以綜合型項目開發為驅動的物聯網教學模式探索

陳志奎，劉 旸，王 雷

（大連理工大學 軟件學院，遼寧 大連 116620）

以綜合型項目開發為驅動的物聯網教學模式探索

陳志奎，劉 旸，王 雷

（大連理工大學 軟件學院，遼寧 大連 116620）

隨著我國高校物聯網專業的快速推動與發展，現有的教學模式在此過程中也暴露了諸多問題。尤其是面對軟件、硬件、通信、網絡、控制、傳感等諸多領域的融合，凸顯了本科生應用工程性培養的難度。一方面學時受限，另一方面涉及的課程非常多，傳統的教學模式和內容是無法規避兩者之間矛盾的。大連理工大學軟件學院物聯網方向教學團隊經過近三年的嘗試，設計了一套以綜合型項目開發為驅動的教學模式，不再針對單一內容進行目錄式教學，而是通過項目，學生邊做邊學，教師邊講邊引導學生自學，遇到什么問題解決什么問題。教學團隊不僅自主開發了一套物聯網教學實驗平臺，也針對教學模式開發了一整套面向綜合項目開發的教學內容。通過教學實踐過程的反復摸索，獲得良好的教學效果。

物聯網；綜合項目；教學模式

一、背景

物聯網將物理世界網絡化、信息化，對傳統的分離的物理世界和信息空間實現互連和整合，代表未來網絡的發展趨勢。繼計算機、互聯網之后，物聯網引領了信息產業革命的又一次浪潮。目前，物聯網理論與技術已成為各國競爭的焦點和制高點。2005年11月在突尼斯舉行的信息社會世界峰會WSIS上國際電信聯盟ITU發布了《ITU互聯網報告2005物聯網》報告指出，無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世上萬物從輪胎到牙刷都可通過因特網主動交換，RFID、傳感器、納米、智能嵌入技術更加廣泛的應用。IBM大中華區首席執行官錢大群在2009IBM論壇上公布了名為“智能的地球”的最新策略。IBM希望“智能的地球”策略能掀起互聯網浪潮之后的又一次科技革命。歐洲智能系統集成技術平臺（EPoSS）于2008年在《Internet of Things in 2020》報告中分析預測了未來物聯網發展階段。2009年，歐盟執委會發表題為《Internet of Things-An action plan for Europe》的物聯網行動方案，描繪了物聯網技術應用的前景。韓國通信委員會于2009年出臺了《物聯網基礎設施構建基本規劃》，目標是要在已有的RFID/USN應用和實驗網條件下構建世界最先進的物聯網基礎設施、發展物聯網服務、研發物聯網技術、營造物聯網擴散環境等。2009年8月，溫家寶同志在無錫微納物聯網工程技術研究中心視察并發表重要講話，表示中國要抓住機遇，大力發展物聯網技術，并提出要在無錫建設“感知中國”中心。《物聯網產業發展研究（2010）》報告指出未來10年，中國物聯網產業將經歷應用創新、技術創新、服務創新3個階段，形成公共管理和服務、企業應用、個人和家庭應用三大細分市場。中國物聯網產業的總體規模，預計到2015年將超過1萬億、2020年將超過5萬億。隨著國家對物聯網產業的重視，物聯網相關人才的培養顯得日益緊迫，2010年7月，教育部正式公布了30所高校新設立的物聯網工程專業。同時，更多院校利用網絡工程等專業開始以物聯網方向等形式進行招生。物聯網專業作為一個涉及到計算機科學與技術、軟件工程、通信工程、電子工程、網絡工程等多專業學科的交叉專業，畢業學生可能從事傳感器制造、網絡融合、集成應用開發等多領域的工作，其涵蓋學科的多樣性、系統集成的復雜性都比較高，對學生的要求也相對較高。

二、存在問題

目前，在物聯網專業的課程體系結構中，盡管各個高校不斷創新，但依然存在著一系列問題：（1）學校的物聯網教育跟不上企業現實的需求，太多的基礎教育課時使得學生沒有時間接觸新技術。（2）教材落后于物聯網的發展，課程講授脫離物聯網工程的實際，課程體系設計不是以職業化為導向，而是以專業學術發展和研究為導向。（3）缺乏同物聯網專業相適應的培養方案和教學大綱；大綱同傳統計算機網絡方向基本一致，缺乏層次性、特色性與實用性。（4）培養出的學生脫離應用實際，學校過分的強調學習，掌握知識卻忽略了實踐，結果是培養出來的學生懂的理論知識多，但實際動手能力不強，普遍不熟悉國際物聯網標準及相關國際規范。基于以上的原因，當前網絡人才的培養偏重于學科性，而直接面向產業發展、適應企業需求且具有實際工程能力的人才缺失，這造成了學生進入企業需要一個“轉型”過程，實際上造成了企業需要人才的“滯后”。目前社會上出現大量的繼續教育機構，專門為企業培養具有較強工程實踐能力、熟悉就業單位生產模式并具有扎實理論基礎的專門人才，從中獲得高額利益。這些機構的絕大部分生源來自于高校的高年級學生。一個從正規高校畢業的學生，竟然需要經過一個沒有穩定師資和固定實驗基地和場所的社會機構“再培養”才能被社會承認。正是在這樣的背景下，大連理工大學作為首批設立物聯網專業的學校，經過三年多的教學

實踐摸索，以培養能力為導向，改革教學方式，注重實踐環節，建立與工業界接觸的渠道，從多方面培養物聯網的“卓越人才”，力求解決課堂與實踐相脫節的問題。特別是在教學內容方面，不斷推動教學模式從傳統的單一型內容向綜合型內容的過渡。圖1為自主開發的物聯網實驗平臺。

三、教學模式探索

以物聯網感知技術課程為例。在傳統模式下，根據課程進度與課程體系將教學安排分成三部分：（1）感知節點的嵌入式與基礎通信部分。該部分主要是從嵌入式基礎入手，掌握I/O、中斷、串口、定時器、“看門狗”等基礎編程，并進一步理解無線通信協議棧的體系與配置方法。（2）不同類型感知節點的應用程序部分。該部分根據培養學生不同的感知節點，開發相應的應用層程序，使得感知節點可以正常采集數據，例如溫濕度、光照、人體紅外、干簧管、超聲波等。（3）網關的嵌入式操作系統及軟件部分。該部分主要培養學生在不同嵌入式操作系統下（linux＼Andriod＼WinCE），開發人機接口軟件以及網關功能程序的能力。可見，如此之多的內容按照“目錄式”教學進度執行，教學周期將非常長，而幾部分之間的聯系會變得松散、不緊密。而且在實際教學過程中，由于學時和進度的限制，很多時候不得不使得學生“被動”的在接納，幾乎無法調動學生自主學習的能力和積極性。因此，教學團隊針對這些現實問題，大膽進行嘗試，即在不講授基礎知識的情況下，直接設立綜合型項目，以學生為主體進行開發。這也是借鑒國外頂級大學本科生教學的一些理念，“說明書中的內容不應該出現在課堂”。這樣不僅能調動學生自主學習的積極性，也使得教學內容更為緊湊。我們設置了9個綜合型實踐內容：數字大棚、精確定位、公共安防、家庭醫療、智能交通、環境監測、智能控制、異構網絡和云計算。在課程中，可以將學生分為團隊，進行不同內容的系統開發。以數字大棚內容為例。首先由學生團隊確定自行查找相關資料，了解什么是數字大棚以及智慧農業？該系統需要包含哪些組件？從而確定系統開發所涉及的硬件與軟件。比如，經過某組學生的調研，他們的系統需要實現大棚溫濕度數據、光照強度數據顯示、入侵報警和遠程控制等基本功能，并提供歷史數據記錄顯示等功能。需要的硬件環境有：計算機、ARM11開發板、人體紅外節點、光照節點、繼電器節點、協調器節點。軟件開發方面需要在ARM11開發板上使用Linux2.28+Qt4.7運行庫作為網關系統的載體，并使用QtCreater開發及調試網關應用圖形界面。傳感器節點使用ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0協議棧，IAR作為開發環境。在確定開發的軟硬件環境后，學生團隊需要自行根據技術手冊、參考書等進行每一階段的開發。比如如何連接硬件、如何在ZStack協議棧中添加驅動，何如在協議棧中添加應用層代碼，網關是如何采集到傳感器數據的，如何設計出美觀的Qt圖形界面等。如圖2。

再以公共安防為例。經過另一組學生的團隊調研，該系統需要實現如燃氣檢測、紅外檢測、蜂鳴報警和短信報警的基本功能，并提供簡單的日志記錄服務。需要的硬件環境有：計算機、ARM11開發板、人體紅外節點、GPRS節點、可燃氣體節點、蜂鳴器節點、協調器節點。軟件開發方面同樣需要在ARM11開發板上使用Linux2.28+Qt4.7運行庫作為網關系統的載體，并使用QtCreater開發及調試網關應用圖形界面。傳感器節點使用ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0協議棧，IAR作為開發環境。如圖3。

可見兩組綜合實驗在軟件方面基本一致，而硬件只是在傳感器類型上有所不同，因此在開發過程中兩個團隊會產生共性問題，這時需要指導教師針對共性問題進行統一講解。而兩個團隊項目的不同之處，也會使得團隊之間無法過多依賴，注入“水分”。

四、培養階段性成果

經過3年來的教改探索，教學團隊克服了學時受限且沒有可參考成熟教學方案的不利條件，跨越式地提出了以綜合工程模式為導向的教學體系；以最大限度調動本科生的自主學習能力，激發了他們探索和克服困難的精神；使學生具備軟件、硬件開發的雙能力以及整體方案設計的能力；在項目管理模式下，鍛煉了學生的團隊協作與領導能力。圖4、

5、6，為本科生課程作品。多名物聯網方向畢業生，通過綜合工程的鍛煉和實踐，在已有成果的基礎上，選擇了通過大連理工大學軟件學院的孵化基地創業，成果得到了廣泛關注。

[1]寧煥生.RFID重大工程與國家物聯網[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]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，2012.

[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物聯網工程專業教學研究專家組.高等學校物聯網工程專業發展戰略研究報告暨專業規范[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]馬洪連.物聯網感知與控制技術[M].北京：清華大學出版社，2012.

G642.0

A

1674-9324（2014）13-0210-03

感謝大連理工大學教改重點項目“物聯網專業課程體系建設與實踐”（ZD201209）的支持。