物聯網時代下在線教學平臺的研究與展望

周 力,姚茂群,劉淑婷,李怡雯

（1．杭州師范大學 國際服務工程學院，浙江 杭州 311121；2．杭州華恩教育科技有限公司，浙江 杭州 311121 ）

0 引 言

進入21世紀以來,社會正在從人與人的信息互聯服務需求快速轉換為從物聯網得到人與人、人與物、物與物的信息互聯需求,信息化正在從互聯網時代變換為物聯網時代。物聯網的出現,將會使計算機與網絡技術在更多領域有更深層次的應用,使得信息技術與人類社會的發展更為密切。物聯網將被視為計算機、互聯網之后信息產業的第三次浪潮。目前高校物聯網的教學屬于理論知識與實驗平臺相結合的教學模式,教育模式過于單一,無法與互聯網緊密結合,探討一種基于互聯網的在線物聯網教學平臺已經是培養物聯網方面人才的當務之急[1]。

1 物聯網教學存在的問題

物聯網專業作為一個通信、電子、計算機等多學科融合的綜合性學科,要求學生有扎實的理論基礎,并能自己動手完成實驗驗證相關理論?，F階段高校物聯網的教育多著眼于嵌入式教育,教學模式單一,與社會生產脫節,硬件設施也達不到物聯網發展的要求,導致學生的成長空間受到限制[2]。

1.1 實驗器材依賴性高

由于缺少經費,高校實驗設備無法及時更新?，F有的高校嵌入式實驗箱的硬件多采用ARM9系列的處理器,現階段涉及這款處理器的產品在市場上越來越少,與實際生產嚴重脫節。這些平臺單一性實驗多,綜合性開發實驗少,涉及物聯網領域里最先進的嵌入式技術的實驗內容幾乎沒有,與社會生產需求的嵌入式技術聯系較少。高校往往只會購買涉及一款處理器的實驗箱,當學生需要學習其他處理器時,如市場上比較流行的Cortex系列處理器時,往往缺少實驗設備?，F有高校對實驗室的實驗器材進行統一管理,學生無法將嵌入式實驗中的實驗箱帶出實驗室,往往只有每周上課過程中的幾次做實驗的機會,學生在課后進行嵌入式理論驗證的想法無法在第一時間得到驗證,時效性變得很差[3]。

1.2 編程語言單一

物聯網的開發應用涉及多種編程語言,在現實的生產當中會根據不同的需求選擇不同的編程語言,如物聯網的網關是對性能和資源要求更高的硬件,此項目的開發就比較適合使用像Java和Python這樣的高級語言。但目前高校的實驗箱僅支持嵌入式Linux系統,開發語言僅限于C語言和C++,學生無法用Java和Python等語言做實驗,不利于學生培養求職的競爭能力。

1.3 課程體系落后

物聯網是包括計算機網絡、電子技術、人工智能、云計算等技術為一體的綜合性技術及應用,當下高校的物聯網教學內容無法與這些新技術緊密相連。高校的物聯網相關實驗更多偏向于基礎理論的驗證,在課程的設計上,沒有實質的綜合性的項目供學生學習與研究,沒有與物聯網行業需求相結合。在物聯網越來越普及的時代,高?，F有的實驗課程不能體現“互聯網+”時代的最新應用,有很大的改革和提升空間[3]。

1.4 實踐教學欠缺

現在高校的物聯網專業教學多以理論教學為主,教師通過板書講解相關知識點,學生被動地聽,學期結束時物聯網專業相關課程的考核也以書面考試為主,學生在平常的學習當中,除了學校開設的實驗課,很少有機會接觸物聯網相關的項目,而且高校的實驗課多以簡單的嵌入式實驗為主,導致學生動手實踐能力欠缺,降低學生的積極性和熱情,在以后求職的過程當中處于不利地位。

1.5 師資力量薄弱

在我國,物聯網仍然屬于一個新興產業,現有的大部分高校開設物聯網專業的時間不長,缺少建設物聯網專業的經驗。大部分的高校教師缺乏物聯網專業的教育背景,沒有經過專業的訓練,專業學術水平較低,沒有開發大型物聯網項目的經驗,沒有足夠的實踐經驗和知識儲備,教學水平不高。

2 在線教學平臺的建設內容

在線教學平臺是以OBE教學理念為指導原則,以學生為中心衡量教學成果,以培養專業物聯網人才為主要目標的平臺,針對上述現狀,在線教學平臺主要包括虛擬仿真平臺、在線編程模塊、物聯網項目實驗、智慧輔導系統等內容,將有效改進高校物聯網教學過程當中存在的問題,在線教學平臺框架如圖1所示。

圖1 在線教學平臺整體框架圖

2.1 虛擬仿真平臺建設

物聯網的教學對硬件的依賴性較高,但高校的硬件設施又十分地單一與落后,虛擬仿真平臺的建設可以有效解決高校在物聯網的基礎教學設備方面資金投入的不足導致實驗室器材設備落后,實驗局限于嵌入式方面簡單理論的驗證,對涉及物聯網中的智能模塊的實驗束手無策等問題。將這個虛擬的仿真平臺放在服務器端,學生通過網絡訪問這個平臺。在硬件設計方面,將物聯網教學中的硬件虛擬化。平臺將在物聯網開發過程中涉及的各種開發板做成模型供學生選擇,加入開發過程涉及的各種模塊,如WiFi模塊、藍牙模塊、各類傳感器模塊等。學生學習時,只需在仿真平臺上選擇對應開發板即可,同時,與這款開發板相對應的各個芯片的數據手冊,硬件原理圖等資料也會呈現在學生面前;學生學習某個模塊時,只需將與開發板對應的模塊加入開發板即可,這大大減少了硬件成本,方便了實驗的進行,增加了學生學習知識的多樣性。物聯網專業涵蓋了多門學科的眾多課程,仿真軟件也多種多樣,選擇合適的仿真軟件對學生學習的積極性有很大的幫助,可將多種開源的虛擬仿真軟件集成到仿真平臺上,使學生可以更加直觀看到實驗結果,增加實驗的可進行性[4],部分建設內容見表1。

表1 虛擬仿真平臺建設

2.2 在線編程模塊建設

在現有的物聯網教育體系下,學生在離開實驗室后無法進行相關實驗,課后進行編程時出現的問題也無法第一時間解決。在線編程將物聯網開發過程中涉及的環境集成到服務器端,使學生可以在離開實驗室以后進行相關實驗,學生只需在PC端編寫相關實驗代碼,然后將代碼上傳至在線教學平臺,加載至平臺中的仿真模塊,結果將第一時間呈現在學生面前,降低實驗環境對學生編程的束縛,使學習者更加關注代碼本身,提升學習的效率。舉個簡單的例子,點亮開發板的led燈,學生根據這塊開發板相應的數據手冊進行編程,編譯完成后將程序上傳至平臺,由平臺呈現出實驗最后的結果。在這個在線編程過程當中,后臺的教師可以實時查看學生的代碼,根據仿真結果對學生進行指導,同時教師可以全程實時協助學生編程,使實驗過程中出現的問題能夠快速得到解決。在線編程的模式能夠支持除了C語言和C++以外的開發語言,使實驗不僅局限于Linux操作系統,也能夠支持Android移動操作系統,符合物聯網開發的實際需求[5-6]。在線編程建設構思如圖2所示。

2.3 教學改革

2.3.1 教材改革

高校物聯網的教學內容應該在原有的教學大綱的基礎之上,加入物聯網前沿知識和技術,緊跟時代的步伐,有效地結合生活中物聯網的實例,充分調動學生學習的興趣。高校的物聯網課程既要幫助學生開闊視野,又要幫助學生積累相關工作技能。在在線教學的平臺上,在原有嵌入式的課程基礎上設計相關電子教材,加入物聯網前沿知識和技術的課程,增加與物聯網結合密切的課程如大數據、人工智能等。一方面學生可以利用移動終端隨時隨地訪問在線教學平臺學習相關課程,另一方面學生學習的知識能緊貼“互聯網+”時代的發展,加大學生學習的主動性,為學生提供更多更好的學習資源。

2.3.2 實驗改革

物聯網專業是需要動手實踐的專業,現有的高校物聯網教育以理論教育為主,在涉及物聯網前沿技術編程的時候,一是高校缺少相關課程,二是受實驗條件的約束,學生在這方面的能力往往很欠缺。高校在進行物聯網專業人才培養的時候,應根據社會需求制訂科學的培養方案,增加實驗的比重,提高物聯網專業畢業生的就業能力,滿足社會對物聯網專業人才的需求。在在線教學平臺上,在原有的實驗基礎上,設計物聯網專業涉及的各個實驗課程,如網絡編程當中的TCP/IP協議、藍牙協議、WiFi協議等,學生可以根據自己對理論知識的理解,在自己的PC端進行編程,將自己的代碼傳至在線教學平臺,教師可以根據學生代碼運行的結果,對學生進行相應指導,對學生提供必要的幫助,訓練學生的動手能力。同時,教師可以將一些企業級的項目放在平臺上,讓學生以團隊的形式協作完成,增加學生項目經驗的同時,培養團隊合作的能力與意識。以智能家居中花卉監護系統為例,在平臺上模擬應用場景,包括各類傳感器,學生在PC端根據綜合傳感器采集到的數據進行編程,將編譯的程序上傳至平臺,智能控制花灑澆水。物聯網專業的實驗改革可提高教學質量,使理論與實踐高度結合,使學生對所學知識有更加深刻的認識,做到“時時學、處處學”,很好地解決高校在物聯網專業由于實驗器材不足限制學生發展的問題。實驗改革建設層次如圖3所示。

圖2 在線編程建設構思

圖3 實驗改革建設層次

2.4 智慧輔導系統建設

在互聯網快速發展的時代,利用互聯網來提高學生學習的效率,改善學生學習的方法顯得越來越重要,在線教學平臺的智慧輔導系統就是一個比較有效的手段。在課程開始之前,學生可以根據上傳的學習資料進行在線預習,方便教師教學內容的展開。在上課的過程中,教師的編碼區對所有的課堂學生可見,教師可以查看每一個學生的代碼,幫助學生發現問題。課后,教師可以在線布置作業、檢查作業,學生可以在線完成作業,教師實時將作業的結果反饋給學生,學生能在第一時間知道自己知識的掌握情況。智慧輔導系統通過數據統計和算法分析,對學生的學習過程進行分析,呈現出各個學生在學習需求、編程能力、知識水平等多方面的差異,幫助教師因材施教,使教學的科學性、有效性、針對性得到提高[6]。智慧輔導系統建設構思如圖4所示。

2.5 師資隊伍建設

圖4 智慧輔導系統建設構思

在線教學平臺不僅是一個學生學習的平臺,也是教師學習的平臺。現有高校的物聯網人才的培養和目標難以適應物聯網產業的發展要求,作為教學活動的引導者,教師要有更扎實的理論知識,更高的行業眼界。在理論知識方面,在在線教學平臺開設相關課程供教師學習來提高教師的理論水平;在實踐能力方面,在在線教學平臺上聘請企業工程師對物聯網專業教師進行專業培訓,讓教師參與到企業實際的生產活動中,提高教師的實踐能力。高校應該重在培養“雙師型”的教師,既要具備豐富的專業知識,又要具備一定的動手實踐能力,從而不斷地提高物聯網專業教學的專業性。

3 在線教學平臺建設的注意事項

(1)在原有物聯網課程的基礎上,加強其與在線教學平臺電子教材之間的聯系,通過智慧輔導系統獲取學生對在線教學平臺的反饋,根據學生的需求,對教學方法、培養模式、實驗設計等進行優化。

(2)時刻關注物聯網行業發展動態,搜集和選取在物聯網當中常用的案例,將其規劃成理論知識教學和實驗教學,放入在線教學平臺供學生學習。隨著這些案例的累積,學生能將學到的知識學以致用,增加學習的動力。

(3)將鞏固理論知識、提高動手能力、開拓行業視野、以興趣引導實驗這種培養模式應用到整個在線平臺建設的過程當中,培養出符合物聯網產業需求的技術型人才,滿足社會的需求。

(4)高校加強第二課堂的建設,加強與企業之間的合作,讓學生參與到實踐項目中去;注重教研結合,鼓勵學生參加各類物聯網相關的競賽,促進學生創新能力的增長;改革課程考核方式,增加實驗在課程考核中的比例。

4 結 語

在線教學平臺的建設有效地解決了高校在物聯網專業教學過程中資金不足、實驗器材落后單一的問題,其課程和實驗改革的方式,符合“互聯網+”背景下對物聯網創新性高技術人才的要求,開拓了學生的視野[7],可以增加學生的實踐能力,實現學生的全面發展,為高校物聯網專業人才的培養提供借鑒。

[1]領兄. 基于物聯網的圖形化虛擬仿真實驗平臺設計[J]. 現代電子技術, 2017, 40(1): 32-35, 40.

[2]黃瑜岳, 常晉義, 許秀蘭. 物聯網工程專業應用型人才培養模式研究[J]. 計算機教育, 2012(23): 58-62.

[3]孫國棟,田萱,張海燕.面向物聯網的“嵌入式系統”課程教學改革的探索[J]. 中國林業教育, 2014, 32(2): 69-71.

[4]朱靜宜.“互聯網+”背景下物聯網專業創新型高技術技能人才培養機制研究與實踐[J]. 計算機教育, 2017(12): 51-53.

[5]歐陽志友, 袁春蕾. 物聯網虛擬仿真實驗教學平臺建設研究[J]. 計算機教育, 2017(12): 155-158.

[6]何順, 張波, 王鳳領, 等. 物聯網工程專業在創新創業教育方面的改革探索[J]. 物聯網技術, 2018, 8(1): 118-120.

[7]沈珊瑚, 姚茂群. 興趣及多教學手段驅動的過程性評價模式--以嵌入式系統課程群為例[J]. 計算機教育, 2017(9): 120-123.