面向“應用型”人才培養的物聯網工程教學體系探索

摘 要：物聯網專業是國家新設置的學科專業方向，由于物聯網涉及檢測、計算機、網絡通信、操作系統、電子技術、控制等多領域的知識，而且每個學校對物聯網的切入點也不一樣，都處于探索階段。文章以培養應用型人才為目的，結合物聯網應用的廣泛性、多樣性和寬領域，探討了物聯網教學中課程平臺、實驗平臺、實踐平臺的統一建設和學生的分層、分類培養，以及實現物聯網教學中的理論課程、實驗/實踐教學環節和產學研合作的一體化教學思路。

關鍵詞：課程體系；教學模式；平臺建設；分層/分類培養

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B 文章編號：2095-1302（2014）01-0077-03

0 引 言

物聯網是繼計算機、互聯網、移動通信網之后的又一次信息產業浪潮。代表了未來網絡的發展趨勢與方向，政府大力支持物聯網的發展，企業和教育界、科技界共同推動，物聯網產業已經成為國家戰略性新興產業，需要大量熟悉和精通物聯網的專業人才[1，2]。在此背景下，北京聯合大學自動化學院對2011版自動化專業培養計劃進行了修訂，在 “智能測控技術”專業方向的基礎上建立了“信息處理與物聯網技術”方向[3]。

1 專業現狀與背景分析

原“智能測控技術”專業方向以信息的采集和處理為主，課程主要包括檢測技術、傳感器原理及應用、智能儀器、計算機控制技術以及LabVIEW技術等，是傳統的專業方向，課程的覆蓋面較窄，偏重于系統前端的硬件采集原理，系統的概念較為薄弱；從人才培養的角度來看，已經滿足不了厚基礎、寬口徑的人才需求，學生掌握知識的集成度不高。為了既保持傳統的經典知識內容，又要為課程體系增加新的特色和先進內容，將傳統的專業方向賦予時代意義，使學生們真正學以致用，“信息處理與物聯網技術”專業方向應運而生。

“智能測控技術”和“信息處理與物聯網技術”并不是割裂的，前者是后者的基礎，后者是前者的延續和拓展。從技術的角度上講，物聯網分成三個層次[4，5]，即感知層、網絡層、應用層，形成了物聯網的體系架構。物聯網的感知層涉及到傳感網技術，會有多種傳感器應用其中，正是“智能測控技術”方向的核心內容；物聯網的應用層是多種信息的智能處理技術，也是“智能測控技術”方向的主要內容，它們被物聯網網絡層連接，即新的專業方向加入無線傳感網等新知識、新技術，形成物聯網系統體系的概念。

我們的教學理念在于從一個大系統的角度看待物聯網，利用物聯網實現系統的集成創新應用和信息化服務。以物聯網體系框架為依托，實現信息的采集、傳輸、有用信息的提取和整理、以及完成相應的控制和信息應用，重點突出無線傳感網和應用層設計，及物聯網的行業應用和信息化服務。因此本課程體系的設置將突出系統網絡架構、選擇物聯網關鍵技術，并將物聯網技術與經典的檢測及控制方法相結合，實現物聯網的多領域應用[6，7]。以物聯網為載體，培養學生的創新意識，增強學生的實踐動手能力，提高學生專業綜合素質。

2 課程體系設置

“信息處理與物聯網技術”專業方向設置在自動化學院，因此它的應用特色非常鮮明。課程體系的設置如圖1所示，加強了實驗/實踐環節的內容設置。其中，理論教學是基礎，對物聯網的體系結構、關鍵技術和相關領域的典型應用形成完整的闡述，實驗教學作為理論課程的延伸，是抽象到具體的過程，試驗環節的設置按照物聯網的體系結構，完成由下而上的知識獲取和驗證；物聯網作為一種實用技術，讓學生去感受、去體驗、去親自動手設計和實現一個系統更是至關重要的。通過實踐環節中的認識實踐，學生去企業參觀感受，體會知識的力量和企業文化，培養對專業的認知和信心；工作實踐則更近了一步，利用假期時間到相關企業中從事基礎和簡單的專業工作，深化所學知識的專業應用技能；請工程師或行業企業從業者走進學校的課堂，結合實際的應用案例，為學生出題和指導，進行專業綜合訓練，為學生的實際設計能力和實際動手能力培養打造了平臺，提供了方向。理論教學、實驗教學、案例教學和各個實踐環節相結合，增加課程的實用性。為應用型人才的培養奠定了基礎。

2.1 理論課程

集成了多種新知識和新技術的應用，涉及的知識點眾多，作為系統的學習和設計，理論教學中課程內容的銜接、承上啟下的課程安排非常重要；理論課程包括基礎課程（也稱為學科大類課程）和專業課程[1]。

本專業方向偏重于傳感檢測、無線網絡的設計以及行業應用，尤其是工業物聯網的兩化（信息化、自動化）融合，因此在限選課中還有相關行業技術應用課程：虛擬儀器技術、現場總線技術等。任選課作為專業限選課的補充，完善物聯網的設計和應用。

通過理論課的學習，學生將會對知識融會貫通，對信息處理和物聯網的應用體系和架構充分了解，具有物聯網系統的理念和基本的組網設計能力。但是在實際應用中，需要將多門課程、甚至多學科的知識融為一體，去設計、安裝、調試、運行一套系統。這種靈活運用所學知識于實際系統的能力，是真正的學以致用的體現。因此實驗室建設、實驗基地建設和實驗項目開發，對于學生消化、理解理論知識和培養實際動手能力至關重要。

2.2 實驗室建設

圖2所示是物聯網專業方向的實驗室建設框架，實驗室建設與課程設置緊密相連，并考慮到學生的分層教學以及科研平臺的擴展性。利用已申請的中央財政支持地方高校專項資金，正在籌建支撐“物聯網技術及應用”、“無線通信和無線網絡基礎”及“物聯網應用層系統設計”等課程的課內實驗平臺，包括三個模塊：第一是物聯網技術基礎實驗模塊； 第二是無線傳感網開發設計模塊；第三是物聯網技術沉浸式體驗模塊。其中第一和第二模塊在教學上采用學生熟悉的C或C++語言實現節點和無線網的設計，網關采用Linux、andor兩種操作系統，學生可以根據自己的基礎和喜好選擇；第三模塊是智能家居（體驗）實驗室，根據家居實景建立的物聯網系統，可以實現燈光、安防、煙感、窗簾、空調等家居設備的遠程控制。此系統采用最適合無線傳感網絡的Tiny OS操作系統，可以作為學生初識物聯網系統的感性認識體驗模塊，也可以作為教師、學生進行科研開發的平臺。目前在建實驗室物流綜合實驗室和未來超市都是物聯網在行業中的具體應用，提供學生進行專業綜合訓練。

課程的實驗內容全部以實際系統為主，綜合訓練學生的系統設計、軟件編程和系統調試能力，包括對傳感/變送器的選取、信號的采集與處理方法、無線傳感網組網技術、物聯網應用層設計、針對不同領域執行器的選擇等；并將先進的虛擬儀器技術與物聯網應用相結合作為物聯網的信息處理方式，培養學生設計智能儀器的開放性創新能力。通過實際項目訓練，學生可以完成從了解任務的需求、根據需求制定系統方案、在最佳性價比的基礎上選型系統的硬件配置、組網，到應用所學知識編制合理的軟件程序，并具有系統調試、通過系統運行結果分析問題、定位問題、以及解決問題的專業核心能力。

2.3 實踐基地建設

物聯網工程技術是集成的信息/控制服務系統，可以應用于不同的行業和領域。據報道目前物聯網專業的人才缺口近20萬，因此培養適合于企業的應用型人才就是物聯網專業的人才培養目標。產學研的辦學模式是企業和學校快速溝通、共建共贏的很好方法。在課程建設、實驗室建設的同時，積極與企業聯系，建設校外實踐教學基地是專業方向建設的重要環節。同時在我們的教學計劃中還有工作實踐的內容，建設實踐基地也為學生的工作實踐提供了場所和條件。利用北京市高新企業多，許多區縣建立數字北京、智慧北京的物聯網項目的機會，與企業和公司合作，進行橫向項目的開發和實踐基地的建設。選派學生到相應的公司企業進行畢業設計，不但使學生掌握了物聯網技術、熟悉了企業的運行模式，還可以為企業提供專業的人才，實現企業與學生的雙向選擇。

3 教學模式的探索

物聯網教學涉及的知識點眾多，學生直接進行理論課的學習難免感覺枯燥和凌亂；但物聯網的應用可以無所不在、生動有趣，這樣的特點決定了我們在教學時可以先引起學生的興趣，讓他們明白所學可以如何用。因此在課程的安排上首先是導論和浸入式體驗的認識實踐，然后才是相關專業課的學習和實驗，并在第六個學期進行工作實踐，加深專業知識的應用，第七學期開設專業綜合訓練，學生進行設計性、應用性訓練，形成物聯網系統。圖3所示是學校物聯網方向的教學進程圖。

4 結 語

物聯網技術的課程設置應當具有以下特色：

第一是先進。課程設置針對目前最熱門的集成技術應用—物聯網系統的設計及應用，是傳感技術、計算機技術、網絡技術和信息控制技術的發展方向，體現了先進技術的特質；

其次就是實用。課程設置和內容將重點突出實用性，理論是基礎，實用是根本。強調實驗環節，以增強學生的實踐動手能力和畢業后對崗位的適應能力為宗旨，突出重點，強調實用。

第三是靈活。不但體現在課堂上課程設置的靈活性，也顯示了物聯網學習的靈活性。以物聯網體系框架為依托，重點突出無線傳感網和應用層設計及工業物聯網的應用。學生可以根據實際系統的需要靈活配置。強調培養學生靈活思維，突出創造性和創新意識，是學生綜合素質的體現。

最后是深入。課程的工程性、實用性、設計性很強，也有許多公司會舉辦大型的物聯網設計大賽，因此可以為有興趣的同學開辟第二課堂，通過指導學生參加相關專業的科技競賽帶動大家的學習熱情，深入理解本門課的內容。

參 考 文 獻

[1] 王志良，閆紀錚.普通高等學校物聯網工程專業知識體系和課程規劃[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[2] 王志良，石志國.物聯網工程導論[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[3] 教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導委員會.高等學校物聯網工程專業實踐教學體系與規范[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4] 張光會，余晃晶.試論物聯網工程專業的人才素質和培養目標[J].科技信息，20ll（11）： 216-217.

[5] 沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報，2009，29（6）：1-11.

[6] 秦磊華，張海珍，石柯，等. 物聯網導論課程實驗教學探究[J].實驗室研究與探索.2012 31（6）：150-151.

[7] 劉佳，劉柏全.宋鐵成，等.一種物聯網教學實驗系統的設計與實現[J].電氣電子教學學報，2010，32 （6）：89-92.