物聯網教學實踐體系研究

　　文章編號：1672-5913(2011)23-0021-05 中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
　　
　　摘 要：通過分析物聯網的特點，研究物聯網的實踐教學體系，提出“面向教學、面向科研，培養具有創新精神和實踐能力的人才”的指導方針，對于物聯網工程實踐中心的架構和物聯網專業實驗室的建設進行了研究，根據專業特點，設計了物聯網分層次實踐教學的內容。將課程知識與工程應用緊密結合，注重培養學生的實踐能力和創新能力。
　　關鍵詞：物聯網；教學；實踐
　　
　　
　　1 背景
　　物聯網是以感知為目的，實現人與人、人與物、物與物全面互聯的網絡。在自然災害檢測與預防、環境監測、交通物流、城市管理、醫療護理等各方面，物聯網技術都有著廣泛的需求和應用前景[1-2]。《國家中長期科學與技術發展規劃(2006-2020年)》[3]和“新一代寬帶移動無線通信網”重大專項[4]中均將傳感網和物聯網列入重點研究領域。物聯網必將引發新一輪信息技術革命和產業革命，是信息產業領域未來競爭的制高點和產業升級的核心驅動力。加快發展物聯網產業不僅是提升我國信息產業核心競爭力、發展創新型經濟的戰略選擇，也是改造提升傳統產業、促進兩化融合、提升社會信息化水平的重要抓手，對經濟發展和社會生活都將產生深遠影響。
　　我國高素質物聯網技術人才的極度短缺已經成為制約我國物聯網產業快速發展的一個瓶頸，因此培養與國際接軌的高素質物聯網技術人才，為工業化與信息化融合服務，已成為“兩化”融合過程中的一項重要工作。為此，2010年教育部批準三十所高校首批設立了物聯網工程專業。
　　
　　物聯網技術涉及多個學科，這些跨學科知識的融合和貫通必須通過實踐來進行。通過提供優質的實驗條件和豐富的實驗資源，進行多層次的實踐教學，才能培養學生的工程實踐能力和創新精神，為其成為高素質應用型人才、復合型人才和拔尖創新人才奠定堅實的基礎。
　　2 物聯網實踐教學體系研究
　　目前，國內和國外發達國家在物聯網技術研究和發展上基本處于同一起跑線。國內高校和同行都認為抓住物聯網工程技術研究、專業建設和人才培養的先機，是我國新興戰略性產業發展的迫切需求，也是我國在引領信息技術發展潮流的關鍵領域趕超發達國家的一次機遇。
　　為適應我國物聯網產業發展的需要，2010年，南京航空航天大學作為首批增設物聯網技術本科專業的高校之一，結合南航本身優勢，制定了物聯網工程專業的培養計劃，培養符合“兩化”融合需要、掌握扎實物聯網技術、具有創新精神和較強實踐能力的高校畢業生，為信息產業、航空航天和民航、地方等企事業單位和行政管理部門輸送急需的高素質物聯網技術人才，為我國信息化建設做出貢獻。在建立物聯網實踐教學體系方面，包括以下幾個主要方面。
　　2.1 明確實踐教學的指導方針
　　在實踐教學中，需要貫徹“面向教學、面向科研，培養具有創新精神和實踐能力的人才”的指導方針，將基礎研究和工程性研究相結合，以培養學生的創新能力和實踐能力為使命。高度重視實踐環節，推進實驗內容和實驗模式的改革和創新，培養學生的實踐動手能力、分析問題和解決問題的能力；組織學生積極參與科學研究，進行創新性實驗和實踐，提升學生創新精神和創新能力；與社會、行業以及企事業單位共同建設實習、實踐教學基地，加強產學研合作。以此為指導，建立如圖1所示的物聯網實踐教學體系。
　　
　　2.2 建設物聯網工程實踐教育中心
　　南京航空航天大學成立了物聯網工程實踐教育中心，將原有的計算機技術實驗室、信息安全實驗室、嵌入式實驗室、單片機實驗室、計算機網絡實驗室以及與企業合辦的聯合實驗室都納入到物聯網工程實踐教育中心，并新建物聯網專業實驗室，包括：物聯網感知實驗室、物聯網接入實驗室和物聯網應用實驗室。這些校內實驗資源和新聯電子、南京熊貓以及東軟等企業的實踐實訓平臺將統一整合到物聯網工程實踐教育中心。
　　2.3 建設物聯網專業實驗室
　　對于物聯網工程方面的各個專業實驗室，采用如下的建設思路。
　　1) 滿足物聯網工程專業課程建設需要。滿足物聯網技術基礎導論、物聯網感知技術基礎、嵌入式系統原理、無線自組織網絡、M2M技術概論、物聯網感知技術、FPAG原理及應用、DSP原理及應用等專業核心課程的需要。學生通過物聯網實驗，可以更好地感知物聯網，增強學習興趣。
　　2) 充分利用現有資源，建立具有良好展示性效果的物聯網平臺。在物聯網工程專業的實驗室建立過程中，一方面可以購買物聯網實驗設備，更為重要的一方面是在原有物聯網技術的基礎上，轉化科研成果，使之應用于物聯網工程專業實驗設備，配套編制實驗手冊，從而整個專業實驗凸顯特色和亮點。
　　3) 注重與原有實驗室資源的集成。物聯網本質
　　
　　上是多種技術的集成，原有計算機專業的信息安全實驗室、軟件能力綜合訓練開放實驗室等均可以與物聯網工程專業實驗室集成起來，使得設備與實驗打通，不重復投資。同時，充分利用校園網內的計算環境，力爭形成云計算環境，從而實現物聯網從底層感知到中間網絡傳輸以及上層云計算的整體物聯網環境。
　　4) 以學科研究和行業背景為基礎，建設面向行業特色的綜合實驗平臺。具體包括面向航天的高可信嵌入式技術為代表的可信物聯網節點技術綜合實驗平臺；面向航空制造的大飛機結構監測的智能無線傳感網絡系統綜合實驗平臺；面向民航管理的機場噪聲感知與分析系統綜合實驗平臺。
　　2.4 設計實踐教學內容
　　在物聯網專業課程實驗教學內容上，一是突出知識的綜合運用能力培養，二是突出物聯網工程系
　　
　　統分析設計能力培養，圍繞物聯網基礎技術及其專業方向，設立多個實驗項目。三是突出團隊精神和創新能力培養，鼓勵學生結合科研項目開展創新性課題研究，使學生受到嚴格的工程訓練，強化培養了學生的科研素養、工程實踐能力、創新能力和團隊協作能力。
　　在物聯網專業實踐教學方面，新增的基礎實驗內容主要包括感知實驗、接入實驗和綜合應用實驗(如圖3所示)。
　　物聯網傳感技術實驗包括傳感器實驗和傳感網實驗。傳感器實驗重點在于掌握傳感器的應用，能夠完成接口電路設計、傳感器信息采集和信號分析。傳感網實驗讓學生著重學習傳感網絡相關知識，能夠進行通信網絡拓撲結構、通信幀結構設計、通信協議分析和簡單的通信協議設計。
　　
　　物聯網接入技術教學實驗中包含多種射頻識別和傳感器節點以及路由器網絡等硬件，以及網絡協議的和數據采集控制軟件。可以在ARM處理器為內核的網關上，完成多種無線網絡管理、傳感器和射頻識別信息處理，通過不同無線和有線網絡路徑，將數據傳輸到物聯網的中心服務器數據庫和互聯網；并利用網絡監控軟件，在PC上完成網絡監控、網絡維護和數據庫管理。
　　物聯網應用實驗包括傳感器、網絡、數字控制系統、應用軟件系統等各個組成環節，模擬物聯網的真實應用，能夠讓學生對物聯網的各種組件和應用有更為深刻的理解。
　　在具體的實驗教學體系中，把課程實驗分為必做實驗和選做實驗，進行分層次的教學。第一層次為基本驗證型實驗。結合物聯網最基本的“感知”特征，首先讓學生能夠感知物聯網。這些感知由課程的基本實驗課完成，對理論教學的單點理論、知識、概念進行認知、驗證、操作訓練，加深對課堂理論教學各知識點、概念的理解和鞏固。第二層次為綜合型實驗，實驗內容覆蓋課程的多個知識點，進一步加深知識體系的理解和運用，做到融會貫通。第三層次為設計型實驗，給定明確的實驗目標，要求學生運用一門或幾門相關課程理論、知識、概念、技術，進行系統分析和設計，提高系統實現能力。第四層次為研究創新型實驗，為部分優秀學生設置，他們可以根據自己的愛好進入實驗室，特別是創新實驗室或大學生科技中心完成自己擬定的課題和學生創新基金項目，或參加教師的科研項目。
　　
　　這種分層次多類別的實驗教學體系，一方面能夠保證進入該體系的學生具有基本的實踐能力，達到基本的專業要求；另一方面，為學有余力的學生提供了創新實踐的平臺，達到因材施教的目的。
　　2.5 開放實驗，服務本碩
　　物聯網工程的實踐教學平臺不僅能夠服務于物聯網專業，由于其專業實驗的設置是以網絡為基礎，因此計算機網絡的教學實踐也可以充分利用其實驗環境，培養本科生的工程實踐能力和研究生的科研能力。
　　
　　圖4是目前計算機網絡方面的實驗內容，從類型來看主要包含：軟件編程、軟件配置和硬件配置[5]。實驗的主體是對路由器、交換機、防火墻的基本配置和安全設置，內容上側重了有線網絡的組網及工程應用。圖3中物聯網實驗教學內容的“接入實驗”部分，包含了無線局域網Wi-Fi、無線廣域網GPRS和3G的組網、路由配置和測試，并且有Android開發平臺，可以開發基于手機的各種應用，這些內容都可以充實到計算機網絡實驗教學內容中，既可以提高學生的學習興趣，又可以使其對網絡有更深入的理解。
　　在實驗課程之外，學生可以加做或補做任何課程實驗，也可以做自己設計的實驗，或根據自己的興趣進行相關的設計創新。對于優秀學生和研究生，可以進一步通過學生創新基金項目和參與教師科研課題而進入創新實驗室進行研究和開發。創新實驗室采用以學生管理為主、教師管理為輔的管理模式，每天都有專人(學生)在實驗室值班，進行日常管理，在培養學生創新能力的同時，也鍛煉了他們實驗室維護與管理的能力。
　　3 結語
　　物聯網作為新興的產業和專業，其技術涉及多個學科，因此通過實踐教學將這些跨學科知識的融合和貫通尤為重要。我們將通過提供優質的實驗條件和豐富的實驗資源，進行多層次的實踐教學。在整個實踐教學體系中包括了整體知識體系的構建和基本工程能力訓練，通過多種實踐環節培養學生的工程素質、實踐能力和創新意識，為培養高素質應用型人才、復合型人才和拔尖創新人才培養奠定堅實基礎。該實踐體系還能夠為計算機專業學生提供更為專業的網絡實驗平臺，為培養學生發揮更大的作用。
　　今后我們將不斷在教學實踐中積累經驗，發展、完善該實踐教學體系，并根據業界發展趨勢調整教學和實驗內容，將物聯網技術發展與教學相結合，加強對學生專業能力的培養。
　　
　　參考文獻：
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