物聯網專業理論與實踐教學體系設計

房愛東，潘正高，凌 軍，盧 彪

(宿州學院，安徽 宿州 234000)

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物聯網專業理論與實踐教學體系設計

房愛東，潘正高，凌 軍，盧 彪

(宿州學院，安徽 宿州 234000)

高校開設的物聯網專業在理論和實踐教學上仍處于一個初級階段，為了提高高校專業人才培養能力，提出了物聯網專業的理論與實踐教學體系設計。理論教學體系設計內容主要包括理論教學模塊設計和理論教學設計。實踐教學體系設計主要包括實踐教學體系的框架設計和實驗室搭建設計。理論教學和實踐教學相結合，大大提高了物聯網工程專業學生的綜合素質，滿足了物聯網技術發展對人才的市場需求。

物聯網；理論教學體系；實踐教學體系；實習實訓

0 引言

物聯網(Internet of Things，IoT)是新時代信息技術的重要發展方向之一，智慧城市、基于IoT的高新技術園區和相關軟硬件產業的大力建設促進了IoT產業鏈在我國的高速發展[1]。隨著IoT產業鏈的逐漸完善，企業對IoT人才的需求也越來越大，近年來越來越多的工科類院校相繼開設了IoT專業來應對市場的變化[2]。IoT的體系架構主要包括應用平臺、支撐平臺、傳輸平臺和感知平臺。

本文通過對IoT技術的建設體系結構的分析，對高校IoT專業的課程進行了相應的理論教學體系設計和實踐教學體系設計[3]。

1 理論教學體系設計

1.1 理論教學模塊設計

通過對IoT體系建設的四層架構的分析，我們將IoT工程專業的理論教學設計為7個教學模塊[3]。

(1)微波高頻教學模塊：包括GSM、CDMA、WDM、信號編解碼、信號放大衰弱、微波通信、高頻傳輸、信號調試和色散原理與互補等。

(2)無線網絡技術教學模塊：包括無線局域網技術、無線網絡、數據信號收發器、WIFI、藍牙和無線高級算法等。

(3)單片機和嵌入式教學模塊：包括ARM引腳連接、傳感器信號干擾控制、M2M數據存儲傳輸和長距數通、嵌入式操作系統、短距無線傳感數通和計算機嵌入網絡編程等。

(4)傳感技術教學模塊：包括電磁技術原理和結構、ARM嵌入式網關技術、微功耗802.11標準、無線傳感器網絡原理和4G技術的原理、結構等。

(5)高級網絡教學模塊：包括無線網絡拓撲、無線收發機結構的研究和開發、通信協議棧設計和低功耗加密等。

(6)RFID教學模塊：包括RFID標簽沖突算法、微控制器系統、讀卡器、GPRS技術原理、射頻識別和數據庫等。

(7)傳輸系統教學模塊：包括無線基站與終端之間的信號傳輸系統、無線基站與有線節點之間的信號傳輸系統、終端與終端的點到點信號傳輸系統和android、ios操作系統等。

1.2 理論教學設計

通過對IoT工程專業的7個理論教學模塊的分析，進行了如下的理論教學設計[4]：

(1)針對IoT技術的特點，按照應用軟件開發技術、數據支撐存儲技術(云計算、數據庫等)、無線或有線數據傳輸網絡技術和感知技術(RFID、WSN等)的知識結構體系進行教學[5]。

(2)隨著傳統互聯網技術的成熟、移動互聯網技術的快速發展、計算機網絡技術特別是無線傳輸4G、藍牙技術和物理傳感等技術的快速部署[6]，這種技術融合的趨勢變化有助于IoT工程專業的本科生充分理解理論課的教授內容與實際科技發展走向的內在聯系，為實踐課程的教學做好準備。

(3)盡量降低抽象的、過于復雜的、應用價值不高的理論知識的講授，比如適當降低計算機網絡協議低級算法、IoT低端安全技術等內容的講授。

(4)盡量提高IoT、互聯網特別是移動互聯網新技術的理論教學，比如基于安卓開發平臺的軟件開發技術、基于Apple開發平臺的軟硬件技術、基于H5操作平臺的軟硬件技術和基于PHP開發平臺的軟硬件技術等新技術的教學[7]。同時，教授課程前提供彈性的、可變的教學進度和教學內容，比如將應用聯系緊密的無線傳輸網絡技術(短距無線zigbee、長距無線LTE)、有線傳輸技術(短距有線Router、長距有線OTN)、傳輸安全技術(IPSEC、SSL、VPN)和網管技術作為理論教學的知識重點。

2 實踐教學體系設計

實踐教學體系設計主要包括2個方面：框架設計和實驗室構建設計[8]。

2.1 框架設計

實踐教學框架設計的目的主要是利用課內基礎性實驗和實踐課程基礎性設計為總體基礎，通過實習實訓和畢業設計、大學生IoT設計競賽、組網競賽、數學建模競賽和網絡安全等競賽活動提升物聯網專業本科生的創新創業能力，構建以綜合實習實訓活動為重點的實踐教學體系[3]。實踐教學的框架設計如圖1所示。

課內實驗的目的是讓學生加深鞏固對相關的理論知識的理解和掌握。這些實驗主要分為軟件和算法設計類、微電機系統設計類和嵌入式系統設計類。其中軟件和算法是實現IoT功能、決定IoT行為的主要技術，包括各種各樣的網絡計算系統和感知信息處理、交互算法、計算和優化軟件系統架構和軟件平臺研發等等。

專業課內實驗主要包括：(1)軟件開發技術。軟件建模、JAVA技術、基于android和ios平臺的APP開發技術、c語言、C++、軟件工程、智能優化算法設計和硬件系統開發等；(2)射頻識別系統開發技術。實現了傳感器系統、數據庫存儲系統、感知技術系統、藍牙、zigbee、UWB、不間斷供電系統和節能系統的統一，是微傳感智能系統的重要體現；(3)硬件開發技術。基于ARM平臺的開發技術是對硬件的功能損耗、硬件體積、硬件魯棒性和性價比的綜合比較，根據不同的軟件模塊的智能移植和剪切的嵌入式計算機技術，是實現物聯網智能化通信的重要手段。

目前，物聯網相關高新技術企業對人才的要求更注重個體的研發實踐能力和對IoT技術方向的把握，據此，學校從經費上、課程安排上大力支持IoT工程專業的學生積極參加各類基于IoT技術的競賽活動，提高學生對IoT技術的理解和應用能力。

針對IoT工程專業學生在專業技術、團隊合作精神、細致的工作方法、嚴謹的工作態度和工作經驗上存在的不足，開設了專業性較強的綜合項目實訓活動。

2.2 實驗室搭建設計

宿州學院的IoT專業的實驗室搭建設計主要包括了IoT基礎實驗室、IoT綜合實驗室和IoT項目實訓實驗室3個大類(13個小類)，如圖2所示。

IoT基礎實驗室主要包括[9]：(1)無線傳感實驗室，滿足WSN網絡技術的學習；(2)RFID實驗室，滿足了射頻識別技術的學習；(3)云計算實驗室，滿足了數據存儲技術的學習；(4)傳感器實驗室，滿足了數據采集技術的學習；(5)嵌入式實驗室，滿足了模電、數電、單片機編程等技術的學習；(6)高級軟件無線電實驗室，滿足了4G、藍牙、zigbee、網絡和軟開技術的需求。

IoT綜合實驗室主要是建設了一套以智慧校園為背景的綜合演示實訓中心，它提供了綜合IoT技術的學習平臺[10]，包括IoT傳感技術應用系統、IoT數據傳輸的無線、互聯網和有線綜合應用系統、IoT數據存儲支撐的云計算、數據庫的應用系統和應用VIEW軟件的綜合應用系統。智慧校園綜合演示實訓中心提供了一整套IoT項目的解決方案和具體應用實施方案。

IoT項目實訓實驗室能夠提供完整的、系統的綜合物聯網項目整體應用系統，主要包括[11]：基于家居的軟硬件系統實訓實驗室、基于電力網絡的軟硬件系統實訓實驗室、基于物流行業的軟硬件系統實訓實驗室、安防軟硬件系統實訓實驗室、交通軟硬件系統實訓實驗室、農業軟硬件系統實訓實驗室等。

3 結語

通過對IoT工程理論和實踐教學體系的設計與改革，提高了學生的計算機編程技術、硬件系統開發技術、創新能力、項目運作能力和科學研究能力。主要包括：(1)掌握了無線傳輸技術、射頻識別技術、傳感器技術、軟硬件系統開發技術、無線通訊組網技術等，能夠運用IoT技術完成網絡開發、網絡組網、網絡設計和網絡開局；(2)能夠很好地利用ICT融合技術和IoT技術來制定準確的項目運作周期，對IoT項目的具體實施進行整體的把握和網絡優化；(3)提高自我學習和自我發展能力，能夠適應迅猛發展的信息化技術和IoT技術，具備了一定的科研能力。

[1] 陳崢嶸,柴建偉.我國物聯網教育現狀及發展趨勢研究[J].黑龍江畜牧獸醫,2016,(12):235-237.

[2] 褚翠霞.基于物聯網的智慧校園建設與發展研究[J].中國新通信,2016,(14):86-86.

[3] 盧彪,吳孝銀,張曉梅.基于物聯網工程專業人才培養方案的教學研究[J].攀枝花學院學報,2015,(5):106-108.

[4] 趙楓朝,王勇.從《物聯網導論》的教學實踐到物聯網工程專業的專業建設[J].教育教學論壇,2013,(15):227-228.

[5] 章沖.物聯網工程導論教學初探[J].計算機光盤軟件與應用,2012,(13):248.

[6] 吳蔚.物聯網在高校教育和管理中的應用分析[J].電腦迷,2016,(7):123.

[7] 周孝元.基于物聯網技術的信息化應用研究[J].電腦知識與技術，2015,(9X):223-224.

[8] 吳房勝,李如平,徐金秀,等.高校物聯網專業人才培養模式改革創新研究[J].電腦知識與技術,2015,(8X):181-183.

[9] 王新平,王志良.物聯網工程導論課程建設與研究[J].高教學刊,2016,(20):58-59.

[10] 宮兵,趙鵬,馬吉權,等.物聯網工程實驗教學示范中心建設的研究與探索[J].黑龍江教育(理論與實踐),2016,(11):48-49.

[11] 胡海峰.物聯網工程專業實踐教學建設研究[J].電子制作,2013,(21):112.

Design of Theory and Practice Teaching Systemof the Major of Internet of Things

FANGAi-dong,PANZheng-gao,LINGJun,LUBiao

(SuzhouUniversity,Suzhou, 234000,China)

The major of Internet of things in higher education is still on a primary stage both in theoretic instruction and in practice teaching. In order to improve the ability to cultivate professional talents in colleges and universities, this paper presents a systematic design of professional theory and practice teaching. The content of theory teaching system design mainly includes: theoretical teaching module and theory teaching design. Practice teaching system design mainly includes: the framework of practical teaching system and laboratory building design. The combination of professional theory teaching and practice teaching greatly improves the comprehensive quality of Internet of things engineering majors, and satisfied the market demand for talents due to the development of Internet of things technology.

Internet of things; theory teaching system; practice teaching system; practice

2017-03-11

安徽省高等學校教學研究重大項目(2016jyxm1026)；安徽省高等學校教學研究重大項目(2016jyxm1021)；宿州學院教學研究項目(szxy2015jy12)

房愛東(1965-)，男，碩士，宿州學院信息工程學院副教授，研究方向：人工智能、模式識別。

TP393

A

1674-3229(2017)02-0108-04