《物聯網應用系統設計》課程建設的探索與實踐

徐向軍 周赟山

摘要：通過對學習物聯網應用系統設計課程的學生進行分析，同時對物聯網相關企業招聘人才專業技術知識和能力的需求分析，運用項目驅動的形式作為課程載體，整合以智能家居為項目實例的典型物聯網應用項目，融合物聯網相關技術和知識，如Zigbee協議棧、無線傳感網、云計算等等，構建課程教學元素，采用課堂教學做一體化等方法，加強培養學生實戰創新的能力，試圖探索出一條學生在學習過該課程后，其物聯網專業知識和技能接近或達到物聯網相關企業專業技術人才目標崗位的能力需求標準。

關鍵詞：物聯網（IOT）；Zigbee；無線傳感網（WSN）；課程建設

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）49-0140-05

一、引言

《物聯網系統應用設計》是高職物聯網專業或應用電子技術（物聯網方向）專業開設的一門專業核心課程。它是在學生學習電工原理、模擬電子電路、數字電子線路、電子線路CAD設計、C語言程序設計、單片機應用技術、嵌入式應用技術、傳感器應用技術、RFID無線射頻識別技術與應用等課程后開設的。為了銜接現有高職學生的專業知識結構和專業技能，克服物聯網信息量廣，知識跨度大的問題，加上現有高職學生學業時間短，專業基礎知識不扎實等因素，力求以將專業知識傳授和專業動手技能相結合的原則，依據物聯網企業對人才能力的需求，通過該課程設計作為引領，在完成該課程及實訓標準后，通過課程設計及實施，努力打造出一門讓專業教師能夠上手教學與操作的，讓學生能夠掌握的，學生畢業后其能力可以滿足目標人才市場IOT知識和技能需求的課程。

二、物聯網企業目標崗位人才需求與學情教情分析

（一）學情、教情分析

《物聯網應用系統設計》是本校信息工程學院應用電子專業（物聯網方向）專業培育方案中一門核心課程，也是一門新的課程。培養物聯網企業目標崗位人才，課程建設顯得尤為重要，必須探索與時俱進的、有代表性的、實施有效的教學內容和教學方法。

從教師團隊來看，本項目具有寬泛的知識體系結構，沒有合適的參照物，如何從一望無垠的物聯網知識海洋中提煉出企業需求的必要的知識體系結構對我們的團隊是一個巨大的挑戰，同時，內容的選用、項目的應用以及軟硬件的實現，在時間短，要求高的前提下，我們面臨的是能力資本、時間資本、資金成本的多重挑戰，如何走好每一步是我們必須面對的。

從學生層面來看，學生在校期間，掌握系統知識學生的比例并不高，不同的學生偏科較為明顯，想學的就多學點，不想學的幾乎根本不學習，這將導致學生整體知識構架的不平衡，知識內容掌握的不夠穩固，從而導致基礎差，興趣低的惡性循環在整個學生團體中蔓延，努力改善教學模式或方法，加強對學生的正確引導，提升學生的專業基礎知識和專業能力及興趣是我們毋庸置疑的使命。

（二）物聯網企業目標崗位人才需求分析

隨著國家對物聯網行業的大力投入，物聯網相關企業如雨后春筍般的不斷涌現壯大，相關的社會需求也不斷的提高，但從現有的渠道來看，真正運用到實處的，即落地的項目相對偏少，原因如下：物聯網應用系統的成本相對較高，有需求的地方，如果不是具備較高實力的或利潤率較高的企業或單位是無法實施的，即使它有這個需求；此外，物聯網的應用，在技術門檻上得到了充分的體現，它的技術環節從軟件到硬件，從單一產品到系統集成，從單次的銷售完結到系統集成后長期的技術服務支持等等注定對物聯網應用系統企業的財力和技術能力要求變得異常的高。而其他物聯網相對單一產品的企業，因為沒有能力贏得最終用戶的物聯網系統應用訂單，而使得物聯網應用市場的發展在規模上受到限制。

因此，物聯網企業可以粗粗地分為兩類，請參見表1。第一類，A類企業是有物聯網系統集成的企業（大中型企業），具有系統集成所必要的資質，當然系統的集成應用開發及代表產品研發能力都是必須具備的，企業的資金、人才、資產等都是大規模的。第二類，B類企業是產品單一研發生產企業（中小型企業），也沒有足夠能力和資質去做系統集成工作，無論是資金、資產還是人才等方面都是捉襟見肘的。

目前，A類企業則是物聯網系統應用的主導單位，研發能力、系統能力、市場能力都非常有規模，企業員工的學歷要求、能力要求都比較高，高職類畢業生短時間內難以進入，此類企業相對B類企業的數量所占的比例是少的，存在的問題就是小的項目不愿做，也沒有精力去做，只是承接國家的或其他大的物聯網項目，這樣給中小物聯網企業市場應用環境構成相對薄弱狀態，即形成IOT人才和技術大基數的需求。而B類企業具有專項產品或技術的研發，此類企業更具有靈活性和創新能力，是整個物聯網市場的有生力量，盡管他們沒有能力獨立完成整個物聯網系統應用的項目，更多的時候，把自己造就成A類企業的某個或某類產品的供應商，B類企業面臨的挑戰是產品、市場、資金、人才及技術流動等。這里，為我們高職畢業生進駐物聯網企業各個目標崗位，特別是研發崗位提供了良好的空間。

按照分布的模式，預計市場上A類巨型企業的數量小于20%，B類中小企業的數量大于80%以上，物聯網市場需求，大項目的基數小于整個份額的15%或更少，小項目將大于85%或更多。因此，只要我們的學生有足夠的IOT技術知識和技術開發運用能力，是可以從容地走向物聯網企業的。

根據上述的分析，我們可以清楚地知道我們的學生直接走進企業的目標崗位有如下幾種：首先是眾多的中小物聯網相關企業，即B類企業，企業人數在150人左右或以下，這些企業所需要的核心崗位就是研發崗位，非核心的崗位有銷售崗位、質量以及生產崗位，這些崗位存在著大量的市場需求，而且由于人員不足等原因，要求進入企業的員工具備多工種的能力，就是希望所招收的員工在專業能力上既要有廣度，又要有深度。其次才是A類企業，這類企業的構建比較完整，分工比較精細，只要求你有深度就行，廣度要求相對偏弱。因此，我們的學生能夠面向的崗位僅有市場及營銷崗位、系統集成施工及相關技術支持或技術服務等崗位，這類企業中的研發崗幾乎都是被博士和碩士研究生所壟斷，本科畢業生作為研發人員都相對比較少。結論就是我們物聯網專業的畢業生走向社會，能夠走進的物聯網目標崗位包括：研發崗，市場及營銷崗、生產崗、質量崗、系統集成及監理崗、技術支持或技術服務崗。

（三）課程設計的階梯教學效果與核心目標崗位思路形成

按照物聯網專業技術的能力要求將上述目標崗位分為3類，第一類甲類：研發或研發助理崗；第二類乙類：技術支持和技術服務崗；第三類丙類：市場營銷或其他崗。所以，《物聯網應用系統設計》課程的設計的宗旨在于適應物聯網企業社會市場的需求，滿足上述闡述的典型的甲、乙、丙三類目標崗位。本課程的開發，既側重于基礎的銜接，又盡可能地做到有典型性和針對性地體現了物聯網應用系統的硬件設計、軟件設計、系統集成設計的核心要素，簡約而不簡單。在相對短暫的時間里，努力使同學們能夠通過自己的實踐，構建出物聯網應用系統的原型，掌握核心的專業技能，以滿足市場對物聯網專業人才的需求。

根據同學們先前的基礎情況、學習態度、學習能力和以往的經驗，同樣的課程教學方法和實訓鍛煉其完成后的結果是不一樣的，請參見圖1.學生專業學習狀態分析，一個班級大于30%的同學（優秀同學GS1）能夠掌握目標課程的80%或更多的課程內容；大于40%的同學（良好同學GS2）能夠掌握60%以上的課程內容，小于30%的同學（合格同學GS3）所掌握的課程內容將小于60%或更少的課程內容。在同樣的教學環境下，形成了階梯狀的教學效果，即優秀同學其目標崗位可以是甲乙丙三種崗位的物聯網相關企業，良好同學選擇目標崗位可以是乙和丙類崗位的物聯網相關企業，合格的同學則目標崗位或許只能丙類的物聯網相關企業，請參閱表1.所示。

因此，本課程的核心目標是使的優秀的同學能夠進入B類物聯網相關企業的研發崗或研發助理崗，學習的稍微弱一些的同學可以進入A或B類物聯網相關企業的技術支持或技術服務崗位，對于僅僅學習到物聯網的影響概念或知識體系比較薄弱的同學，則可以進入A或B類物聯網相關企業的市場和營銷崗或其他崗位。綜上所述，本課程設計目標崗位的核心是：研發助理崗或研發崗，此核心崗位可以包含或兼容本專業幾乎所有的技術崗位，是關鍵要素，即解決學生就業和IOT企業人才需求等問題的主要矛盾。

三、課程設計的原則與目標

（一）課程設計原則

注意銜接。課程的安排是使學生承接以往的知識并加以擴展，盡可能使學生的知識結構形成一步一個腳印，避免跳躍或根本無法逾越的尷尬局面產生，同時，保證專業學習的要求。

點面結合。從傳感器到傳感節點，再從傳感節點的兩點通信到網絡通信，從有線模式擴展為有線加無線的模式，從簡單的控制系統到數據庫應用系統。

提升興趣。以實戰項目為主線，將相關知識節點加以提煉，應用于項目的具體環節，使學生明白項目需求，強化學生們的動手能力，相對系統地完成課程內部相關項目，最大限度提升學生們的學習興趣。

提高課程實施的性價比。課程部分內容采用仿真加軟件的模式，在不影響教學質量的前提下，較大空間地降低成本。此外，關鍵部分內容，采用實物模塊學習，具體項目的構建及模塊及系統應用軟件的實現等。

面向崗位。企業的生命力在于創新和研發，本課程的教學方法側重于培養學生們進入企業后的產品項目開發的基礎能力，使其畢業后，自然適應企業的需求，并且部分優秀學生初步具有產品項目研發的基礎能力。

強化基礎。課程設計注重基礎知識的學習和鞏固，不僅僅是硬件，還包括軟件、協議、系統、測試等等相關要素，一切從基礎著手，最大限度強化基礎訓練。

融合知識。對課程的設計考慮到綜合復習和提升學生們已經學習過的多方面專業知識，包括傳感器、單片機、嵌入式、電子線路CAD、無線射頻技術及應用等等課程眾多知識的融合應用，系統引入新的知識，如Zigbee、WSN、WIFI、GPRS、藍牙、云計算、數據安全、數據融合等等。

（二）課程建設目標

通過課程教學，在專業能力上努力使學生達到：了解物聯網關鍵技術和新技術，如物聯網安全技術、數據融合技術，云計算技術等；理解物聯網近程通信相關技術，如Bluetooth藍牙技術、WiFi技術、Zigbee技術等；初步掌握物聯網系統的體系結構和基本概念；能夠理解和應用物聯網無線傳感網技術；能夠理解物聯網系統各產品的結構、參數及生產質量標準；熟練使用物聯網應用系統軟件項目開發工具IAR、Keil等；可初步承擔邊緣產品的輔助設計、參數測試或檢測等相關能力；能夠策劃、設計并實現基礎的物聯網應用系統。

通過課程教學，在方法能力上，則培養學生具有自我完善、自主學習新知識的能力。能夠通過各種渠道，獲得所需知識的能力；培養學生收集技術資料能力、撰寫技術報告、獨立工作的能力；初步培養學生計劃、組織、實施、評價的能力；培養學生科學思維、協作，創新，以適應學生職業生涯發展需要的能力。

通過課程教學，在社會能力上，則努力要求學生做到良好的與人溝通和團隊協作的能力；培養個體的自信心、進取心和責任心；能夠滿足客戶需求、按時完成項目的能力；學會計劃、組織、領導和控制能力；養成守時、自強、堅韌、創新和務實的作風。

四、課程設計最大限度滿足企業人才知識技能需求并且注重與學生現有知識和能力的銜接

從物聯網相關企業人才需求的調研及分析中，我們不難發現，企業需要的是具有一定電子及物聯網專業技術知識和專業能力的、同時具有較強自主學習能力的、肯鉆研而且肯付出敢于突破企業瓶頸的員工。

高職學生進入學校進行專業學習的時間最多也就是4～5個學期。要把他們從入校時對電子專業及物聯網技術一無所知到走出校門時培養成為能夠滿足物聯網及電子類相關企業需求的專業技術人才，這無論是對于專業建設和課程建設都是一個挑戰。為此，如何能夠尋找出一條學生可以接受，教學上可以實施，學生所學的知識和能力又被企業認可的關鍵知識和技能路徑，將成為我校應用電子專業（物聯網方向）辦學成功的標志。

按照這種思路，采用倒推的辦法，在第一學年就完成了基礎專業知識的教學，它們包括：《電子技術與實踐》、《C語言程序設計》、《電子線路CAD》、《單片機應用技術》等。而第三學期則學習完《傳感器技術與應用》、《嵌入式技術與應用》、《無線射頻識別技術》等物聯網相關課程以后，在第四學期引入《物聯網應用系統設計》課程。此時的學生對單片機、傳感器和嵌入式系統應用有一定的了解和實踐，對串口通信也有基礎鍛煉，但學生平均專業知識和技能的掌握相對而言不夠鞏固，運用點對點和點對多點的有線通信、擴展到無線通信、路由功能以及Zigbee協議棧的無線傳感網絡（WSN），使學生有一種登梯而上、循序漸進的知識和能力的成長過程，學習興趣和效果得到體現。

此外，物聯網技術運用的實質是將傳感器的數據通過有線和無線通信將數據傳輸給后臺，后臺根據應用策略，進行分析、判斷和控制等手段對收到的傳感器數據進行響應。在此之前，傳感器和后臺數據庫都已經屬于成熟的技術范疇，系統難度最大的相對而言就是數據的無差錯通信。數據通信是物聯網能夠形成的唯一橋梁，也是物聯網相關企業在這方面的技術力量相對薄弱的地方，所以，擁有各種數據通信的技術能力的企業，在市場運營中，就會有非常強的競爭性，因此，有線無線數據通信技術是企業渴望自己的技術員工所擁有的核心技術能力之一。

《物聯網應用系統設計》課程設計正是出于考慮到學生現有能力和企業核心競爭能力的無縫銜接，從有線到無線到網絡通信的構架展開的。本課程是物聯網應用系統技術的綜合體現，也是對學生入校以來所學物聯網知識及技能的檢驗和提升。在實際的課程建設和教學實施過程中，我們采用的是溫故而知新的策略以求達到完美銜接的效果。盡管學生現有的專業知識和專業能力能夠達到崗位專業基本要求的比例通常比較低，可喜的是，隨著學校層面、老師及學生等各方面積極因素的不懈努力，學生們綜合的專業知識和技能的平均水平正逐年向好。

五、課程、實訓和教學方法的選擇與構建

課程內容和實訓內容的選擇源于企業具體的實踐項目，也是按照技術的演進自然而然形成的。基本思路如下：從有線到無線；從近程到遠距；從仿真實現到軟硬件實戰；從獨立的點到點對點連成的線，再從線與線的連接形成到面，最后從不同的面構成立體的信息采集、通信網絡傳輸、智能監控的物聯網模式。此外考慮到本專業是從電子類背景走向物聯網，因此課程的重點放在了傳感節點，近程有線和無線傳輸，包括傳感器網絡的數據通信上，而對于后臺遠端的應用層及數據庫設計基本上就沒有涉及，所以，課程的項目應用重心在培養學生們對傳感器硬件的底層驅動、傳感網絡的數據傳輸，數據通信協議應用等。

由于現在的傳感器件、模擬器件、數字器件的驅動都是需要通過編程序才能完成，因此，電子類的學生需要掌握的不再僅僅是模擬數字電路了，如果軟件編程能力不行，對個人就業能力來講，就顯得格外單薄，幾乎很難找到理想的工作崗位，軟件已經成為應用電子技術專業（物聯網方向）學生不可或缺的重要專業技能之一，所以，本課程的實踐或實訓內容的前幾個模塊，如節點對節點有線或無線數據通信，節點對PC機串口有線或無線數據通信等，就是有針對性的鍛煉和提升學生們的邏輯思維和軟硬件應用開發能力的，總之就是培養和訓練電子（或物聯網相關）類學生做到“硬件須更好，軟件也不差”的理想境界。

（一）以實戰應用系統為主線，展開課程

為了培養學生理論應用于實踐的能力，課程設計以實戰應用系統為主線，展開教學，目前主要設計了三個應用系統，表2給出了物聯網應用系統設計課程的教學內容設計。

基于總線模式的智能家居監控系統。利用學生對單片機應用技術、嵌入式應用技術、無線射頻識別技術與應用、傳感器技術與應用課程的基礎學習，以Keil系統集成應用為工具，引導學生進行項目編程；完成串口點對多點通信技術；完成基于485總線的點對多點通信技術；進行通信協議設計；深入理解物聯網體系架構以及物聯網應用系統開發環境。

基于無線模式的智能家居監控系統。通過學習以nRF24L01為主導的無線通信芯片，學會SPI總線的編程與數據通信；理解無線路由協議；理解無線通信協議；了解Bluetooth藍牙技術、WiFi技術和GPRS技術。

基于Zigbee模式的智能家居監控系統。使用Zigbee無線硬件平臺；運用IAR系統集成開發工具完成Zigbee無線軟件應用；利用物聯網傳感器及檢測技術；理解Zigbee協議棧結構及原理；通過學習CC2530原理及應用；構建物聯網智能家居監控系統；了解物聯網數據安全、云計算和融合技術等。

（二）以項目團隊為抓手，提升動手實踐能力，展開實訓

通過本院物聯網研究所、本專業教研團隊和物聯網企業專家等構成的團隊對課程設計進行專門的分析和論證，構建出以下的實訓內容：

基于TI公司的Zigbee無線傳感網芯片，運用IAR開發工具，訓練學生進行物聯網芯片內部的關鍵功能的驅動編程，如定時、中斷、通信、低功耗等等；

學習并分析Zigbee協議棧，訓練學生構建基礎的無線傳感網絡的數據通信應用實踐，完成基于Zigbee的點對點和點對多點的數據通信；

最后，給出一個簡易智能家居監控系統，訓練學生團隊完成一個相對真實的物聯網應用系統環境，包括傳感采集、無線傳輸和控制執行系統。

按照上述的分析和論證，如表3所示，給出了物聯網應用實訓課程的具體內容。

（三）以檢查—反饋為主導的教學方法和手段

以項目驅動為依托，將知識點穿插其中進行學習，在完成項目的過程中，自然而然地將知識點的內容學習和吸收。項目驅動法是將項目任務進行分解，抓住關鍵的、核心的任務進行講解、分析、引導、演示、討論、互動，引領學生完成復雜的項目任務，并且拓展相關子任務讓學生自主完成，然后核查完成的結果。

應用多媒體將課件、錄像、動畫等教學資源和教學內容生動地展示給學生。激發了學生的興趣，也極大地有助于學生對知識的理解和掌握，更加加深對知識點的理解、記憶和運用。

運用課堂五步教學法，即“講解”、“跟進”、“核查”、“鞏固”、“提高”五個步驟，實現教、學、做一體化。在此過程中，運用理論和實踐相結合的理念，手把手地引導學生完成核心項目任務；添加鞏固知識、能力鍛煉的任務，要求學生個體自主完成項目分支任務，將教、學、做有機結合，使學生在教學過程中，既要動腦又要動手，不斷認知，完成了知識和技能在不斷的教學實踐中，逐漸地完成從感性認識到理性認識的升華。

六、課程建設成效

學生經過本課程118個學時（68課時學習+50課時實訓）的實際學習訓練，采用項目驅動的方式，個體學習操作配合團隊合作學習操作的模式，將教、學、做三位一體且集教學和學生能力培養相融合的模式，最大化地增強學生的學習能力與學習效果，努力將應用電子技術（物聯網方向）專業學生中不小于40%或更多的同學初步具備物聯網系統基礎構建模式的能力，能夠獨立理解互聯網絡的原理實現和實施部分或大部分相關輔助開發的工作，初步學會使用模塊化編程的方法等多種知識和技能。學生的專業學習興趣的提高，專業知識和專業能力初步滿足物聯網市場人才招聘的要求，其中10%左右的同學就業于物聯網研發崗或研發輔助崗，企業用人單位對學生的評價和用人需求越來越好，教師團隊和教師教學水平也得到充分提高，教學資源、教學網站等已初步構建。

通過不斷的努力課程建設逐步系統和完善，主要的成果有：課程實戰項目；用于實訓的應用項目基本完成過半；課件也在不斷更新完善之中；課程教案基本成型；課堂教學效果正不斷改善，實訓內容已經趨于成熟，建設了教學題庫，學生的學習興趣和實踐能力也隨之增加，已經有部分優秀畢業生進入物聯網企業的研發崗位，還有一些同學進入技術支持以及服務崗位。與此同時，初步建設了課程教學指導應用網站。

當然，由于此門課程設計的知識和能力要求都比較高，教師團隊也是在不斷學習、不斷摸索和不斷的成長過程中。特別是在項目編程實踐軟硬件實現上，常常遇到這樣或那樣的問題，一些看起來微乎其微的小問題，到最后真正解決問題時，仍然耗費教師巨大的精力和時間成本。

《物聯網應用系統設計》課程還是處在起步和發展階段，后續要做的工作非常多，最關鍵的工作就是每一個項目的設計、仿真、編程、軟硬件聯合調試、系統應用實現；還有課程課件的精細化設計安排；技術知識模塊的深入學習與消化；課程視頻的拍攝與上網等等，未來之路仍然是任重而道遠。

七、結束語

本文根據物聯網企業人才招聘目標崗位技術需求與學情、教情分析，構建物聯網應用系統設計課程的設計原則和目標，通過對專業知識、專業能力、專業目標崗位進行分析，課程設計的內容最大限度地注重學生現有知識技能水平與課程需求知識技能水平的銜接，構建出以項目為載體的課程內容和實訓內容。運用不斷改進的教學手段和方法，力求使學生在完成本課程的教學實踐后，其知識和能力水平接近或達到中小物聯網相關企業專業技術人才崗位需求的標準。

參考文獻：

[1]熊茂華.等.物聯網技術及應用開發[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2]楊恒.等.最新物聯網實用開發技術[M].北京：清華大學出版社，2012.

[3]夏華.無線通信模塊設計與物聯網應用開發[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]劉連浩.物聯網與嵌入式系統開發[M].北京：電子工業出版社，2012.

[5]陳桂友.等.物聯網智能網關設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社.2013.

[6]陳天鵝.物聯網設備編程與實施[M].北京：高等教育出版社.2014.

[7]歐陽俊.等.藍牙4.0BLE開發完全手冊物聯網開發技術實戰[M].北京：化學工業出版社.2013.

[8]Robert Faludi. Arduino無線傳感網絡實踐指南[M].北京：機械工業出版社.2013.

[9]凌陽公司.物聯網多網技術綜合教學開發平臺實驗指導書[M].北京：凌陽科技大學計劃.2013.