物联网应用系统设计课程教学方法

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(1.四川文理学院 智能制造学院,四川 达州 635000; 2.四川文理学院 智能制造产业技术研究院,四川 达州 635000)

随着物联网技术的深入发展,各行各业对物联网应用系统技术开发人才的需求随之增长,在这一背景下,国内各高校相继开设了物联网专业。由于物联网专业涉及的学科门类较多,作为一门新兴专业,目前还没有形成统一的课程体系指导方案,因此各高校在培养方案和课程体系建设方面存在着较大的差异[1]。目前一般将物联网应用系统划分为3层,即感知层、网络层、应用层。从这一划分出发,一个完整的物联网应用系统需要软件、硬件、网络三大核心知识体系的支撑。从学科核心知识来看,物联网应用系统关键技术包括传感器技术、射频识别技术、通信技术、无线网络传输技术等;从物联网应用系统知识跨度来看,涉及计算机专业、电子专业、通信专业等3个专业的核心知识[2]。虽然物联网应用系统涉及的软硬件开发技术以现有综合技术为主,但是物联网的工程应用背景较强,对学生的实践应用能力要求较高,社会需求的是熟练掌握物联网应用系统开发设计的专业型人才,这对高校的专业教学是一大挑战。

物联网应用系统设计课程是为物联网专业大学三年级学生开设的一门专业必修课。该课程是在学生全面学习物联网专业核心课程的基础上开设的,要求学生设计一个包括物联网3层结构的完整的应用系统,目的是使学生初步具备物联网应用系统开发能力。物联网应用系统涉及到软硬件两方面的知识需求,这就要求教师有较深的理论知识和较强的应用开发能力。另外,现有的教学普遍存在着理论教学学时占比较大、实践教学学时占比较小的问题,使得这门课程的实施存在着先天不足,因此学生的物联网应用系统技术开发能力离企业的需求差距较大。在此背景下,本文主要探讨如何合理有效地利用现有师资和硬件来改进教学方法,从而提高教学质量。

1 物联网应用系统设计课程教学要求及现状

四川文理学院作为应用型本科院校,实践应用能力的培养至关重要,因此对物联网专业来说,关键在于培养学生掌握一定的物联网基础知识和专业核心知识,以及综合应用计算机软件开发技术、嵌入式开发技术、通信网络技术的基本技能。课程体系的设置必须以应用为目标,以社会需求为前提展开。物联网应用系统设计课程可以说是对该专业学生所学知识和应用技能的一个全面整合和应用。课程的安排是以传感器技术为基础,涉及单片机技术、无线网络传输技术和Android移动开发技术。学生需要完成从下位机到上位机的一个完整的应用系统,从信息采集、无线传输到应用软件设计。作为该门课程的必要基础,单片机、C语言、数据库技术的应用能力必须过关,而实践课程则将专业核心课程融入到项目中。本课程开设目的是使学生能够应用以往所学的专业知识,完成一个完整的物联网应用系统,从而建立对物联网应用系统开发的全面感知和拥有初步的设计能力,为从事物联网应用相关工作奠定基础。

实际教学过程中由于受到课程学时设置、实验条件等多种因素的影响,绝大多数专业课程的授课都以理论教学为主,实践环节比较薄弱。本课程存在的问题主要体现在以下几个方面:

(1)本课程以实践应用为主要目标,而市场上关于物联网应用系统开发的系统性教材寥寥无几,由于没有固定的教材作为参考,因此授课范围难以把握[3]。

(2)由于本课程涉及其他专业课程的综合应用,一方面授课教师本身的研究领域和专业擅长不同,在授课过程中容易出现厚此薄彼的现象,另一方面学生对本课程涉及的其他专业课程知识基础不够扎实,因此限制了课程的有效实施。

(3)目前本课程理论和实践教学总学时为64,要以实践应用为目标,既要针对重点和难点知识进行分解讲授,又要结合实际应用项目进行设计论证,使学生能够充分理解物联网理论知识和技能,这本身就是一个复杂的过程。同时,授课教师缺乏企业经历,实践开发经验不足,不能有效地将理论与实践相统一。在课程实施中,教师也在不断地学习和摸索,尤其是在项目的软硬件实践中,经常会出现这样那样的问题,不仅耗费精力还浪费时间,影响课程的进度[4]。

2 教学方法探讨

2.1 优化培养方案以及夯实课程基础

从理论上来说,传感器技术、数据库技术等都已经是成熟的技术,无线数据通信技术又是从计算机网络基础和通信技术延伸而来,因此完成这一设计任务的理论和实践基础已经具备[5]。然而,从专业培养方法和课程设置来看,由于涉及的知识门类多,课程数目多、难度大,加之学时限制,使得实践教学学时一再缩减,因此学生看似学习了很多专业课程,实际上对知识的理解很肤浅,更谈不上应用能力。显然,这样的专业知识功底对于物联网应用系统设计课程的顺利开展是不利的。

要保证学生在大学三年级能够把握专业基础知识,具备设计物联网应用系统的能力,物联网专业的课程设置和培养应该选取一条主线。另外,在方案制作时,考虑到四川文理学院应用型本科的定位,要以行业需求为指导,加强与企业联系沟通,充分发挥校企合作的优势,由企业老师和校内老师共同探讨专业课程的设置,适当精简理论课程内容。专业基础课程开设时以电子技术基础、C语言程序设计、电子线路设计、单片机原理及应用、计算机网络原理为主,专业核心课程开设时以传感器技术及应用、RFID技术及应用、嵌入式系统及应用技术、无线传感网络、Android应用开发为主。理论课程体系如图1所示。

在阶段性学习结束后,安排学生进行相应的项目实训,由企业老师负责学生的实践指导。核心实验及实训项目设置如图2所示。经过大学一年级和大学二年级的系统化学习和实践后,学生对单片机、传感器有了一定的理解,能够熟练地使用单片机C语言编程完成传感器数据采集和系统控制。同时,通过计算机网络、无线传感网络等相关网络课程的学习及实训,学生掌握了无线通信收发及相关协议,对Zigbee协议栈、IAR集成开发环境有了操作实践,专业基础知识和实践技能得到了锻炼。因此,在大学三年级下学期开设物联网应用系统设计课程,学生的专业基础知识和实践技能储备不至于宽泛肤浅,既精简了学时,又满足了应用开发需求。

图1 核心理论课程体系Fig.1 Core theory curriculum system

图2 核心实验及实训项目Fig.2 Core experiments and training projects

2.2 设计经典案例并采用项目式教学模式

物联网应用系统设计课程的初衷是综合应用物联网核心专业知识,完成某种应用系统的设计开发,使学生建立物联网应用系统开发的概念,提升学生的开发设计能力。传统的理论与实践分离的教学模式,使得教、学、做不能及时地统一,学生在理论学习时,由于课程知识难度大、内容抽象而不能深入理解,久而久之学生失去学习兴趣,进而影响实践教学的开展。综合本课程特点,以项目为主体的任务驱动式教学更符合本课程的教学要求。以项目为基础,将项目按照物联网3层架构进行分解,教学时按模块进行。教师按照任务分解的步骤进行授课和解答,同时将知识点的讲解穿插在项目设计中,学生边动手实践边学习。在这个过程中,出现问题及时思考解决,通过师生互动讨论,在实践中学习,在学习中实践,两者相互促进,进而使学生逐步完成整个项目的设计[6]。

物联网经典应用案例的合理选取是项目式教学顺利实施的关键。结合物联网应用背景,比较典型的应用案例有环境质量监控、智能家居、城市自动照明等。通过这些应用与专业核心技能的融合,完成集传感、传输、智能控制于一体的物联网应用系统设计。本课程的开展以项目设计和考查为主,以小组为单位完成项目设计。小组成员之间分工明确,通过相互协作和讨论共同完成设计,在项目完成后,通过小组答辩的方式进行考查[7]。相比于传统的以教师为主体的授课方式,项目式教学能充分发挥学生的主动性,同时有利于培养团队合作意识。

2.3 加强实验室建设并开展创新实验

对于物联网专业来说,课程体系庞大、知识繁杂,学生想要完成3层结构的物联网应用系统设计,从信息采集、通信传输到智能控制,哪一个环节专业知识不过关,都无法胜任设计任务。从底层到顶层完整的系统设计,固然对学生的能力提升具有重要意义,但在实际实施中,往往由于某个环节的知识或者能力欠缺而影响了项目的进程,因此基于现有实验系统的二次研发模式不失为一个最佳选择。利用现有的传感器模块和实验平台快速搭建硬件系统,将实践的重点放到数据传输和上位机应用系统开发上,这样既简化了项目任务,降低了复杂度,又可以使学生全面感受物联网系统的设计和工作流程。基于无线传感网络(WSN)的物联网应用系统,采用开源操作系统和Tiny OS的开源协议,学生可以根据应用需求进行设计开发,这使得基础相对薄弱的学生有了更多接触软硬件系统开发测试的机会,从而提高学习兴趣[8]。另外,目前市场上相关的产品不仅涵盖物联网专业核心课程实验,还提供了物联网综合应用开发环境,可为学生进行二次开发和实践提供强大的硬件支持。

2.4 加强双师型教师队伍建设和培养高技能的专业教师

物联网应用系统设计课程强调实践应用,整个课程的实施对教师的能力和专业知识是一个巨大的考验,可以说教师的实践能力是教学的关键。由于高校教师普遍缺乏企业经验和研发经验,因此加强教师队伍建设,培养教师的应用开发能力也是提升课程教学质量的重要环节。基于此,一方面可以适当地引进或者外聘具有物联网应用系统开发经验的工程技术人才补充教师队伍,另一方面派遣专业教师到企业中进行实践锻炼,通过企业实践提升教师的研发能力。

3 结语

物联网应用系统设计课程对专业知识基础要求较高,应用性较强,课程的教学还处在发展初期,要提升该门课程的教学效果,学生的专业知识基础和实践应用能力、实验室的硬件条件、教师的理论和实践能力缺一不可,因此必须优化课程体系,加强课程基础建设和教师能力提升,为课程的顺利实施提供有力保障。

参考文献:

[1] 胡成全,魏晓辉,钟丽鸿,等.物联网工程专业课程设置与实践教学体系设计[J].计算机教育,2015,237(9):12-15.

HU Chengquan,WEI Xiaohui,ZHONG Lihong,et al.Course setup and practice teaching system design of Internet of Things Engineering specialty[J].Computer Education,2015,237(9):12-15.

[2] 秦磊华,石柯,甘早斌.基于CDIO的物联网工程专业实践教学体系[J].高等工程教育研究,2013,142(5):168-172.

QIN Leihua,SHI Ke,GAN Zaobin.CDIO-based research and practice of practical course system for the specialty of Internet of Things[J].Research on Higher Engineering Education,2013,142(5):168-172.

[3] 郑龙根,王俊.物联网应用技术课程实验的创新[J].实验室研究与探索,2016,35(10):139-142.

ZHENG Longgen,WANG Jun.Creative of the experiments for the course applied techniques of the Internet of Things[J].Research and Exploration in Laboratory,2016,35(10):139-142.

[4] 徐学红,蔡中民.地方高校物联网专业应用型人才培养探索[J].福建电脑,2016,32(4):66-67.

XU Xuehong,CAI Zhongmin.Exploration on the cultivation of applied talents of Internet of Things major in local colleges and universities[J].Fujian Computer,2016,32(4):66-67.

[5] 孙泽宇.应用型本科高校物联网技术课程改革方法研究[J].山东农业工程学院学报,2016,33(9):39-41.

SUN Zeyu.Research of curriculum reform methods of Internet of Things in application-oriented college[J].Journal of Shandong Institute of Agricultural Engineering,2016,33(9):39-41.

[6] 徐向军,周赟山.《物联网应用系统设计》课程建设的探索与实践[J].教育教学论坛,2015,235(49):140-144.

XU Xiangjun,ZHOU Yunshan.Exploration and practice of the course construction of the application system design of the Internet of Things[J].Education Teaching Forum,2015,235(49):140-144.

[7] 万智萍,叶仕通,朱柏辉,等.物联网创新应用型人才的层次化培养体系研究[J].电子设计工程,2013,21(16):184-187.

WAN Zhiping,YE Shitong,ZHU Baihui,et al.The hierarchical training system research of Internet of Things innovative application-oriented talent[J].Electronic Design Engineering,2013,21(16):184-187.

[8] 李媛,方建军,龙浩.面向“应用型”人才培养的物联网工程教学体系探索[J].物联网技术,2014,4(1):77-79.

LI Yuan,FANG Jianjun,LONG Hao.Exploration on the teaching system of Internet of Things for application-oriented talents training[J].Internet of Things Technology,2014,4(1):77-79.