高職物聯網專業創客課程體系研究

胡駿 龍翔

摘 要：物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業第三次浪潮。物聯網作為一個交叉學科與具有跨界特性的“創客”擁有著相同的融合基因，在物聯網專業開展“創客”教育具有先天的優勢。在大眾創業、萬眾創新的浪潮下，構建基于物聯網創客的教育體系成為目前職業院校開展“雙創”教育的一把金鑰匙。本文就高職創客教育課程體系進行討論，提出一種融合創客教育的物聯網專業人才培養路徑。

關鍵詞：高等職業院校 物聯網 創客 課程體系

一、高職物聯網專業教育教學現狀（The current situation of teaching in the Internet of Things major）

物聯網產品開發流程通常包括需求分析、硬件和軟件并行協同開發、測試調試等階段。經過企業調研，我們將目標崗位的典型工作任務合并歸納為相關課程，并與目前高職教育水平進行量化評分，如圖1所示。

通過比較，發現目前高職物聯網教育水平與企業崗位需求還存在一定的距離。究其原因，主要包括兩個方面：物聯網技術涵蓋面極廣，融合了現有的計算機、網絡、通信、電子和控制等多項技術，入門存在一定的門檻；另一方面，高職物聯網專業生源極其復雜（中職和高中文理科學生兼收），學生英語基礎參差不齊、邏輯推理能力不強、文字錄入能力差強人意的學情也造成教學進度難以順利推進。因此，選擇一種能覆蓋物聯網專業典型工作任務，能使學生對硬件結構和電路結構有一定了解，訓練學生通過編寫程序完成功能實現的平臺作為物聯網專業教學輔助手段就顯得十分有必要[1]。

二、基于物聯網專業的創客課程介紹（Introduction to the Maker Course based on the Internet of Things）

自創客概念提出以來，各種適合非專業人士進行開發的軟硬件平臺不斷涌現。Arduino、Processing、App Inventor無疑就是其中的佼佼者，其良好的跨平臺性、豐富的生態、簡易的開發語言能顯著降低學生學習成本和時間開銷，快速切入開發流程。學習這些平臺工具，可以為高職學生專業課程的學習打下堅實的基礎。更令人驚喜的是，在進行簡單培訓后，學生可以根據自己的創意快速搭建產品原型，實現由學習者向創造者的轉變。

（一）Arduino開發平臺

Arduino作為一個基于AVR單片機開源的電子設計開發平臺，在IDE中對寄存器操作、I/O方式進行封裝，使用精簡的C/C++語言進行開發。在Arduino官方開發團隊提供的標準Arduino庫函數和第三方接口的幫助下，讓開發者把主要精力放在對傳感器數據采集處理、驅動執行器等方面上，大大縮短電子產品開發周期。正是由于Arduino定制了很多底層的設計，使得它損失了很多嵌入式開發的靈活性和效率性，在本科教育中通常不被采用，但是對于基礎薄弱的高職學生具有很大的吸引力。

以Arduino Uno開發板為例，其自帶14個數字輸入輸出引腳，6個模擬引腳，USB接口允許上位機通過IDE編寫程序直接燒寫；同時也支持I2C，UART等協議支持控制器與外圍套件和擴展板通信。簡單的硬件結構輔以外圍套件、傳感器和執行器，學生可以輕易的實現空氣質量監測系統、酒精檢測儀、溫濕度記錄儀、指紋考勤系統、超聲波測距等系統。開發這些系統原本要求開發者掌握大量的電子電路和單片機內部結構以及程序語言等背景知識，通過Arduino平臺進行輕量級開發后，一般學生都可以很容易做出讓人滿意的作品。

1.Arduino硬件開發平臺——Fritzing和123D Circuits

高職這個層次的學生最顯著的特點是感性多于理性，這種情況造成教學中學生無法將電路中各種符號與真實元器件聯系起來，這也直接影響到他們對Protel或Proteus等電子電路CAD軟件的學習。因此使用面包板搭建基本電路成為物聯網專業電類課程實踐教學一種初步有效的手段。然而，對電路進行調試是整個實踐教學過程中最令老師頭疼的事情。復雜面包板電路中，一次性上電通過的情況畢竟屬于少數，大概率情況是通過調試找出各式各樣錯誤。這樣一來，極有可能在有限的時間內，老師無法對每一位學生進行指導。在創客硬件CAD設計軟件Fritzing和Autodesk123D Circuits推出以后，這種情況得到了極大改善。

Fritzing軟件在進行電路設計的時候共有三種視圖：面包板視圖、框架結構視圖、PCB視圖。在面包板視圖中，在菜單中拖拽各種基于svg（可縮放矢量圖）格式的外觀高仿器件到面包板上，通過跳線進行連接，快速搭建電路，如圖2（a）所示；切換到框架結構視圖后，教師可以很輕易地對整個硬件系統進行分析、歸納、講解，如圖2（b）所示；在對整個硬件電路核對無誤后，在面包板視圖中對仿真視圖進行打印，并將打印的紙張貼在真實面包板上，此時進行動手搭建真實電路驗證功能性，如圖2（c）所示；所有以上步驟完成以后，工作過程很自然的過渡到PCB視圖進行輸出制版，如圖2（d）所示。Autodesk123D Circuits軟件除具有Fritzing這些特點外，還具有仿真的功能。

2.Arduino軟件開發平臺—Ardublock

Ardublock作為一種Arduino的第三方開發環境，必須依附于Arduino IDE軟件而運行。該軟件提供了一種類似于Scratch的圖形化操作界面，通過把原生的文本代碼提升為更直觀的圖形塊，開發者對圖形塊進行拼接、拖拽等操作完成整個編程過程。在此過程中，軟件內置的邏輯檢測機制會確保開發者的拼接符合規則。這樣就能避免手工敲入代碼可能帶來的語法錯誤、加快了程序開發速度。

（二）Processing交互式開發語言

Processing是一種面向視覺與交互的編程語言，是Java語言一種簡化版本。它繼承了Java跨平臺性、面向對象特性等諸多特點。最近幾年，各種不斷涌現的新技術中也不斷加強對Processing技術的融合。例如在Processing的PDE中導入對應的Android SDK，編寫的代碼即可生成為apk文件在Android手機上運行；在前端開發工具JavaScript中近期也添加了p5.js類庫，為網頁的美化、互動性的提升提供了一種新的方法。

正是Processing的簡易性和跨平臺性，在創作產品的過程中，通常被用來和開源硬件進行對接，從而能使用戶和硬件產生互動。

（三）AppInventor2移動開發平臺

App Inventor2（簡稱AI2）是一款擁有類似于Scratch的圖形化操作界面，編寫的程序具備可讀性強、拓展性好、易于維護等特點的Android 應用開發平臺。AI2中用戶只需要用鼠標拖動不同的組件和內部代碼塊，再將它們組合在一起打包生成apk。整個AI2程序設計流程如圖3所示。

使用AI2搭配Arduino可以做出硬件與移動端互動的作品。例如使用Arduino的GENUINO 101開發板連接傳感器后采集各種實時環境數據，使用藍牙與手機進行通信就可以在應用界面內顯示。整個工作流程為硬件搭建、應用界面開發、應用邏輯開發，如圖4所示。

三、融合創客課程的物聯網課程體系（Integrating the Internet of Things course system with the Maker Course）

在梳理清楚目前流行的創客課程和物聯網專業課程的內在聯系后，我們可以將創客課程融入到人才培養方案中去，對現有專業核心課程起到進行鋪墊或延展作用。以《電子技術》課程為起點，在Fritzing或者AutoDesk 123 Circuits軟件中對典型電路進行仿真的同時使學生得到元器件的認知教育；以Arduino開發板為核心，在Ardublock開發環境中讓學生理解編寫C/C#程序的邏輯和步驟，輔助自動識別模塊、無線傳感網絡模塊和傳感器套件開展物聯網核心專業課程教學，盡快打通物聯網產品設計實現路徑，使學生充分體驗到物聯網開發技術的樂趣，為專業課程教學夯實基礎。另一方面，以Java語言為程序學習核心，開設Processing及AppInventor 2課程，豐富學生的物聯網交互設計手段，為有志于軟件設計的學生開設“第二課堂”，如圖5所示。

結語（Conclusion）

本文針對目前高等職業院校物聯網專業的教學困境，提出一種融合創客課程的專業課程體系。這些創客課程對學生的學習基礎要求較弱，具有設計過程可視化，對復雜技術進行封裝等特點，十分適合目前高等職業院校的學情。

盡管如此，在開展創客課程教學的時候，還是遇到很多挑戰。例如，相應的教材市面上還不夠豐富，掌握新技術的教師還不多，創客課程的學時安排和排課順序需要進一步理順，學校層面重視程度不夠等等一系列的問題，需要在今后的工作中進一步解決。

參考文獻（References）

[1]李凌云.高職院校創客教育的價值、現狀及優化路徑[J].教育與職業，2016（24）：57-59.

[2]雒亮.開源硬件，撬動創客教育實踐的杠桿[J].中國電化教育，2015（4）：7-14.

[3]陳穎.地方農科院校大學生創新創業人才培養體系的創建與實踐[J].云南農業大學學報，2012（6）：72-76.

作者簡介

胡駿（1981—），男，碩士，講師，研究方向：物聯網技術。

龍翔（1973—），男，碩士，副教授，研究方向：計算機網絡，信息安全，物聯網技術。