物联网时代下在线教学平台的研究与展望

2018-06-27姚茂群刘淑婷李怡雯

计算机教育 2018年6期

周力,姚茂群,刘淑婷,李怡雯

（1．杭州师范大学国际服务工程学院，浙江杭州 311121；2．杭州华恩教育科技有限公司，浙江杭州 311121 ）

0 引言

进入21世纪以来,社会正在从人与人的信息互联服务需求快速转换为从物联网得到人与人、人与物、物与物的信息互联需求,信息化正在从互联网时代变换为物联网时代。物联网的出现,将会使计算机与网络技术在更多领域有更深层次的应用,使得信息技术与人类社会的发展更为密切。物联网将被视为计算机、互联网之后信息产业的第三次浪潮。目前高校物联网的教学属于理论知识与实验平台相结合的教学模式,教育模式过于单一,无法与互联网紧密结合,探讨一种基于互联网的在线物联网教学平台已经是培养物联网方面人才的当务之急[1]。

1 物联网教学存在的问题

物联网专业作为一个通信、电子、计算机等多学科融合的综合性学科,要求学生有扎实的理论基础,并能自己动手完成实验验证相关理论。现阶段高校物联网的教育多着眼于嵌入式教育,教学模式单一,与社会生产脱节,硬件设施也达不到物联网发展的要求,导致学生的成长空间受到限制[2]。

1.1 实验器材依赖性高

由于缺少经费,高校实验设备无法及时更新。现有的高校嵌入式实验箱的硬件多采用ARM9系列的处理器,现阶段涉及这款处理器的产品在市场上越来越少,与实际生产严重脱节。这些平台单一性实验多,综合性开发实验少,涉及物联网领域里最先进的嵌入式技术的实验内容几乎没有,与社会生产需求的嵌入式技术联系较少。高校往往只会购买涉及一款处理器的实验箱,当学生需要学习其他处理器时,如市场上比较流行的Cortex系列处理器时,往往缺少实验设备。现有高校对实验室的实验器材进行统一管理,学生无法将嵌入式实验中的实验箱带出实验室,往往只有每周上课过程中的几次做实验的机会,学生在课后进行嵌入式理论验证的想法无法在第一时间得到验证,时效性变得很差[3]。

1.2 编程语言单一

物联网的开发应用涉及多种编程语言,在现实的生产当中会根据不同的需求选择不同的编程语言,如物联网的网关是对性能和资源要求更高的硬件,此项目的开发就比较适合使用像Java和Python这样的高级语言。但目前高校的实验箱仅支持嵌入式Linux系统,开发语言仅限于C语言和C++,学生无法用Java和Python等语言做实验,不利于学生培养求职的竞争能力。

1.3 课程体系落后

物联网是包括计算机网络、电子技术、人工智能、云计算等技术为一体的综合性技术及应用,当下高校的物联网教学内容无法与这些新技术紧密相连。高校的物联网相关实验更多偏向于基础理论的验证,在课程的设计上,没有实质的综合性的项目供学生学习与研究,没有与物联网行业需求相结合。在物联网越来越普及的时代,高校现有的实验课程不能体现“互联网+”时代的最新应用,有很大的改革和提升空间[3]。

1.4 实践教学欠缺

现在高校的物联网专业教学多以理论教学为主,教师通过板书讲解相关知识点,学生被动地听,学期结束时物联网专业相关课程的考核也以书面考试为主,学生在平常的学习当中,除了学校开设的实验课,很少有机会接触物联网相关的项目,而且高校的实验课多以简单的嵌入式实验为主,导致学生动手实践能力欠缺,降低学生的积极性和热情,在以后求职的过程当中处于不利地位。

1.5 师资力量薄弱

在我国,物联网仍然属于一个新兴产业,现有的大部分高校开设物联网专业的时间不长,缺少建设物联网专业的经验。大部分的高校教师缺乏物联网专业的教育背景,没有经过专业的训练,专业学术水平较低,没有开发大型物联网项目的经验,没有足够的实践经验和知识储备,教学水平不高。

2 在线教学平台的建设内容

在线教学平台是以OBE教学理念为指导原则,以学生为中心衡量教学成果,以培养专业物联网人才为主要目标的平台,针对上述现状,在线教学平台主要包括虚拟仿真平台、在线编程模块、物联网项目实验、智慧辅导系统等内容,将有效改进高校物联网教学过程当中存在的问题,在线教学平台框架如图1所示。

图1 在线教学平台整体框架图

2.1 虚拟仿真平台建设

物联网的教学对硬件的依赖性较高,但高校的硬件设施又十分地单一与落后,虚拟仿真平台的建设可以有效解决高校在物联网的基础教学设备方面资金投入的不足导致实验室器材设备落后,实验局限于嵌入式方面简单理论的验证,对涉及物联网中的智能模块的实验束手无策等问题。将这个虚拟的仿真平台放在服务器端,学生通过网络访问这个平台。在硬件设计方面,将物联网教学中的硬件虚拟化。平台将在物联网开发过程中涉及的各种开发板做成模型供学生选择,加入开发过程涉及的各种模块,如WiFi模块、蓝牙模块、各类传感器模块等。学生学习时,只需在仿真平台上选择对应开发板即可,同时,与这款开发板相对应的各个芯片的数据手册,硬件原理图等资料也会呈现在学生面前;学生学习某个模块时,只需将与开发板对应的模块加入开发板即可,这大大减少了硬件成本,方便了实验的进行,增加了学生学习知识的多样性。物联网专业涵盖了多门学科的众多课程,仿真软件也多种多样,选择合适的仿真软件对学生学习的积极性有很大的帮助,可将多种开源的虚拟仿真软件集成到仿真平台上,使学生可以更加直观看到实验结果,增加实验的可进行性[4],部分建设内容见表1。

表1 虚拟仿真平台建设

2.2 在线编程模块建设

在现有的物联网教育体系下,学生在离开实验室后无法进行相关实验,课后进行编程时出现的问题也无法第一时间解决。在线编程将物联网开发过程中涉及的环境集成到服务器端,使学生可以在离开实验室以后进行相关实验,学生只需在PC端编写相关实验代码,然后将代码上传至在线教学平台,加载至平台中的仿真模块,结果将第一时间呈现在学生面前,降低实验环境对学生编程的束缚,使学习者更加关注代码本身,提升学习的效率。举个简单的例子,点亮开发板的led灯,学生根据这块开发板相应的数据手册进行编程,编译完成后将程序上传至平台,由平台呈现出实验最后的结果。在这个在线编程过程当中,后台的教师可以实时查看学生的代码,根据仿真结果对学生进行指导,同时教师可以全程实时协助学生编程,使实验过程中出现的问题能够快速得到解决。在线编程的模式能够支持除了C语言和C++以外的开发语言,使实验不仅局限于Linux操作系统,也能够支持Android移动操作系统,符合物联网开发的实际需求[5-6]。在线编程建设构思如图2所示。

2.3 教学改革

2.3.1 教材改革

高校物联网的教学内容应该在原有的教学大纲的基础之上,加入物联网前沿知识和技术,紧跟时代的步伐,有效地结合生活中物联网的实例,充分调动学生学习的兴趣。高校的物联网课程既要帮助学生开阔视野,又要帮助学生积累相关工作技能。在在线教学的平台上,在原有嵌入式的课程基础上设计相关电子教材,加入物联网前沿知识和技术的课程,增加与物联网结合密切的课程如大数据、人工智能等。一方面学生可以利用移动终端随时随地访问在线教学平台学习相关课程,另一方面学生学习的知识能紧贴“互联网+”时代的发展,加大学生学习的主动性,为学生提供更多更好的学习资源。

2.3.2 实验改革

物联网专业是需要动手实践的专业,现有的高校物联网教育以理论教育为主,在涉及物联网前沿技术编程的时候,一是高校缺少相关课程,二是受实验条件的约束,学生在这方面的能力往往很欠缺。高校在进行物联网专业人才培养的时候,应根据社会需求制订科学的培养方案,增加实验的比重,提高物联网专业毕业生的就业能力,满足社会对物联网专业人才的需求。在在线教学平台上,在原有的实验基础上,设计物联网专业涉及的各个实验课程,如网络编程当中的TCP/IP协议、蓝牙协议、WiFi协议等,学生可以根据自己对理论知识的理解,在自己的PC端进行编程,将自己的代码传至在线教学平台,教师可以根据学生代码运行的结果,对学生进行相应指导,对学生提供必要的帮助,训练学生的动手能力。同时,教师可以将一些企业级的项目放在平台上,让学生以团队的形式协作完成,增加学生项目经验的同时,培养团队合作的能力与意识。以智能家居中花卉监护系统为例,在平台上模拟应用场景,包括各类传感器,学生在PC端根据综合传感器采集到的数据进行编程,将编译的程序上传至平台,智能控制花洒浇水。物联网专业的实验改革可提高教学质量,使理论与实践高度结合,使学生对所学知识有更加深刻的认识,做到“时时学、处处学”,很好地解决高校在物联网专业由于实验器材不足限制学生发展的问题。实验改革建设层次如图3所示。

图2 在线编程建设构思

图3 实验改革建设层次

2.4 智慧辅导系统建设

在互联网快速发展的时代,利用互联网来提高学生学习的效率,改善学生学习的方法显得越来越重要,在线教学平台的智慧辅导系统就是一个比较有效的手段。在课程开始之前,学生可以根据上传的学习资料进行在线预习,方便教师教学内容的展开。在上课的过程中,教师的编码区对所有的课堂学生可见,教师可以查看每一个学生的代码,帮助学生发现问题。课后,教师可以在线布置作业、检查作业,学生可以在线完成作业,教师实时将作业的结果反馈给学生,学生能在第一时间知道自己知识的掌握情况。智慧辅导系统通过数据统计和算法分析,对学生的学习过程进行分析,呈现出各个学生在学习需求、编程能力、知识水平等多方面的差异,帮助教师因材施教,使教学的科学性、有效性、针对性得到提高[6]。智慧辅导系统建设构思如图4所示。

2.5 师资队伍建设

图4 智慧辅导系统建设构思

在线教学平台不仅是一个学生学习的平台,也是教师学习的平台。现有高校的物联网人才的培养和目标难以适应物联网产业的发展要求,作为教学活动的引导者,教师要有更扎实的理论知识,更高的行业眼界。在理论知识方面,在在线教学平台开设相关课程供教师学习来提高教师的理论水平;在实践能力方面,在在线教学平台上聘请企业工程师对物联网专业教师进行专业培训,让教师参与到企业实际的生产活动中,提高教师的实践能力。高校应该重在培养“双师型”的教师,既要具备丰富的专业知识,又要具备一定的动手实践能力,从而不断地提高物联网专业教学的专业性。