基于Sakai的物聯網專業課程開放式教學系統

柴建偉

物聯網專業在我國設置年限較短，教學過程中存在很多突出性問題，特別是學生學習興趣不高、實踐能力不強、學習資源不足、缺乏學習自主性和創新意識。本文依據物聯網專業課程特點，探討利用Sakai網絡教學平臺的強大功能支持，構建一個適用與專業教學需要的開放式教學系統，來充分融合課上、課下的各種教學資源，讓學生能夠在一個相對開放自主的環境下，主動去學習和分享更多的專業知識。

隨著李克強總理2015年在政府工作報告中首次提出“互聯網+”行動計劃，國家開始大力推動移動互聯網技術、云計算、大數據應用技術、物聯網等技術與現代制造業的結合。現在，“互聯網+”正走向“深度融合”時期，“互聯網+教育”是其中很重要的應用領域，具有良好的發展前景。開放式教學是“互聯網+”背景下，深入推進教育教學改革，提升教學質量的重要方式，通過開放式教學的實施，能夠讓學生有更多的自主選擇，更好地激發學習興趣，同時也可以幫助其鍛煉自主思維能力、材料搜集整理和表達能力、團隊合作能力、自我創新能力等。本文基于廊坊燕京職業技術學院物聯網應用技術專業實際情況，探討搭建開放式教學系統。

一、物聯網專業教學現狀

我國物聯網相關專業設立至今不到10年的時間，其課程體系、師資隊伍、教學資源建設均處于起步階段。且大部分物聯網專業的課程都具有實踐性較強、學科跨度較大、新技術不斷涌現等特點，要求物聯網專業學生，除了掌握必備的專業理論知識之外，必須通過豐富的課程實踐來提高專業技能、培養自學和創新的能力。然而，在多年相關專業課程教學工作過程中，我們發現高職院校物聯網應用技術專業的實踐教學工作面臨如下難點：

實訓室的實訓設備大多采用實驗箱的形式，很多技術環節和應用模塊均被生產廠家封閉，以“黑盒”的形式供教師和學生們使用。這種情況下，即便設備所能提供的實驗數量眾多，但其中大多數是極為簡單的基礎類驗證性的實驗，比如：RFID實訓中的低頻、高頻、超高頻實訓項目，基本只能完成相應頻段射頻卡的讀、寫操作，對學生專業知識的理解益處不是很大。即便實驗箱提供了原理機實驗模塊，其設計仍然顯得過于封閉和抽象，學生無法深入形象地了解其內部工作原理，更沒辦法親自設計卡和讀寫器電路，老師和學生的自主設計權太少。

實訓內容多出自實訓設備附帶的實訓指導書，然而教學內容多選自市場上已發行的數量和類型不是很豐富的教材，很多時候會出現內容不一致的情況，給教與學增加了一定的不便利性，增大課程開發的難度和工作量。即便是老師知道一些更新、更適合教學的小型硬件平臺，但是由于采購經費，學生個人購買意愿不同等問題，不便于大規模推廣應用，而如果能通過一個平臺，讓大家分享這些資料和學習情況，就可以滿足有學習意愿的同學的需要。

物聯網技術發展日新月異，老師在學校教授的一些實踐技能，學生接觸到的一些實訓設備，可能已經是相關行業落后甚至是已經淘汰的。比方嵌入式實訓設備中采用TI公司的CORTEX-A8系列OMAP3530處理器，在設備采購的時候已經算是最新技術產品，然而產品的生命周期預計在5年左右，隨著設備使用時間的推遲，必將面臨淘汰的問題，學校的設備更新卻無法跟上技術的發展。

通過近五六年的專業教學實踐，筆者發現學生的課堂學習效果不盡如人意，有時候會出現上課走神、甚至玩手機、聊天、聽音樂、看視頻等無法完全融入課堂教學過程的現象。作為高職學生，無論是普高起點的還是職高起點的，普遍具有學習基礎薄弱、學習能力不強、缺乏正確的學習方法、厭學心理明顯、自主學習能力差、熱衷上網娛樂、熱衷參加各類感興趣的社團活動等特點。因此，單純依靠傳統的授課方式已不能滿足專業授課需要。

二、系統功能分析與設計

本文利用Sakai網絡教學平臺的強大功能支持，結合高職物聯網專業課程的特點，進行二次開發構建一個開放式教學系統，來充分融合課上、課下的各種教學資源，讓學生能夠在一個相對開放自主的環境下，主動去學習和分享更多的專業知識，更好地提高個人的專業技能。系統設計時應重點解決下面幾個問題：

如何提高學生學習的主動性，增加課程的粘度。目前，已應用的網絡教學平臺多偏重于資源的羅列，缺乏趣味性和吸引力，學生往往是被迫參與進來，缺乏學習的積極性和主動性，且無法較長時間堅持下來，師生之間、生生之間互動交流較少。為此，參考游戲化理念進行系統的設計，將游戲中的激勵、競爭、協作、難度遞增、循環設計等機制引入課程設計。首先，對系統中的教學資源進行優化配置，主要選擇一些實踐性強，具有較大獲得感的教學任務。然后按照任務的難易程度進行分類，分別賦予不同的完成分值，對于實在完成不了的任務可以尋求同學或者老師幫忙，也可以通過學習相關知識點來提升自身，從而拿到分值。只有拿到足夠的分值，才能進行難度更大任務的學習，如果分值不夠，可以通過向系統中補充相關知識，來獲得分值獎勵。另外，幫助別人解決問題，不但可以增加成就感，而且也能獲得分值獎勵。同時系統向老師和同學們展示分值排行情況，高分的同學不但能得到老師更多的關注和獎勵，而且能夠收到更多的求助信息，從而晉級更快，低分的同學在競爭對比之下，也會不斷充實自己獲取晉級。當學生晉級到某種程度的時候，就可以開啟新的課程模塊，而當所有的課程模塊都完成之后，就可以申請考試，考試通過則課程的開放式教學環節完成。

如何實現教學方法多樣化。不同的課程、不同的教學單元甚至同一門課程的同一個教學單元中都可能采取不同的教學方法。系統中通過允許上傳視頻資料的形式支持講授法和演示法；通過設定教學任務相關資料的形式支持發現法和探究法；通過設置不同課程模塊、不同難度等級的任務以及各課程模塊的小測驗來支持練習法；系統允許進行學生分組，并能在討論區進行問題探討來支持討論法；系統允許將課程劃分為不同的單元，將每個單元劃分成不同的任務，或者直接將課程設定成不同的任務來實施，支持任務驅動法；系統參考游戲化設計理念，為開放式的網絡教學系統，支持自主學習法。

如何進行課程考核。課程的考核分為過程性考核和終結性考核兩部分，老師可以設定各部分考核的權重。過程性考核可以選擇性地依據學生的學習參與度，包括學習過程中分值的多少、幫助同學正確解決問題的情況、已完成任務難度情況、對任務相關知識的補充數量和質量情況等。終結性考核可以參考課程考試時間和考試成績。最后將網絡教學系統中獲得的成績和課上成績綜合起來，給出學生本門課程的總評成績。

如何融入學生的創新培養。搭建專門的雙創模塊，包括：政策文件、技術論壇、雙創活動、創意點子匯、咨詢郵箱等構成部分，用于為學生提供創新創業的相關資料以及交流平臺。并通過線上線下的定期不定期組織的各種交流活動，便于及時發現好的想法和項目，鼓勵大學生的創新創業。

在此開放式教學系統中，主要包含四大功能模塊，分別是系統注冊登錄退出模塊、系統管理員管理模塊、教師管理模塊和學生管理模塊，其中每一個模塊下又包含若干子模塊，系統的功能結構如圖1所示。

三、系統技術分析與設計

系統作為學生開展網絡學習的載體，并且是教師進行線上教學與輔導的平臺，必須滿足以下技術要求：

系統架構合理，支持大規模并發訪問。必須保障當有大批量老師和同學們同時使用時，系統能夠穩定運行。

模塊化代碼設計，便于擴展和維護。模塊化的好處是各個模塊相對獨立，功能簡單，可以提高代碼重用性，便于團隊合作，也有利于系統功能的擴展和系統的運行維護。

系統穩定性高，兼容電腦和手機端多平臺應用。有些情況下，學生采用電腦上網不太方便，如果系統能夠同時支持手機和其他智能終端的應用，將可以提供更便利的服務。

系統開發成本低，技術難度適中。本系統開發人員均為高校教師，工作精力、工作時間和可投入資金有限，在技術選擇上需考慮實際情況。

因此本文選擇在已有課程與教學管理系統的基礎之上進行二次開發，來實現系統需求。通過對目前在用的教學管理平臺包括：Sakai、Coursera、Moodel、OpenedX、Udacity、愛課程、網易云課堂、學堂在線等的對比和分析，選擇由美國印第安納大學、密西根大學、斯坦福大學和麻省理工學院發起的貼合高校教學需求，免費開源的Sakai平臺來進行系統設計。Sakai提供了一個功能強大的教學平臺，基本能夠滿足日常教學環境中的各種需求，包括課程開設、資料發布、在線討論、在線作業、在線考試、Wiki，統計等各項功能。

Sakai平臺是基于J2EE企業級應用架構，使用Java代碼編寫的面向服務的應用程序，支持插件結構，便于定制所需要的系統功能。Sakai平臺采用分層設計思想，其各層所用技術如圖2所示。

要進行Sakai網絡教學平臺的二次開發，首先需要下載、編譯并部署Sakai源代碼，在此基礎之上，按照其對外提供的API接口，完成Sakai平臺上的一些工具或者插件的開發。本系統的實現，采用JDK開發工具包進行Java編程，使用Apache Maven來管理項目，Web服務器選用Tomcat，數據庫選用Sakai平臺支持的小型免費數據庫MySOL。在此環境下，通過完成定制工具的開發，來完成系統所需部分擴展功能。

采用開放式教學系統輔助物聯網應用技術專業的教學，雖然前期課程開發工作量較大，但是其應用效果顯著，能夠更好地激發學生自主學習的熱情，幫助更多學生在專業學習中找到自己的興趣點和方向，極大的提高了學生的專業實踐能力、自主學習能力和創新思維意識。我們下一步的工作方向是開發更多、更優質的教學資源來擴充系統，使其為更多感興趣的學生服務。