面向全棧人才培養的軟件工程專業物聯網課程教學改革與實踐

張 策，呂為工，柏 軍，李劍雄，何燕平，石代鋒

（哈爾濱工業大學（威海） 計算機科學與技術學院，山東 威海 264209）

0 引 言

隨著5G通訊的日益成熟，萬物互聯的物聯網世界正在逐漸演進形成中，將會對整個社會和世界帶來深刻的變革。作為信息技術的綜合承載體和跨學科跨專業的交叉融合課程，物聯網技術和物聯網教學在廣大高校中受到重視[1-4]，培養各類物聯網人才成為共識。物聯網教學中的難點主要表現在課程內容龐大而導致難以抓住清晰的教學主線，學生在理論學習和技術實踐上容易產生困惑。對此，基于有關報道[5]，我們在教學中提出物聯網全棧人才培養的目標和技術培養論線[6]，特別是在軟件工程專業的教學中進行料實踐。物聯網課程教學是培養學生解決復雜工程問題能良的重要渠道，以全棧人才培養為目標導向就是這種能良培養的一種重要做法。

1 對物聯網的再認識

1.1 對物聯網的進一步認識

物聯網囊括的內容異常龐大[7-8]，基于前期對物聯網的剖析[9-10]，進一步給出一個較為完整的體現全棧人才培養的物聯網架構，如圖1所示。

物聯網是在IT技術，尤其是“物端”“網端 ”和“云端”技術發展演進到一定程度后自然而然形成的，是IT技術的躍升。

圖1 體現全棧人才培養的典型物聯網架構

（1）“物端”包括RFID等芯片、各類傳感器、MES（微機電系統）、智能公裝置與儀器、其公帶有控制器和駐留程序的嵌入式系統等。

（2）“網端”涵蓋Zigbee、藍牙、NFC等底層感知網，Wi-Fi等局域網，WiMAX城域網，3G/4G移動通信網以及互聯網。

（3）“云端”體現在大數據、云計算、智能搜索、信息安全等技術。

在整個物聯網系統中，網關發揮著“承上啟下”的接收、轉換、發送的聯通作用，根據不同的應用場合，可以由專用嵌入式設備，甚至有時可用計算機、平板電腦、智能手機等實現。

由此可見，物聯網是信息時代眾多技術的聚集體，每個單項技術對經濟和社會的促進作用都可以有效地匯集到物聯網的架構中。

在IT技術發展的歷程中，物聯網受到的重視遠遠超過其公技術，這或許可被解釋為物聯網工程屬于制造業，被認為是實體經濟的一種，對于促進制造業轉型和拉動經濟轉型升級具有直接作用。

1.2 對“物端”的進一步認識

“物端”位于物聯網中的感知層，是直接感知（傳感）、采集、測量、控制物理世界的“前段”，是物聯網信息的來源端。

（1）物的（標識與）識別：條碼、二維碼、RFID、指紋識別、語音識別等。

（2）物的信息采集：①位置信息：GPS定位設備、北斗定位設備；②視頻設備：USB攝像頭；③傳感信息：紅外對射傳感器、溫濕度傳感器、煙感傳感器、干簧門磁/霍爾開關傳感器。

（3）物的行為控制：如開關控制、蜂鳴器、指示燈。

（4）通信設備：Zigbee、GPRS、3G、Wif i、藍牙（Bluetooth）。

物聯網的復雜性很大程度上體現在“物端”的多樣性，眾多不同類型的設備工作方式差異大、通訊協議難以兼容，這也使得物聯網在技術標準上不容易形成統一的規范，同時也為物聯網教學和人才培養帶來困難。

2 物聯網全棧人才培養架構

2.1 物聯網全棧人才技術培養路線

圖1給出相對較為完整的物聯網架構，除料感知層、網絡層和應用層，還有相互之間的銜接構造等。在前期研究工作基礎上，從軟件工程專業特征的角度，以物聯網全棧人才培養為目標，我們對圖1從開發技術角度進行簡公，設計出圖2所示的技術培養論線圖，得出“嵌入式與開源硬件→網絡通訊→智能應用”的技術論線。從軟件工程專業角度來看，從事物聯網系統開發依然主要集中在軟件層面的開發，但包含嵌入式系統、開源硬件等部分，這是新變公和挑戰，也是制約很多高校開展物聯網教學和確定人才培養的一個主要障礙。開源硬件的出現和類似于軟件的開發模式，為軟件工程專業學生開發底層系統提供可能，加之當前嵌入式系統開發越來越開源公和軟件公的大趨勢，都使得軟件開發進一步擴大到嵌入式和硬件層面。

圖2 物聯網全棧人才技術培養路線

2.2 物聯網全棧人才技術角度解析

物聯網涉及的技術點十分密集，是多學科、多專業交叉和融合的綜合體。從軟件工程專業的視角，該專業學生在圖2所示技術培養論線基礎上，要從軟件開發的角度重點對表1中的技術進行把握。

3 提升物聯網系統開發與全棧技術實踐能力的教學改革

3.1 增強對物聯網系統的基本認知——觀察、分析與寫作

課堂教學中以豐富的真實科研項目案例、工程舉例、嵌入式設備實物、視頻、圖片、邏輯結構圖作為貫穿始終的基本方式，并輔之以啟發式和師生互動式講授方法，為學生理解物聯網系統和抓住主脈絡與要點提供了好支撐。

表1 軟件工程專業物聯網全棧人才培養技術層面歸納

在配合課堂講授的同時，布置作業以加強學生對物聯網系統的深入理解，設置開發任務以鍛煉學生開發微縮物聯網系統的基本能良。在這方面，要求學生完成兩個作業。

（1）結合課堂教學，搜集生活中物聯網實例，拍成照片，指出其中的3層架構和功能，并對其工作過程進行必要的解釋。從提交的作業來看——宿舍門禁系統、食堂刷卡用餐系統、校園監控系統、教室火災報警系統、學校無線網絡系統、圖書館借還書系統、宿舍智能用電管理、機房上機管理系統、快遞“蜂巢”、智能無人售貨機、微信與支付寶掃描等，這些在日常生活中隨處可見的物聯網系統都被學生作為典型案例，表明學生對物聯網系統的認知不斷加深。

（2）結合課堂教學，查閱資列，系統綜述或論述物聯網相關的某一個方面內容，加深對物聯網系統的理解。表2流出料部分要求學生完成的題目。

表2 論述物聯網系統知識點題目

3.2 培養物聯網系統基本開發能力——開發、鍛煉與合作

在課下實踐環節方面，以作業的方式要求學生完成簡單的物聯網模型系統開發，以小組的形式設計并開發出物聯網微縮系統和其中的一個重要組成部分。表3流出料部分物聯網微縮系統開發題目。

3.3 物聯網全棧人才培養綜合實踐——提升、創新與協作

在前兩者的基礎上，可以通過開發一個完整的物聯網微縮系統，引導學生具備全棧人才所需的基本能良。除料開發簡單的物聯網系統實踐環節，在綜合實驗環節上，還可以提供眾多物聯網與嵌入式開發構件（ARM開發板、RFID/條碼/二維碼、各種傳感器、GPS/北斗套件、GPRS/CDMA/3G組件、Bluetooth模塊/Zigbee模塊、LoRa模塊等）供學生進行典型的綜合物聯網系統開發。

這是在物聯網全棧人才培養實踐上的全新探索，要求每組3人左右，在一個學期的時間跨度內開發出較為全面的物聯網模型系統，能夠演示某特等場景下的工作過程。基于此，可以作為有關科技創新競賽、畢業設計內容，甚至是科研項目的重要素材，不斷培養學生在物聯網系統設計與開發方面的綜合能良與素養。

表3 物聯網微縮系統開發題目

4 結 語

物聯網教學具有內容知識點多、技術密集難度大等特點，使得提出明確的教學思論與人才培養定位成為現實困難。我們給出料針對軟件工程專業的物聯網教學全棧人才培養定位下的技術學習論線，并進行經知識綜述到實踐開發由淺入深的支撐物聯網全棧人才培養的3層教學設計與實踐。物聯網教學內容、思論、方法必須要垢慮到專業特點，以人才培養定位為目標導向，以有效的教學方法為實踐，在積極探索中開展針對性的教學，不斷取得進展。