基于Sakai的物联网专业课程开放式教学系统

柴建伟

物联网专业在我国设置年限较短，教学过程中存在很多突出性问题，特别是学生学习兴趣不高、实践能力不强、学习资源不足、缺乏学习自主性和创新意识。本文依据物联网专业课程特点，探讨利用Sakai网络教学平台的强大功能支持，构建一个适用与专业教学需要的开放式教学系统，来充分融合课上、课下的各种教学资源，让学生能够在一个相对开放自主的环境下，主动去学习和分享更多的专业知识。

随着李克强总理2015年在政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划，国家开始大力推动移动互联网技术、云计算、大数据应用技术、物联网等技术与现代制造业的结合。现在，“互联网+”正走向“深度融合”时期，“互联网+教育”是其中很重要的应用领域，具有良好的发展前景。开放式教学是“互联网+”背景下，深入推进教育教学改革，提升教学质量的重要方式，通过开放式教学的实施，能够让学生有更多的自主选择，更好地激发学习兴趣，同时也可以帮助其锻炼自主思维能力、材料搜集整理和表达能力、团队合作能力、自我创新能力等。本文基于廊坊燕京职业技术学院物联网应用技术专业实际情况，探讨搭建开放式教学系统。

一、物联网专业教学现状

我国物联网相关专业设立至今不到10年的时间，其课程体系、师资队伍、教学资源建设均处于起步阶段。且大部分物联网专业的课程都具有实践性较强、学科跨度较大、新技术不断涌现等特点，要求物联网专业学生，除了掌握必备的专业理论知识之外，必须通过丰富的课程实践来提高专业技能、培养自学和创新的能力。然而，在多年相关专业课程教学工作过程中，我们发现高职院校物联网应用技术专业的实践教学工作面临如下难点：

实训室的实训设备大多采用实验箱的形式，很多技术环节和应用模块均被生产厂家封闭，以“黑盒”的形式供教师和学生们使用。这种情况下，即便设备所能提供的实验数量众多，但其中大多数是极为简单的基础类验证性的实验，比如：RFID实训中的低频、高频、超高频实训项目，基本只能完成相应频段射频卡的读、写操作，对学生专业知识的理解益处不是很大。即便实验箱提供了原理机实验模块，其设计仍然显得过于封闭和抽象，学生无法深入形象地了解其内部工作原理，更没办法亲自设计卡和读写器电路，老师和学生的自主设计权太少。

实训内容多出自实训设备附带的实训指导书，然而教学内容多选自市场上已发行的数量和类型不是很丰富的教材，很多時候会出现内容不一致的情况，给教与学增加了一定的不便利性，增大课程开发的难度和工作量。即便是老师知道一些更新、更适合教学的小型硬件平台，但是由于采购经费，学生个人购买意愿不同等问题，不便于大规模推广应用，而如果能通过一个平台，让大家分享这些资料和学习情况，就可以满足有学习意愿的同学的需要。

物联网技术发展日新月异，老师在学校教授的一些实践技能，学生接触到的一些实训设备，可能已经是相关行业落后甚至是已经淘汰的。比方嵌入式实训设备中采用TI公司的CORTEX-A8系列OMAP3530处理器，在设备采购的时候已经算是最新技术产品，然而产品的生命周期预计在5年左右，随着设备使用时间的推迟，必将面临淘汰的问题，学校的设备更新却无法跟上技术的发展。

通过近五六年的专业教学实践，笔者发现学生的课堂学习效果不尽如人意，有时候会出现上课走神、甚至玩手机、聊天、听音乐、看视频等无法完全融入课堂教学过程的现象。作为高职学生，无论是普高起点的还是职高起点的，普遍具有学习基础薄弱、学习能力不强、缺乏正确的学习方法、厌学心理明显、自主学习能力差、热衷上网娱乐、热衷参加各类感兴趣的社团活动等特点。因此，单纯依靠传统的授课方式已不能满足专业授课需要。

二、系统功能分析与设计

本文利用Sakai网络教学平台的强大功能支持，结合高职物联网专业课程的特点，进行二次开发构建一个开放式教学系统，来充分融合课上、课下的各种教学资源，让学生能够在一个相对开放自主的环境下，主动去学习和分享更多的专业知识，更好地提高个人的专业技能。系统设计时应重点解决下面几个问题：

如何提高学生学习的主动性，增加课程的粘度。目前，已应用的网络教学平台多偏重于资源的罗列，缺乏趣味性和吸引力，学生往往是被迫参与进来，缺乏学习的积极性和主动性，且无法较长时间坚持下来，师生之间、生生之间互动交流较少。为此，参考游戏化理念进行系统的设计，将游戏中的激励、竞争、协作、难度递增、循环设计等机制引入课程设计。首先，对系统中的教学资源进行优化配置，主要选择一些实践性强，具有较大获得感的教学任务。然后按照任务的难易程度进行分类，分别赋予不同的完成分值，对于实在完成不了的任务可以寻求同学或者老师帮忙，也可以通过学习相关知识点来提升自身，从而拿到分值。只有拿到足够的分值，才能进行难度更大任务的学习，如果分值不够，可以通过向系统中补充相关知识，来获得分值奖励。另外，帮助别人解决问题，不但可以增加成就感，而且也能获得分值奖励。同时系统向老师和同学们展示分值排行情况，高分的同学不但能得到老师更多的关注和奖励，而且能够收到更多的求助信息，从而晋级更快，低分的同学在竞争对比之下，也会不断充实自己获取晋级。当学生晋级到某种程度的时候，就可以开启新的课程模块，而当所有的课程模块都完成之后，就可以申请考试，考试通过则课程的开放式教学环节完成。

如何实现教学方法多样化。不同的课程、不同的教学单元甚至同一门课程的同一个教学单元中都可能采取不同的教学方法。系统中通过允许上传视频资料的形式支持讲授法和演示法；通过设定教学任务相关资料的形式支持发现法和探究法；通过设置不同课程模块、不同难度等级的任务以及各课程模块的小测验来支持练习法；系统允许进行学生分组，并能在讨论区进行问题探讨来支持讨论法；系统允许将课程划分为不同的单元，将每个单元划分成不同的任务，或者直接将课程设定成不同的任务来实施，支持任务驱动法；系统参考游戏化设计理念，为开放式的网络教学系统，支持自主学习法。

如何进行课程考核。课程的考核分为过程性考核和终结性考核两部分，老师可以设定各部分考核的权重。过程性考核可以选择性地依据学生的学习参与度，包括学习过程中分值的多少、帮助同学正确解决问题的情况、已完成任务难度情况、对任务相关知识的补充数量和质量情况等。终结性考核可以参考课程考试时间和考试成绩。最后将网络教学系统中获得的成绩和课上成绩综合起来，给出学生本门课程的总评成绩。

如何融入学生的创新培养。搭建专门的双创模块，包括：政策文件、技术论坛、双创活动、创意点子汇、咨询邮箱等构成部分，用于为学生提供创新创业的相关资料以及交流平台。并通过线上线下的定期不定期组织的各种交流活动，便于及时发现好的想法和项目，鼓励大学生的创新创业。

在此开放式教学系统中，主要包含四大功能模块，分别是系统注册登录退出模块、系统管理员管理模块、教师管理模块和学生管理模块，其中每一个模块下又包含若干子模块，系统的功能结构如图1所示。

三、系统技术分析与设计

系统作为学生开展网络学习的载体，并且是教师进行线上教学与辅导的平台，必须满足以下技术要求：

系统架构合理，支持大规模并发访问。必须保障当有大批量老师和同学们同时使用时，系统能够稳定运行。

模块化代码设计，便于扩展和维护。模块化的好处是各个模块相对独立，功能简单，可以提高代码重用性，便于团队合作，也有利于系统功能的擴展和系统的运行维护。

系统稳定性高，兼容电脑和手机端多平台应用。有些情况下，学生采用电脑上网不太方便，如果系统能够同时支持手机和其他智能终端的应用，将可以提供更便利的服务。

系统开发成本低，技术难度适中。本系统开发人员均为高校教师，工作精力、工作时间和可投入资金有限，在技术选择上需考虑实际情况。

因此本文选择在已有课程与教学管理系统的基础之上进行二次开发，来实现系统需求。通过对目前在用的教学管理平台包括：Sakai、Coursera、Moodel、OpenedX、Udacity、爱课程、网易云课堂、学堂在线等的对比和分析，选择由美国印第安纳大学、密西根大学、斯坦福大学和麻省理工学院发起的贴合高校教学需求，免费开源的Sakai平台来进行系统设计。Sakai提供了一个功能强大的教学平台，基本能够满足日常教学环境中的各种需求，包括课程开设、资料发布、在线讨论、在线作业、在线考试、Wiki，统计等各项功能。

Sakai平台是基于J2EE企业级应用架构，使用Java代码编写的面向服务的应用程序，支持插件结构，便于定制所需要的系统功能。Sakai平台采用分层设计思想，其各层所用技术如图2所示。

要进行Sakai网络教学平台的二次开发，首先需要下载、编译并部署Sakai源代码，在此基础之上，按照其对外提供的API接口，完成Sakai平台上的一些工具或者插件的开发。本系统的实现，采用JDK开发工具包进行Java编程，使用Apache Maven来管理项目，Web服务器选用Tomcat，数据库选用Sakai平台支持的小型免费数据库MySOL。在此环境下，通过完成定制工具的开发，来完成系统所需部分扩展功能。

采用开放式教学系统辅助物联网应用技术专业的教学，虽然前期课程开发工作量较大，但是其应用效果显著，能够更好地激发学生自主学习的热情，帮助更多学生在专业学习中找到自己的兴趣点和方向，极大的提高了学生的专业实践能力、自主学习能力和创新思维意识。我们下一步的工作方向是开发更多、更优质的教学资源来扩充系统，使其为更多感兴趣的学生服务。