物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)“起承轉(zhuǎn)合”式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

李仲生?黃同成?劉錦江

摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容覆蓋面太寬、內(nèi)容綜合性很強(qiáng)等難點(diǎn)，考慮到學(xué)生特別是地方本科院校學(xué)生的基礎(chǔ)現(xiàn)狀，吸取CDIO國(guó)際工程教育改革成果的教學(xué)理念，提出了一種“起承轉(zhuǎn)合”式實(shí)踐教學(xué)模型。模型以讓教師教得輕松、學(xué)生學(xué)得明白為宗旨，可用于明確物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)思路和精化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；CDIO；實(shí)踐教學(xué)；精化

作者簡(jiǎn)介：李仲生（1967-），男，湖南邵陽(yáng)人，邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系，副教授；黃同成（1964-），男，湖南邵陽(yáng)人，邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系，教授。（湖南 邵陽(yáng) 422000）

基金項(xiàng)目：本文系邵陽(yáng)學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013JG28）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）15-0124-02

物聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)為第三次信息化產(chǎn)業(yè)革命性發(fā)展的浪潮。胡錦濤同志在中國(guó)科學(xué)院第十五次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十次院士大會(huì)上發(fā)表重要講話，指出“要抓住新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇，創(chuàng)新信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，發(fā)展和普及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加快發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”。[1]為此，作為新興產(chǎn)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)急需大量專(zhuān)業(yè)人才，有著巨大的人才缺口。這種缺口，既體現(xiàn)在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)理論研究的精英的需求上，更體現(xiàn)在對(duì)有一定理論基礎(chǔ)、動(dòng)手能力強(qiáng)的工程型的物聯(lián)網(wǎng)人才的需求上。從當(dāng)前的實(shí)際就業(yè)形勢(shì)看，大學(xué)培養(yǎng)的、可用得上的工程型的物聯(lián)網(wǎng)人才遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)的需求。造成這種情況的原因主要有兩個(gè)：一是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的勢(shì)頭太猛，各大學(xué)都是自2010年起才開(kāi)始上物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)，被物聯(lián)網(wǎng)大潮沖了個(gè)措手不及；二是物聯(lián)網(wǎng)所覆蓋的知識(shí)面廣，形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如何將呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的知識(shí)傳授給學(xué)生，讓學(xué)生學(xué)有所獲，特別是讓學(xué)生擁有動(dòng)手能力，是個(gè)大難題。

面對(duì)這個(gè)難題，不同的學(xué)校采取了不同的對(duì)策，于是有了五花八門(mén)的理論和實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，目前依舊處在百花齊放的狀態(tài)中。[2]面對(duì)這個(gè)難題，眾多的研究者各抒已見(jiàn)，從不同角度做了各有見(jiàn)地的探索。有研究者根據(jù)數(shù)據(jù)自底向上的流向，將成網(wǎng)狀幾乎無(wú)所不包的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做了層次化，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層，有效地簡(jiǎn)化了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模型，為物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的開(kāi)展提供了方向性的指引。[3]有研究者參照CDIO（conceive構(gòu)思，design設(shè)計(jì)，implement實(shí)現(xiàn)，operate動(dòng)作）國(guó)際工程教育改革成果，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，以此指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，這些研究者高屋建瓴，從宏觀上把握住了物聯(lián)網(wǎng)工程的實(shí)踐教學(xué)。[1]為了增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的可操作性，此處以物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施為著眼點(diǎn)，以知識(shí)的復(fù)雜度及學(xué)生的興趣、感受、參與力等為主要考察指標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)在關(guān)聯(lián)做線，讓各項(xiàng)目有機(jī)地形成一種“起承轉(zhuǎn)合”結(jié)構(gòu)，探索一種能讓學(xué)生潛移默化地參與進(jìn)來(lái)的實(shí)踐教學(xué)路子。

一、物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)所面對(duì)的問(wèn)題

第一，將面對(duì)有限的財(cái)力、時(shí)間和近于無(wú)限的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容之間的矛盾。物聯(lián)網(wǎng)有以下定義：將有自我標(biāo)示、感知和智能的物理實(shí)體基于標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議連接，構(gòu)成信息空間和物理世界之間融合的信息系統(tǒng)。這個(gè)定義的外延是：兩個(gè)空間融合形成的信息系統(tǒng)。再看定義的內(nèi)涵：基于標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議；被連接的物理實(shí)體有自我標(biāo)示、感知和智能能力。定義的外延和內(nèi)涵展示出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)覆蓋的廣度和內(nèi)容的深度。圖1依據(jù)文[3]所述的三層模型和物聯(lián)網(wǎng)定義，將網(wǎng)絡(luò)層細(xì)化為傳輸和支撐技術(shù)兩層，給出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系描述。

圖1展示出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合性和幾乎無(wú)處不在性，這給物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了近于無(wú)窮的選擇。為了約束物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，《高等學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專(zhuān)業(yè)規(guī)范》將物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的知識(shí)單元分成核心知識(shí)、基礎(chǔ)知識(shí)和領(lǐng)域應(yīng)用知識(shí)三大類(lèi)，有指導(dǎo)意義，但三大類(lèi)中依舊有著眾多選擇可能，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五花八門(mén)，要完全覆蓋是不可能的。要大致覆蓋一方面需要學(xué)校投入巨量資金，另一方面需要學(xué)生投入遠(yuǎn)超過(guò)四年的時(shí)間，這都是不現(xiàn)實(shí)的。

第二，將面對(duì)學(xué)生的有限基礎(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高度綜合性之間的矛盾。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的是有自我標(biāo)示、感知和智能能力的物理實(shí)體，這些物理實(shí)體還得基于標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議互聯(lián)起來(lái)，這一層層疊加，給物聯(lián)網(wǎng)的幾乎每一個(gè)技術(shù)點(diǎn)都帶來(lái)了高度的綜合性。以Zigbee感知實(shí)驗(yàn)為例，有以下基本步驟：串行接口連線、網(wǎng)絡(luò)接口連線、系統(tǒng)初始化、虛擬機(jī)的安裝和設(shè)置、程序編寫(xiě)、不同平臺(tái)間數(shù)據(jù)的傳遞。涉及的主要知識(shí)點(diǎn)有：計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)；網(wǎng)絡(luò)知識(shí)；傳感器知識(shí)；虛擬技術(shù)；軟件開(kāi)發(fā)知識(shí)。如此強(qiáng)的綜合性，要讓基礎(chǔ)有限的學(xué)生理解并接受，是件十分繁瑣又艱難的事，對(duì)地方本科院校，這種艱難更加突出。

第三，將面對(duì)非專(zhuān)業(yè)師資與物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的強(qiáng)專(zhuān)業(yè)性之間的矛盾。物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)自2010年起在我國(guó)開(kāi)設(shè)，現(xiàn)在加入物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)行列的師資中并沒(méi)有正式物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)的本科生、碩士生、博士生，而是來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)相近的專(zhuān)業(yè)。面對(duì)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐教學(xué)，他們還需要摸索，需要積累。

第四，將面對(duì)理論教學(xué)的分散性和實(shí)踐教學(xué)的綜合性的矛盾。物聯(lián)網(wǎng)的廣泛覆蓋性使得物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著高度的綜合性，如前已述及，單純一個(gè)實(shí)驗(yàn)就可能涉及到傳感器知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)知識(shí)、電子技術(shù)、軟件編程知識(shí)等。這些知識(shí)分別由不同的課程完成傳授，課程分散在不同的學(xué)期，或者是在同一個(gè)學(xué)期但由不同的教師分別教學(xué)，這種課程分散性給學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、知其然且知其所以然地完成實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了困難。

第五，將面對(duì)學(xué)校教學(xué)強(qiáng)調(diào)消化理論與實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)調(diào)效益的矛盾。從課時(shí)分配看，學(xué)校教學(xué)以理論為主。比如：“ZigBee技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)40個(gè)課時(shí)，其中理論32節(jié)，實(shí)驗(yàn)8節(jié)；“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)54個(gè)課時(shí)，理論46節(jié)，實(shí)驗(yàn)8節(jié)；“M2M技術(shù)”56個(gè)課時(shí)，理論48節(jié)，實(shí)驗(yàn)8節(jié)。等等。以上數(shù)字是通過(guò)對(duì)前幾批開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的大學(xué)教學(xué)計(jì)劃做平均得到的，課時(shí)分配體現(xiàn)出了大學(xué)以理論教學(xué)為目標(biāo)的特點(diǎn)。但作為一門(mén)新興技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)根植于實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)對(duì)技術(shù)的綜合運(yùn)用、產(chǎn)生效益，與大學(xué)教學(xué)的目標(biāo)并不一致。如何協(xié)調(diào)好這種不一致，將直接關(guān)系到學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

二、“起承轉(zhuǎn)合”式實(shí)踐教學(xué)結(jié)構(gòu)

在物聯(lián)聯(lián)實(shí)踐教學(xué)的眾多矛盾中，主要矛盾就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容近于無(wú)限而學(xué)校財(cái)力、學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間都是有限的，解決了這個(gè)主要矛盾，其他矛盾也將迎刃而解。利用有限財(cái)力、在有限時(shí)間內(nèi)能否學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而有所收獲？答案是肯定的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如同一座寬闊、巍峨的書(shū)山，“書(shū)山有路勤為徑”，目標(biāo)是山頂，教學(xué)者不必帶著學(xué)生走遍整個(gè)書(shū)山，只要帶著學(xué)生們找到一條上山的路走到山頂即可。那么，怎樣找到這條路？如果這種路存在許多條（物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的情況就是如此，可參見(jiàn)圖1），哪一條是捷徑？經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐摸索，為了讓“教師講得輕松，學(xué)生學(xué)得明白”，我們認(rèn)為可采用以下“起承轉(zhuǎn)合”模式精選教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施教學(xué)，尋找抵達(dá)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之頂?shù)慕輳健?/p>

起。一遍文章的“起”很重要，開(kāi)個(gè)好頭，設(shè)下懸念，讀者才有興趣看下去。物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)的“起”更重要，是學(xué)生興趣的源頭、思考的標(biāo)的、奮斗的目標(biāo)。如何才能“起”得好？有諺語(yǔ)云：“我聽(tīng)到的會(huì)忘掉，我看到的能記住，我做過(guò)的才真正明白”。語(yǔ)言相對(duì)來(lái)講是抽象的，現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景對(duì)人的感受來(lái)說(shuō)，自然深刻一些，如果是一些很特殊的場(chǎng)景，就有可能讓人一見(jiàn)難忘。物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)若是在學(xué)生一入校時(shí)，給學(xué)生提供一些特殊的場(chǎng)景（比如各類(lèi)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演示）見(jiàn)識(shí)一下，就能有助于學(xué)生明白“到大學(xué)為的是什么”，為后續(xù)相對(duì)枯燥的基礎(chǔ)課程助力。當(dāng)然，這種演示是有選擇性的，具體的選擇標(biāo)準(zhǔn)是：所在學(xué)校準(zhǔn)備讓學(xué)生沿著哪一個(gè)方向（或哪一個(gè)行業(yè)）登上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這座山的峰。

承。沿著所選擇的方向組織基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。“承”要完成的工作是：在“起”引起學(xué)生們的興趣后，讓學(xué)生明白“起”所展示的一切是怎么取得的，也就是說(shuō)，從相應(yīng)的技術(shù)點(diǎn)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，消化所學(xué)的基礎(chǔ)課程，為后期綜合性較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做預(yù)備。這一個(gè)階段的內(nèi)容選擇是個(gè)難點(diǎn)：忌多，忌泛，在滿(mǎn)足后續(xù)實(shí)驗(yàn)支撐需求的情況下，盡量簡(jiǎn)化，最大限度地讓老師教起來(lái)輕松、學(xué)生學(xué)起來(lái)大部分人能明白。老師們有這么個(gè)共識(shí)：學(xué)生能不能學(xué)下去，關(guān)鍵在于他當(dāng)前能不能明白，有過(guò)幾次不明白的時(shí)候后，學(xué)生的興趣就會(huì)蕩然無(wú)存。

轉(zhuǎn)。在有足夠、適用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)支撐后，進(jìn)入第三個(gè)階段——“轉(zhuǎn)”。這一階段的內(nèi)容就是物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合性較強(qiáng)。在選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)，一般應(yīng)遵循以下原則：視學(xué)生情況定實(shí)驗(yàn)難度，重基礎(chǔ)，重有仿照內(nèi)容的。為了讓老師的表述更清晰、學(xué)生的興趣不受到打擊，內(nèi)容切忌過(guò)繁、過(guò)深。在譚浩強(qiáng)老師的C語(yǔ)言書(shū)中，存在眾多復(fù)雜的C語(yǔ)言知識(shí)提都沒(méi)提，學(xué)生學(xué)了后照樣可編寫(xiě)程序，這一點(diǎn)，值得物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)借鑒。

合。如同寫(xiě)一遍文章時(shí)的首尾呼應(yīng)，“合”做的工作是，讓學(xué)生們部分或全部地實(shí)現(xiàn)在“起”階段所看到的工程，也就是說(shuō)，將“承”“轉(zhuǎn)”兩個(gè)階段所得到的知識(shí)用于工程實(shí)踐。如果起、承、轉(zhuǎn)三個(gè)階段的內(nèi)容選擇方向明確、難易適度，到達(dá)“合”階段后，學(xué)生的興趣就會(huì)很高。“我做過(guò)的才真正明白”，學(xué)生若能獨(dú)立完成工程項(xiàng)目，從學(xué)校教學(xué)角度而言，學(xué)生就到達(dá)了教學(xué)要求的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這座“山”的頂點(diǎn)，教學(xué)也就實(shí)現(xiàn)了它的目標(biāo)。

總而言之，以上“起承轉(zhuǎn)合”結(jié)構(gòu)的核心是去繁取精，定方向找捷徑，讓教師輕松學(xué)生學(xué)得明白。

三、“起承轉(zhuǎn)合”式實(shí)踐教學(xué)組織示例

一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著廣泛的技術(shù)覆蓋，這為教學(xué)內(nèi)容選擇帶來(lái)了難度。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的最終成果以工程項(xiàng)目的形式體現(xiàn)，這為探究簡(jiǎn)化教學(xué)模式提供了依據(jù)和方向。不同的方向選擇將體現(xiàn)出不同學(xué)校的教學(xué)特色，圖2是以物聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)作為突破方向的一種物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起承轉(zhuǎn)合模式的扼要介紹。

以上教學(xué)模式實(shí)施要成功，關(guān)鍵在于內(nèi)容的選擇精簡(jiǎn)，切忌讓學(xué)生走馬觀花、眼花繚亂。在有限的時(shí)間內(nèi)講千個(gè)問(wèn)題學(xué)生一個(gè)都沒(méi)懂不如講十個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生懂上六七個(gè)。顯然，基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)在各個(gè)方向上有著幾乎一致的共性，如果學(xué)生真正從物聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)找到了突破口學(xué)明白了，要轉(zhuǎn)到其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工程或科研領(lǐng)域，也是有基礎(chǔ)的。

四、結(jié)語(yǔ)

以讓教師講得輕松、學(xué)生尤其是地方本科院校基礎(chǔ)相對(duì)較弱的學(xué)生學(xué)得明白為目標(biāo)，為簡(jiǎn)化、高效化物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，本文引出了一種“起承轉(zhuǎn)合”式物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式。為使這種教學(xué)模式高效實(shí)施，現(xiàn)在急需與之配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教材，我們將為之努力，也盼望得到教師同行和企業(yè)工程師們的支持。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：劉輝）