物聯網工程專業硬件課程體系建設的研究

王鑫++張鈺++唐成華++劉建明

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.12.007

摘要 分析依托網絡工程專業建設的物聯網工程專業中的具體狀況，提出一種針對性的硬件課程體系，用于解決物聯網感知層相關課程薄弱這一問題，并探索其中的教改方法，簡化理論教學，設計并采用以應用為驅動的系統性實踐教學體系，建設與之配套的實驗室，循序漸進不斷線地提升鍛煉動手實踐能力，切實提高學生的綜合實力。

關鍵詞 網絡工程；物聯網工程；硬件課程體系；教學改革

中圖分類號：G642.3文獻標識碼：A

文章編號：1671-489X(2014)12-0007-04

Study on Construction of Hardware Curriculum System for Internet of Things Engineering Major//WANG Xin, ZHANG Yu, TANG Chenghua, LIU Jianming

Abstract Through analyzing the specific situation of the construction of internet of things engineering major relying on network engineering major, a targeted hardware curriculum system is proposed to solve this problem that the courses which is related to IOT perception layer is weak. This paper explores the methods of teaching reform, which is including: simplifying the theoretical teaching, designing and adopting a application-driven systematic practical teaching system and constructing laboratories which is match to the practical teaching system. By above methods, students can continuously exercise their practice ability step by step, thereby improving their own comprehensive strength.

Key words network engineering; internet of things engineering; hardware curriculum system; teaching reform

物聯網，是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網被公認為是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮，具有十分廣闊的行業前景[1]。

目前我國物聯網產業剛剛起步，相關技術人才稀缺。國內的許多高校依托自己原有的相關院系與專業，開始建立物聯網工程專業。由于依托的院系專業不同，所授課程和專業設置也各具特色[2-3]。這其中值得注意的是，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，只是其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信[4]。因此，結合多年網絡工程專業的教學經驗，筆者分析以網絡工程專業為基礎建立物聯網工程專業的可行性，重點指出其中出現的問題與不足，提出一種設置硬件課程體系的解決方案，并詳細探討其中的教學改革思路。

1 硬件課程體系的設置

物聯網工程專業是一個多學科交叉融合的專業，其中包括有網絡工程、控制系統、計算機應用技術、通信與信息系統、電子科學等[5]。按照物聯網的技術架構層級分類，其知識層次如圖1所示。

按照物聯網的技術層級（即應用層、傳輸層、感知層）的分類方式，與網絡工程的課程設置進行對比，圖2顯示了兩個專業課程設置的比較。從圖2中看出，網絡工程專業在物聯網技術的網絡層和應用層領域具有很好的研究基礎，感知層則比較缺乏，這是由于感知層更多依賴的是與硬件相關或者軟硬件結合的技術。綜上所述，以網絡工程專業為基礎建立物聯網工程專業，需要加強硬件課程的教學。在此本文提出一種針對物理網工程專業的硬件課程體系，如圖3所示。

硬件課程體系中的公共基礎課硬件課程體系中的公共基礎課包括數字電子技術、模擬電子技術、電路分析，開設這些課程旨在奠定學生的硬件知識基礎。這些課程不僅是電子科學技術和電子信息工程中的技術基礎課，也是物聯網專業中重要的技術基礎課。

硬件課程體系中的專業基礎課硬件課程體系中的專業基礎課包括傳感器技術、射頻識別（RFID）技術、微機接口技術、計算機組成和系統結構，開設這些課程的目的是培養學生物聯網專業的學術基礎。這其中計算機組成和系統結構、微機接口技術是計算科學與技術專業的核心課程，傳感器技術和無線射頻識別技術是物聯網工程專業的重要基礎課程。

硬件課程體系中的專業核心課硬件課程體系中的專業核心課包括有嵌入式系統和無線傳感器網絡。無線傳感器網絡課程重在介紹通信協議、傳感器數據融合、技術標準等知識點。嵌入式系統課程主要圍繞ARM嵌入式系統開發，幫助學生掌握芯片級開發的技術。

2 硬件課程體系的教學改革方法

重視動手實踐，精簡理論教學物聯網工程專業的培養目標是培養能夠從事物聯網領域的系統設計、系統分析、系統維護與管理和產品研發的高等工程技術人才[6]。這樣的培養目標決定了教學內容在保證學生有著扎實的理論基礎的同時，也要有較強的實踐與創新能力。本著“打牢基礎，注重實踐”的教學理念，同時考慮到硬件課程體系中的課程更多需要學生通過動手實踐參與才能真正掌握，在理論教學學時的安排上，除了公共基礎課需要的理論學時較多些外，其余課程的理論學時不會超過本課程總學時的一半。在理論教學中，不僅要讓學生熟悉該課程的基礎知識，也要培養學生的學科興趣和學習方法，使學生在接下來的實驗和實踐環節中更容易上手。

應用為驅動的實踐教學學生通過理論教學學習到了該課程的基礎知識，之后參加實驗和實踐活動。這樣的過程不僅鞏固了原先的理論基礎，也加深了認識，增強了動手能力。同時，物聯網工程專業作為一門工程類專業，其培養重點在學生的工程能力和工程素養上。因此，本文設計了以項目應用為驅動力的實踐教學體系，將項目工程實施貫穿到整個實踐教學的全過程。并且為了體現實踐教學的系統性和連貫性，對實踐教學體系做了層次劃分，如圖4所示。

硬件課程體系的實踐教學分為專業認知、基礎實驗、綜合實驗、綜合設計、實習實訓和創新創業這幾個實踐層次，形成大學四年實踐教學環節不斷線的培養過程。專業認知層次的實踐形式有認知實習和學科基礎實習實訓，讓學生對所學知識和框架有個基本感性的認識，在第一學期完成；基礎實驗和綜合實驗的實踐層次以課程實驗的形式進行，會貫穿在大學四年教學過程中完成；綜合設計層次包括課程實驗和課程設計，主要針對專業的核心課程設置，除此之還設置科研項目訓練，讓學生參與到教師的科研項目中實踐鍛煉；實習實訓層次上，設置與專業培養方向緊密結合的實訓課程，時間安排在第六學期，生產實習和畢業設計會密切聯系當前的產業形勢，讓企業參與其中，在企業的指導下進行該項實踐環節，時間分別安排在第七和第八學期；創新創業層次上，建立大學生實踐基地，以學科競賽為龍頭，提高學生創新創業能力。

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1）循序漸進的實驗設計。在對課程實驗的設計中應考慮到：一方面，物聯網工程專業屬于新辦專業，專業中的知識體系需要學生漸進性地認識了解；另一方面，隨著硬件課程體系的深入，不同課程之間的交叉和融合越來越明顯，僅憑一門課程的實驗很難讓學生全面掌握和理解技術的要領。所以，在遵循“由淺入深，循序漸進”的認知原則的前提下，設計出一種由基礎實驗、綜合實驗到設計實驗的多層次實驗，用于滿足不同階段的實驗和實踐需求，如表1所示。

實驗層次的不同，對應實驗項目和組織方式也不同。基礎性實驗主要通過實驗驗證等方式，讓學生了解熟悉方法，對自己所學課程所涉及知識范疇、技術對象和應用有一個概念性的、感知上的認識；綜合性實驗讓學生以小組形式進行，通過對物聯網中的某個功能模塊或部件進行開發優化，從而提高自己的動手實踐能力；設計性實驗通過項目方式進行，讓學生立足于物理網具體應用中某個子項目的開發，并解決項目中的實際問題，從中培養其創新性思路與方法。

在此以無線射頻識別技術課程為例，首先，在基礎認知性實驗中讓學生認識并了解無線射頻技術的原理、相關模塊的結構和使用方法；其次，通過綜合性設計實驗設計或者優化無線射頻中的應答器或者閱讀器；最后，通過創新開發性實驗設計一個基于無線射頻技術的自動信息識別子系統。

2）多元開放的課外實踐。課堂實驗受到學時、實驗場所和指導實驗教師等條件限制，學生只能在有限的空間和時間內動手實踐，無法充分發揮自身的想象力和創造力，實踐效果欠佳。因此在設計實踐教學環節時，根據硬件課程體系的特點，從最大限度調動學生自身積極性和主動性出發，為學生創造一個空間、時間上都比較自由和靈活的實踐環境。比如前文介紹的綜合性實驗和核心課程設計都需要較多的實驗時間，通過開放實驗室[7]，首先學生可以自由安排實驗，對于曾經失敗的實驗可以重做，更有助于提高自身的實驗技術水平；其次，學生可以根據自身狀況在一定的范圍內自由選擇實驗，或者自己設計實驗方案和步驟，有利于提高學生的創新熱情和能力，從而真正使課內外的實踐相互融合。讓學生參與到教師的課題項目研究中，比如校園一卡通的二次應用開發，學生不僅把自己所學的知識應用到實際項目中得到鍛煉，也從中了解到當前學科技術中最新的發展動向與趨勢，為日后的學習研究方向做好定位。讓學生參與各類學科競賽和大學生創新基地，增強學生的創新創業理念，學會分析問題和解決問題的本領，同時通過團隊合作方式提高了人際交往能力。

與實踐教學配套的物聯網實驗室建設高校實驗室是高等學校的一個重要組成部分，它的質量高低直接影響著教學質量與科研質量。實驗室水平是反映一個學校教學水平、科學技術水平和管理水平的重要標志之一[8]。為了配合硬件教學體系的實踐教學，對物聯網專業實驗室的建設做出如下設計。

1）充分利用已有的實驗資源。比如使用嵌入式實驗室、電子電路實驗室、軟件工程實驗室、網絡工程實驗室等學科專業實驗室，并在這些實驗室基礎上進行改造，建設成無線射頻識別、傳感器網絡等技術實驗室，以達到“小投入，大收益”的效果。

2）增設物聯網應用及實訓場景。建設一個覆蓋智能家居、智能建筑、機器人控制、工業監測等多個物聯網應用場景的展示環境，使學生能直觀了解物聯網產業的具體應用，并利用開放接口可進行物聯網工程的實際開發，從而讓學生在更真實的應用環境中進行開發，提升自己的實踐能力。

3）建立網絡化的開放實驗室信息管理系統。對開放實驗項目、實驗人員、儀器設備使用情況等信息進行網絡化管理，學生通過訪問該系統查詢相關的使用情況，并網上預約開放實驗室的使用申請。

3 總結

對物聯網工程專業和網絡工程專業的知識體系進行比較，分析和指出以網絡工程為基礎建立物聯網工程中感知層相關知識薄弱這一不足之處，提出并設計一種針對物聯網感知層的硬件課程體系。并根據物聯網工程專業特點和物聯網產業應用需求，對課程的教學方法做出改革：精簡理論教學，強化實踐訓練；以應用為驅動開展系統性、層次性的實踐教學，層層加深，不斷線地加強學生實踐創新能力；建設與之配套的實驗室，使實踐教學更加完備。從而真正做到鞏固課堂知識和拓寬知識面的同時，鍛煉實踐能力和創新思維，提高人才培養的質量。

參考文獻

[1]鄭小發.物聯網工程專業中高職院校教學課程實驗體系研究[J].智能處理與應用,2012(2):75-77.

[2]桂小林.物聯網技術專業課程體系探索[J].計算機教育,2010(16):1-3.

[3]馬忠梅,孫娟,李奇.物聯網工程專業課程體系與實踐探討[J].單片機與嵌入式系統應用,2011(10):1-5.

[4]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:自然科學版,2009(6):1-10.

[5]王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報,2009(12):1-7.

[6]謝秋麗,黃剛.基于物聯網人才培養與教學實踐的研究[J].軟件導刊,2011(3):44-46.

[7]陳子輝,王澤.國內高等學校實驗室開放情況調查與探索[J].實驗室科學,2008(5):4-7.

[8]宋國利,蓋功琪,蘇冬妹.開放式實驗教學模式的研究與探討[J].實驗室研究與探索,2010(2):3-8.

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1）循序漸進的實驗設計。在對課程實驗的設計中應考慮到：一方面，物聯網工程專業屬于新辦專業，專業中的知識體系需要學生漸進性地認識了解；另一方面，隨著硬件課程體系的深入，不同課程之間的交叉和融合越來越明顯，僅憑一門課程的實驗很難讓學生全面掌握和理解技術的要領。所以，在遵循“由淺入深，循序漸進”的認知原則的前提下，設計出一種由基礎實驗、綜合實驗到設計實驗的多層次實驗，用于滿足不同階段的實驗和實踐需求，如表1所示。

實驗層次的不同，對應實驗項目和組織方式也不同。基礎性實驗主要通過實驗驗證等方式，讓學生了解熟悉方法，對自己所學課程所涉及知識范疇、技術對象和應用有一個概念性的、感知上的認識；綜合性實驗讓學生以小組形式進行，通過對物聯網中的某個功能模塊或部件進行開發優化，從而提高自己的動手實踐能力；設計性實驗通過項目方式進行，讓學生立足于物理網具體應用中某個子項目的開發，并解決項目中的實際問題，從中培養其創新性思路與方法。

在此以無線射頻識別技術課程為例，首先，在基礎認知性實驗中讓學生認識并了解無線射頻技術的原理、相關模塊的結構和使用方法；其次，通過綜合性設計實驗設計或者優化無線射頻中的應答器或者閱讀器；最后，通過創新開發性實驗設計一個基于無線射頻技術的自動信息識別子系統。

2）多元開放的課外實踐。課堂實驗受到學時、實驗場所和指導實驗教師等條件限制，學生只能在有限的空間和時間內動手實踐，無法充分發揮自身的想象力和創造力，實踐效果欠佳。因此在設計實踐教學環節時，根據硬件課程體系的特點，從最大限度調動學生自身積極性和主動性出發，為學生創造一個空間、時間上都比較自由和靈活的實踐環境。比如前文介紹的綜合性實驗和核心課程設計都需要較多的實驗時間，通過開放實驗室[7]，首先學生可以自由安排實驗，對于曾經失敗的實驗可以重做，更有助于提高自身的實驗技術水平；其次，學生可以根據自身狀況在一定的范圍內自由選擇實驗，或者自己設計實驗方案和步驟，有利于提高學生的創新熱情和能力，從而真正使課內外的實踐相互融合。讓學生參與到教師的課題項目研究中，比如校園一卡通的二次應用開發，學生不僅把自己所學的知識應用到實際項目中得到鍛煉，也從中了解到當前學科技術中最新的發展動向與趨勢，為日后的學習研究方向做好定位。讓學生參與各類學科競賽和大學生創新基地，增強學生的創新創業理念，學會分析問題和解決問題的本領，同時通過團隊合作方式提高了人際交往能力。

與實踐教學配套的物聯網實驗室建設高校實驗室是高等學校的一個重要組成部分，它的質量高低直接影響著教學質量與科研質量。實驗室水平是反映一個學校教學水平、科學技術水平和管理水平的重要標志之一[8]。為了配合硬件教學體系的實踐教學，對物聯網專業實驗室的建設做出如下設計。

1）充分利用已有的實驗資源。比如使用嵌入式實驗室、電子電路實驗室、軟件工程實驗室、網絡工程實驗室等學科專業實驗室，并在這些實驗室基礎上進行改造，建設成無線射頻識別、傳感器網絡等技術實驗室，以達到“小投入，大收益”的效果。

2）增設物聯網應用及實訓場景。建設一個覆蓋智能家居、智能建筑、機器人控制、工業監測等多個物聯網應用場景的展示環境，使學生能直觀了解物聯網產業的具體應用，并利用開放接口可進行物聯網工程的實際開發，從而讓學生在更真實的應用環境中進行開發，提升自己的實踐能力。

3）建立網絡化的開放實驗室信息管理系統。對開放實驗項目、實驗人員、儀器設備使用情況等信息進行網絡化管理，學生通過訪問該系統查詢相關的使用情況，并網上預約開放實驗室的使用申請。

3 總結

對物聯網工程專業和網絡工程專業的知識體系進行比較，分析和指出以網絡工程為基礎建立物聯網工程中感知層相關知識薄弱這一不足之處，提出并設計一種針對物聯網感知層的硬件課程體系。并根據物聯網工程專業特點和物聯網產業應用需求，對課程的教學方法做出改革：精簡理論教學，強化實踐訓練；以應用為驅動開展系統性、層次性的實踐教學，層層加深，不斷線地加強學生實踐創新能力；建設與之配套的實驗室，使實踐教學更加完備。從而真正做到鞏固課堂知識和拓寬知識面的同時，鍛煉實踐能力和創新思維，提高人才培養的質量。

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[8]宋國利,蓋功琪,蘇冬妹.開放式實驗教學模式的研究與探討[J].實驗室研究與探索,2010(2):3-8.

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1）循序漸進的實驗設計。在對課程實驗的設計中應考慮到：一方面，物聯網工程專業屬于新辦專業，專業中的知識體系需要學生漸進性地認識了解；另一方面，隨著硬件課程體系的深入，不同課程之間的交叉和融合越來越明顯，僅憑一門課程的實驗很難讓學生全面掌握和理解技術的要領。所以，在遵循“由淺入深，循序漸進”的認知原則的前提下，設計出一種由基礎實驗、綜合實驗到設計實驗的多層次實驗，用于滿足不同階段的實驗和實踐需求，如表1所示。

實驗層次的不同，對應實驗項目和組織方式也不同。基礎性實驗主要通過實驗驗證等方式，讓學生了解熟悉方法，對自己所學課程所涉及知識范疇、技術對象和應用有一個概念性的、感知上的認識；綜合性實驗讓學生以小組形式進行，通過對物聯網中的某個功能模塊或部件進行開發優化，從而提高自己的動手實踐能力；設計性實驗通過項目方式進行，讓學生立足于物理網具體應用中某個子項目的開發，并解決項目中的實際問題，從中培養其創新性思路與方法。

在此以無線射頻識別技術課程為例，首先，在基礎認知性實驗中讓學生認識并了解無線射頻技術的原理、相關模塊的結構和使用方法；其次，通過綜合性設計實驗設計或者優化無線射頻中的應答器或者閱讀器；最后，通過創新開發性實驗設計一個基于無線射頻技術的自動信息識別子系統。

2）多元開放的課外實踐。課堂實驗受到學時、實驗場所和指導實驗教師等條件限制，學生只能在有限的空間和時間內動手實踐，無法充分發揮自身的想象力和創造力，實踐效果欠佳。因此在設計實踐教學環節時，根據硬件課程體系的特點，從最大限度調動學生自身積極性和主動性出發，為學生創造一個空間、時間上都比較自由和靈活的實踐環境。比如前文介紹的綜合性實驗和核心課程設計都需要較多的實驗時間，通過開放實驗室[7]，首先學生可以自由安排實驗，對于曾經失敗的實驗可以重做，更有助于提高自身的實驗技術水平；其次，學生可以根據自身狀況在一定的范圍內自由選擇實驗，或者自己設計實驗方案和步驟，有利于提高學生的創新熱情和能力，從而真正使課內外的實踐相互融合。讓學生參與到教師的課題項目研究中，比如校園一卡通的二次應用開發，學生不僅把自己所學的知識應用到實際項目中得到鍛煉，也從中了解到當前學科技術中最新的發展動向與趨勢，為日后的學習研究方向做好定位。讓學生參與各類學科競賽和大學生創新基地，增強學生的創新創業理念，學會分析問題和解決問題的本領，同時通過團隊合作方式提高了人際交往能力。

與實踐教學配套的物聯網實驗室建設高校實驗室是高等學校的一個重要組成部分，它的質量高低直接影響著教學質量與科研質量。實驗室水平是反映一個學校教學水平、科學技術水平和管理水平的重要標志之一[8]。為了配合硬件教學體系的實踐教學，對物聯網專業實驗室的建設做出如下設計。

1）充分利用已有的實驗資源。比如使用嵌入式實驗室、電子電路實驗室、軟件工程實驗室、網絡工程實驗室等學科專業實驗室，并在這些實驗室基礎上進行改造，建設成無線射頻識別、傳感器網絡等技術實驗室，以達到“小投入，大收益”的效果。

2）增設物聯網應用及實訓場景。建設一個覆蓋智能家居、智能建筑、機器人控制、工業監測等多個物聯網應用場景的展示環境，使學生能直觀了解物聯網產業的具體應用，并利用開放接口可進行物聯網工程的實際開發，從而讓學生在更真實的應用環境中進行開發，提升自己的實踐能力。

3）建立網絡化的開放實驗室信息管理系統。對開放實驗項目、實驗人員、儀器設備使用情況等信息進行網絡化管理，學生通過訪問該系統查詢相關的使用情況，并網上預約開放實驗室的使用申請。

3 總結

對物聯網工程專業和網絡工程專業的知識體系進行比較，分析和指出以網絡工程為基礎建立物聯網工程中感知層相關知識薄弱這一不足之處，提出并設計一種針對物聯網感知層的硬件課程體系。并根據物聯網工程專業特點和物聯網產業應用需求，對課程的教學方法做出改革：精簡理論教學，強化實踐訓練；以應用為驅動開展系統性、層次性的實踐教學，層層加深，不斷線地加強學生實踐創新能力；建設與之配套的實驗室，使實踐教學更加完備。從而真正做到鞏固課堂知識和拓寬知識面的同時，鍛煉實踐能力和創新思維，提高人才培養的質量。

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[6]謝秋麗,黃剛.基于物聯網人才培養與教學實踐的研究[J].軟件導刊,2011(3):44-46.

[7]陳子輝,王澤.國內高等學校實驗室開放情況調查與探索[J].實驗室科學,2008(5):4-7.

[8]宋國利,蓋功琪,蘇冬妹.開放式實驗教學模式的研究與探討[J].實驗室研究與探索,2010(2):3-8.

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