过物联网实验，可以更好地感知物联网，增强学习兴趣.其次，充分利用现有资源，建立具有良好展示性效果的物联网平台，如：智能农业实训系统、物联网工程应用创新系统、物联网关键系统实训系统，购买物联网实验设备，配套编制实验手册，突出专业特色.积极引导企业参与共建物联网专业实验室，聘请企业高技能人才参与教学.

以一种基于RFID的智能购物车为例，它通过购物车上的无线信号发射器和后台数据库进行通信，由顾客通过扫描器自主扫描物品的RFID标签或者二维码，实时显示商品价格、当前总价合计、当前位置以及当前位置的促销信息，购物完成后可以使用手机支付端进行支付，实现了自主结账，提高了效率，节省了成本，并且能够防止偷盗，可以解决消费者长时间排队等候的问题，提高了消费者的满意度，同时也为超市减少了人力成本，增加了利润，实现了双赢的原则，大大提高了便利性.在整个项目的开发过程中，需要同学们相互配合，通过查阅大量资料，完成整个项目的前期调研、框架搭建、功能模块的开发.需要多次调试，不断完善，使学生对物联网知识进行活学活用，深入钻研，提高学生的动手能力和物联网综合应用能力以及创新能力[4-6].

3.4 校企合作

通过学校建立物联网创新实验室和获批的河北省科技创新券服务机构，能获得更多的企业项目，可以将企业的项目接入到实验教学中，这样不但可为企业节约成本，同时也使教师和学生在实际的物联网应用项目中得到学习和锻炼，在“做中学”，为学生就业发展提供好的专业技术支撑.具体做法是在项目立项阶段由教师带领学生参与项目分析；教师负责把项目分解，适合学生学习和操作的部分分配给学生们尝试开发，教师负责引导和监督，难点部分教师负责；项目开发完后给学生们讲解整个开发过程.