面向物聯網專業的開放實踐教學模式

安 健，程錦東，桂小林，程宇森，賈曉琳

（西安交通大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710049）

0 引 言

5G 技術的應用[1]使得物聯網擁有了速度快且成本低的網絡，滿足從設備和傳感器中收集大量數據并進行處理、分析和控制的網絡需求，使得物聯網諸多應用的實現成為可能，同時IPv6協議應用后會產生大量IP 地址，使萬物互聯成為可能。在5G 時代下，物聯網將會迎來一個巨大的發展機遇，能否培養出具有扎實理論基礎、豐富實踐經驗以及具有創新性精神和前瞻性視角的高層次人才是物聯網發展的基礎和關鍵。

物聯網是基于互聯網、傳統電信網的信息承載體，通過各類傳感器采集所需的各種信息，并用無線感知節點把能夠被獨立尋址的物體相互聯接，以達到實時控制、精確管理和科學決策的目的[2]。由此可見，物聯網專業是一個多學科交叉的專業，融合了計算機技術、網絡通信、電子信息等多個學科的內容。考慮到物聯網這種多學科交叉的學科特點，惟有通過實踐教學才能使學生對知識的運用心手相應[3]。

1 物聯網實踐教學目前存在的問題

（1）盡管目前許多開設物聯網專業的高校預設了部分物聯網相關知識課程，但各課程間相對獨立，缺乏有效的關系串聯。這就導致學生在動手實踐之前，往往受限于綜合基礎能力的不足，不清楚從何處下手，無法將相對獨立的碎片化知識內容整合到實踐項目中。此外，由于學生缺乏對知識的貫通性理解和對物聯網技術結構的梳理，導致各實踐項目的可延展性差，學生無法有效利用已有知識，對實踐項目進行進一步拓展和創新，限制了學生自由創作的能力。

（2）隨著教育水平的發展，物聯網實踐教學應當與國際教學方式相對接，應對實際需求，面向未來培養人才。然而，當前仍遵循一種“總結過去式”的教育：遵循自下向上的講解原則，參考內在因果關系，按部就班地按照書本的順序依次進行教學、講解[4]；在實踐項目的選擇上，只注重所選項目能否覆蓋所學知識點，而不考慮其實用價值，從而導致所選項目大多都是老舊的經典項目，所用技術也是過時的技術，在實際工作中缺少應用之處。

目前高校的課程實驗、課程設計以及畢業設計等課題皆是小規模且實際用處較小。它們大多是為了覆蓋教學大綱的知識點而設計，在技術實現和實際應用方面都與實際需求不符。學生在做該類項目時，大多抱有完成作業的心態，因此不能激起其研究熱情和探索興趣。

（3）忽視了學生自身水平的差異性。學生自身水平的差異，主要體現在基礎水平、學習能力以及興趣傾向這3 方面。當前大學教育更多是“一刀切”的教學模式，對所有本專業的學生甚至是相關專業的學生都執行相同的培養計劃，采用“一視同仁”的教學方式，使用相同的教學方法來培養大學畢業生，較少或根本不考慮不同學生基礎、能力以及興趣的差異性。從學生角度來看，“一刀切”式的教育往往會導致學生學習進度不同，學習效果參差不齊；從教學角度來看，教學資源的分配不夠高效，不能做到因材施教。

2 物聯網開放實踐教學模式

物聯網專業是對實踐應用能力要求很高的一個專業，提高實踐應用能力最高效的方法就是實踐。新型的物聯網實踐教學模式如圖1 所示，就是在實際的項目中加深對相關知識的認識，同時發現自己知識儲備的不足，并據此進行相應知識的學習和進一步的實驗。如此反復，逐步提高物聯網工程系統分析和開發的能力。

圖1 物聯網實踐教學模式

2.1 由淺入深、由單一到綜合的課程設計

物聯網涉及多領域多學科的復雜內容，單次實踐往往無法使學生熟練掌握知識點。因此，需要通過設計相輔相成的實踐課程，漸進地培養學生的基礎知識與動手能力。每次實踐都是一個相對完整的物聯網應用，既能回顧之前學習的內容，又包括新的知識點；不僅涵蓋各種傳感器元件的使用方法，還訓練學生的軟件編程能力；不僅學會如何獲取到感知數據，還要掌握如何使用這些數據[5]。綜合對主要技術的覆蓋性和項目的可應用性，利用Arduino、樹莓派等開發板，將物聯網實踐分解出8 個實踐項目，見表1。

表1 物聯網實踐項目

表1 的實踐項目著眼于物聯網在生活中的實際應用，能夠引起學生的學習興趣，且這些項目不僅在知識上前后貫通，而且能夠組合搭配起來，應用于更廣泛的生活場景中，具體見表2。

表2 中的項目基本覆蓋了當前主流的物聯網系統架構和通信技術，由淺入深。同時，這些項目均具有良好的可延展性，學生可在課下結合自己的創意與興趣，在這些項目的基礎上進行二次開發。

在基于Arduino 開發板RFID 門禁系統的接線圖中，通過按鍵將指定IC 卡中的身份信息預存在開發板的EEPROM 中，從而實現掉電后數據不丟失；同時，通過在Arduino IDE 中編寫程序，利用振動模塊實時監測門是否出現異常振動，如果刷卡信息錯誤且出現振動，則判定為出現可疑情況，警示燈與蜂鳴器均會預警。

表2 實踐項目知識

學生通過編寫Arduino 程序，不僅增加了編寫代碼的經驗，還鍛煉了邏輯思維能力，做到軟、硬件兼通，這對于除物聯網實訓之外的學習也是有極大用處的。

2.2 以企業前沿技術為導向

物聯網專業涉及電子、通信、計算機等多個學科，而現在技術的更新迭代又十分迅速。高校教師由于并不在生產一線，所以對部分技術的發展和應用也知之甚少，因此要充分利用學校優勢與相關領域的優秀企業建立校企聯合合作關系，為大學教育提供使用前沿技術的項目支持。

使用具有前沿技術的項目來教學，在一定程度上，能夠屏蔽底層一些較為復雜的理論知識和操作，只用封裝好的操作即可實現一些功能，易于激起學生的興趣。學生甚至能以此為基礎，自主實現一些較為復雜的功能。在學生實踐逐步深入的過程中，會出現對解決問題能力的需求，學生自然會產生學習動力，由此自頂向下地學習所需知識[6]。

由企業提供前沿技術的項目作為實踐內容，能夠讓學生切實感到自己做的項目是有實際用處并且在未來工作中有實用價值的東西，而不是一個模擬的作業課題[7]。在物聯網領域，一般都是先出現需求，而后出現技術。例如，由于社會生活中的各種業務發展迅速，對于更快速、更穩定數據通信的需求也越來越大，5G 也因此應運而生。此外，當下還有很多物聯網企業根據社會生活生產中的需要和需求，涉足了諸多物聯網前沿技術，如針對物聯網即插即用軟件解決方案的物聯網平臺、結合AI 的物聯網以及通過數據集成和分析提供更高效率和生產力的工業物聯網等。目前，眾多物聯網相關企業有著豐富的創意和物聯網產品，如智能音響、可穿戴式健康設備、小型家政機器人等，這些產品涉及最新的物聯網相關知識，有著巨大的應用場景和市場前景。

通過校企合作，能夠使學生更好地捕捉當前物聯網領域的熱點，掌握物聯網技術發展的趨勢。校方在制定課程計劃時，應結合實際教學情況與學生的學習能力，將前沿技術分解到若干物聯網實踐項目中。企業也可以通過校方的研究資源探索關鍵領域的難點與問題，達到攜手共贏的目的。

在物聯網技術和人才方面，目前市場存在著巨大的缺口。這為大學教育提供了參考，使更多符合企業實際需求的人才被培養出來，而不是一種教學內容與實際需求相分離的狀態。同時，該種培養方式也可采用合作的形式，由校方和企業共同攻堅克難，探索物聯網領域的前沿與熱點問題。

2.3 分類別、分層次、立體式的培養方式

通過把學生分為不同的方向以及不同的層次，有針對性地進行教學，使學生在理解整個實踐項目的同時，做到“術業有專精”。首先是對學生的興趣方向和未來志愿分類別。為了發現并發揮出每個學生的興趣和優勢，在實踐教學中通過一個完整的綜合型項目對學生進行分流[8]，依據學生的未來志愿分出面向企業和立志科研的兩種人才。

在對學生依照興趣進行分類之后，遵循因人而異、因材施教的原則，參考多方面因素，客觀地將每個方向的學生分為3 個層次：第1 層次，相應方向的專業知識水平高，具有很強的自主學習能力和解決問題的能力，教師只需指出方向，給予必要的建議即可完成規定任務；第2 層次，相應方向的專業知識水平一般，具有一定的自主學習能力和解決問題的能力，在給予一定提示、指導后能夠完成相應任務；第3 層次，相應方向的專業知識水平較差，自主學習能力較弱，幾乎沒有獨立解決問題的能力，需教師著重進行培養。

針對面向企業和立志科研的兩類培養對象，采用更有針對性的實踐教學內容：對面向企業的學生通過校企聯合的途徑，使用企業的專向前沿項目來培養其分析和解決實際問題的能力，提高學生在工作中的競爭力；對立志科研的學生使用大創、物聯網競賽以及指導教師的縱向課題對其科研能力和創新能力進行培養。

對于企業項目和科研項目皆采取把項目進行拆分的方式，按照圖2 將其分為泛在化末端感知網絡、融合化網絡通信基礎設施和普適化應用服務支撐體系三大方向，分別由相應方向的實踐小組去完成。由指導教師將不同項目再次細分為諸多技術、任務，并對不同方向不同項目不同任務的難度和工作量進行評估，給出每個任務相應的難度系數，以作為分配任務以及評分時的參考要素[9]，綜合考慮學生層次和任務難度來分配任務。

圖2 物聯網實踐項目拆分示意圖

以一個基于Arduino 的物聯網實驗項目智能家居風扇為例，目前市面上已經有許多成熟的智能風扇產品，能夠綜合周圍環境因素和人物行為切換工作模式，實現智能化。在實訓項目中，通過在Arduino IDE 中設計代碼，使該風扇具有多種工作模式。該實訓課程既貼近我們的日常生活，又具有廣闊的應用場景，涵蓋了物聯網中的多個層次和多項技術，它的技術層次分明，便于分工，利于學生的分類別、分層次的立體性培養。物聯網實踐項目“智能風扇”層次架構如圖3 所示，感知層由溫控傳感器、紅外傳感器等多種傳感器構成，用于捕捉外部有效的各種信息。學生可以通過加入教學工具箱中其他種類的傳感器，進一步豐富感知層所能收集到的多元環境信息，同時了解并掌握各類傳感器的物理結構、使用方式和工作特性。手機作為控制指令發出端，與連接了智能風扇的Arduino 開發板進行通信，學生可以利用開發工具盒中的WiFi 模塊ESP8266 參與網絡層的搭建。物聯網實訓不僅囊括硬件方面對學生的培養，還涉及訓練學生軟件開發的能力。通過小程序開發、Android 應用程序等的編寫，各種感知數據可以在移動端實時直觀地展示。此外，在課下，學生可以思考如何使用所獲得的感知數據，例如與機器學習、數據挖掘等進行進一步結合，鼓勵學生自己進行開放式嘗試。

通過對學生的明確分工，每個模塊的開發與調試工作具體到了每個學生，既鼓勵了學生獨立開發的能力，又便于教師針對單個學生的表現給出較為準確的評價。同時，可以通過組內合作的方式，由多名學生共同完成一個完整的物聯網實訓項目，培養其團隊意識。最后，學生可在實訓項目中尋找與發掘自己的興趣點，從而在下次開發中進一步實踐。

3 結 語

在學習之初就以項目中的前沿技術為引導，激發學生的學習興趣，之后根據物聯網實訓項目的結構和受訓學生的興趣方向予以區分，以便專向培養；根據學生的興趣將學生分為3 個方向，并通過分類別、分層次的立體式教學方式對學生進行針對性教學。這種新型實踐教學模式可以使每個學生得到更加適宜的培養和指導，從而逐漸培養起學習興趣，提高了其解決實際問題的能力和工作競爭力，保證了人才培養的質量。通過更有針對性的實訓，增強了學生的動手能力，同時鍛煉了學生著眼實際解決問題的能力。

圖3 物聯網實踐項目“智能風扇”層次架構