物聯網課程教學創優探索與實踐

張 策，呂為工

（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

隨著信息與通訊技術的快速發展，特別是5G 網絡的推進，以物聯網等為代表的第三次信息化浪潮給社會經濟發展帶來巨大推動力。物聯網是可以在任何時間、任何地點實現物和物、物和人、人和物互聯互通的網絡，融合了多方面技術，成為培養計算機、電子信息通信類等方向研究生綜合設計、分析和實現復雜計算系統，以及解決復雜信息化工程問題能力的重要學科。

近年來，物聯網課程教學改革與研究主要聚焦在教學模式與方法、課程體系建設、實踐改革和學生綜合能力培養等方面。例如，文獻［4］采用SPOC+雨課堂的方式構建線上線下混合式教學模式，創新物聯網技術課程改革；文獻［5］以提升學生綜合能力為導向，注重對物聯網行業崗位核心能力的培養，從課程設計、資源開發、實踐條件、考核評價等方面建設物聯網專業課程體系；文獻［6］提出應注重應用型物聯網人才解決復雜工程問題能力的培養，強化綜合訓練與實踐，向工程教育專業認證方向靠攏；文獻［7］提出新工科背景下的物聯網工程自適應實踐教學綜合模式，對配套教學方案、教學資源和育人機制等進行了完善；文獻［8］提出應強化案例資源模塊化開發，打通實驗課程之間的壁壘，注重利用課外校外豐富的課程資源，促進物聯網實驗教學效果提升；文獻［9］面向工程教育認證，綜合改造物聯網工程專業實踐教學體系，創建了人才培養成效評價、質量監控、跟蹤反饋機制。此外，還有許多學者圍繞物聯網實驗教學方法改革、PBL 教學法創新應用、多學科融合方法運用以及工程實踐技術課程進行了探索，有效促進了物聯網學科建設。

由于物聯網知識體系龐大，涉及理論與技術較為廣泛，如何科學、合理、清晰、嚴密地規劃課程教學體系，制定并實施多種教學方法集成創優，對于提升課程教學質量與學生學習成效至關重要，是物聯網課程教學改革發展至今亟待解決的問題。迄今為止尚未有文獻對物聯網知識與內容體系進行全面、完整的設計，對教學方法的集成式創新運用也缺乏全面、深刻的論述。在前續教學改革與研究的基礎上，本文針對如何開展計算機類專業碩士研究生物聯網課程教學，如何創新教學方法以實現更有效的知識傳授、能力培養等問題進行探討，以期為更好地開展物聯網課程教學提供有益借鑒。

1 教學內容與路線規劃

1.1 教學內容整體規劃

考慮到計算機類專業碩士生已經具備較為系統的知識基礎和較強的認知能力，教學中將每一章節作為獨立專題，集成物聯網某一方面的知識。圍繞課程內容編排了12章24學時的教學內容，具體見表1。

與本科生教學相比，研究生物聯網教學更加注重內容的系統性、關聯性和邏輯性，強調基本理論與技術內涵的闡釋，將技術應用與項目開發作為重要著力點，啟發、引導和培養學生設計與開發物聯網系統的思維與創新能力，提高其在復雜計算系統需求分析、整體設計、項目開發、應用部署過程中解決復雜問題的能力。

1.2 知識體系構建

基于表1 的知識點脈絡能建立起完整的物聯網架構與技術體系。以物聯網的三層架構為基礎，測量采集物理世界信息的感知層、網絡層（傳輸層或通信層）、應用層，采用以嵌入式系統或微機電系統為核心的軟硬件綜合體，以連接和傳輸為核心的網絡層和上層應用軟件綜合構建出物聯網系統的知識體系。同時，限于課時并考慮到對已講授內容的留白，有些教學內容沒有講授，通過課下網絡共享的方式留給學生自主學習。

1.3 教學路線規劃

課程教學內容圍繞以下幾個路線進行講解：①以數據的生命周期為線索進行講解，包括數據的產生、傳感/測量、匯聚、融合、傳輸、存儲、加工、展示等；②以物聯網的基本架構（即體系結構）為線索進行講解，著重指出雖然物聯網至今沒有統一的架構、組成和協議等，但在某些細分領域或行業內，物聯網有相對一致的規范；③以不斷深化對物聯網的形態認識為線索進行講解，例如WSN、RFID、M2M 均為物聯網，要著力把握物聯網系統的本質；④以工程案例或真實項目為牽引，注重引導學生加深對物聯網在生產生活中應用的認知，增強其對這一復雜計算系統的開發能力。以上路線基本形成了物聯網系統工作的全過程。

2 教學方法整體創優

2.1 對比性教學方法

互聯網信息主要通過人工采集后錄入到計算機系統中，物聯網則直接感知物理世界，實現信息的自動采集、傳輸、處理。由于物聯網是在信息與通訊技術發展到較高程度后被學術界和產業界提出，支撐物聯網3 層架構的技術眾多，實現相同模塊或系統功能的技術也相對豐富，這使得在教學中使用對比性方法講解多種同類技術成為自然之選（見表2）。

2.1.1 物聯網的起源場景與表現形式

物聯網是典型的、復雜的計算機綜合系統，教學中將其概括為由感知層、網絡層與應用層構成的整體架構。為了幫助學生更好地理解物聯網內涵，采用對比性教學方法對3 種典型的物聯網系統進行類比講解。圖1 展示了以WSN、RFID 和M2M 為例進行對比講解的思路，有助于學生快速理解物聯網的起源場景，對于掌握物聯網形態演進具有重要啟發作用。

感知層是物聯網的前端，代表著設備（Device），可以抽象為“端”；網絡層（通信層）是物聯網的中部，代表著連接（Connection），可以抽象為“網”；應用層是物聯網的后端，代表著管理（Management），通常部署在云平臺上，可以抽象為“云”。如此便可得到若干個從不同角度對物聯網進行概括或總結的詞匯，分別為物聯網、IoT、WSN、RFID、M2M、DCM、云網端，從而深化學生對物聯網內涵的認識。

2.1.2 物聯網感知層技術

感知層是物聯網直接與物理世界進行交流的部分，主要用于傳感物理世界信息和控制硬件結構工作。感知層中的設備通常采用無線方式連接，由于具有短距離、低速度、低功耗、低成本、低復雜度等特征而被稱為無線個域網，即線低速網絡。不同機構先后研發了一系列無線個域網的同類技術，通常包括藍牙Bluetooth（包括低功耗藍牙BLE）、紫蜂ZigBee、紅外通訊技術IrDA、近距離通信技術NFC、超寬帶UWB、HomeRF、Z-wave、Thread 8 種無線通信方式。

基于此，教學中要向學生特別指出，感知層內部通常采用上述無線通信方式實現模塊之間的連接與信息傳輸，因此感知層內部是有網絡的。物聯網的體系結構中存在網絡層或傳輸層，網絡層在物聯網中承擔的是連接與通信功能，準確地講，這種基本功能跨越物聯網的感知層與網絡層。感知層中的網絡主要為無線個域網，用于連接底層的各種設備。相比之下，網絡層中的網絡在覆蓋范圍、通信速度、功耗和成本方面比感知層更高，主要負責將數據傳輸至應用層接受處理，其網絡功能覆蓋了物聯網的底部兩層，但在功能上有所不同。在此基礎上，對無線個域網、無線局域網（Wi-Fi）、無線城域網（WiMAX）、無線廣域網/移動通信網/移動互聯網/M2M、互聯網進行概要性比較講解。表2 列出了采用對比法講授的教學內容及重點關注點。采用對比性教學方法配合具體實例進行講解，可以幫助學生更好地掌握多種技術之間的區別與聯系。

2.2 啟發式教學方法

啟發式教學方法能激發學生的學習興趣，調動其探索問題的積極性和主動性。例如，在M2M 這種特殊的物聯網系統教學中，可以啟發學生思考能否將中間的云細化為云計算中的PaaS 和SaaS；能否將其與具體業務，如智慧農業、智慧環保結合起來，形成智慧物聯網云服務平臺；能否用形式化方法進行建模，提出相應的通信、調度等算法和公式，繼而開發出演示系統或驗證系統。

Fig.1 Explaining the origin scenario of the Internet of things by comparison圖1 以對比性教學方法講解物聯網起源場景

再以Google 的搜索服務講解為例，采用啟發式教學法能較好地對分布式文件系統、分布式數據存儲和處理技術進行講解。首先從Google 的搜索引擎業務需要對海量數據進行處理這一現實出發，自然引申出要有一套分布式文件系統對網頁文件等數據信息進行管理，由此提出Google文件系統GFS（其對應Hadoop 的文件系統HDFS）；然后在GFS 的基礎上，需要對龐大、多樣化的非結構化海量數據進行存儲，進而引申出分布式數據存儲系統BigTable（類似于非關系型數據庫，對應Hadoop 的HBase）；最后需要對這些海量數據進行快速加工處理，但現有基于傳統關系型數據庫的處理技術無法適用，進而引申出數據處理模型MapReduce（對應Hadoop 的MapReduce）。

Table 1 Arrangement of teaching contents表1 教學內容編排情況

Table 2 Teaching contents taught by comparative method表2 采用對比性教學法講授的教學內容及重點關注點

Table 3 Real Internet of Things engineering cases taught by case teaching method表3 采用案例式教學法講授的真實物聯網工程案例

Table 4 Relevance teaching content表4 關聯性教學內容

Table 5 Teaching clue planning表5 教學線索規劃

在此過程中，以主流大數據處理平臺Hadoop 的由來、構成和特征等進行了對比性和案例性講解，實現了多種教學方法的融合。在此基礎上，教學內容不斷向前延伸至大數據、云計算、并行計算、分布式計算等范疇，將多個技術有效串聯起來進行教學，可幫助學生理清技術內在的區別與聯系，激發其求解應用問題的意識，促進物聯網思維方式養成。

2.3 案例式教學方法

物聯網是典型的應用系統，挖掘生產生活中的典型案例作為教學資源是提升學生認知、強化思維、拓展其開發能力的重要途徑。教學中，一方面將生活中常接觸到的物聯網系統作為案例進行概要性講解，對其架構進行剖析；另一方面，將本課題組負責開發的真實物聯網工程項目引入到課堂教學中，對需求分析、設計方案、開發過程、項目管理、匯報答辯、結題驗收等環節進行講解，幫助學生樹立物聯網系統開發的整體意識，為增強其物聯網項目開發能力奠定基礎。表3 列出了采用案例式教學法講授的真實物聯網工程案例。這些案例采用的均為物聯網系統，但受限于當時認知，沒有明確標示出物聯網系統字樣。事實上，物聯網系統早已被應用于實際生產生活中，但是經過后期理論認識和實踐拓展才形成了物聯網這一明確概念。因此，在教學過程中要向學生強調物聯網的形態和應用是伴隨著理論、技術與工程的不斷深化而普及開來的。

3 關聯性剖析教學改革

3.1 注重知識點之間的關聯

物聯網涵蓋的內容十分廣泛，因此形成了多種技術與物聯網并存的局面。理清其間的內在聯系，將包含的知識點梳理清楚，提升學生對技術之間的區別性認識，對于物聯網課程教學尤為重要。表4 為對關聯性教學內容的舉例分析。以下以云計算和物聯網的關聯為例進行說明：①云計算是在分布式計算、并行計算和網格計算發展到一定程度后集成演進而成的綜合技術；②物聯網是在信息感知與采集技術、計算機技術、網絡技術和應用開發技術發展到一定程度后集成的綜合技術。云計算與物聯網可以進行深度融合，云計算可作為物聯網對外提供服務的重要形式，物聯網可成為云計算數據來源的重要支撐。

3.2 注重教學線索規劃

物聯網知識點之間不僅具有較強的關聯性，還具有明確的內在線索，教學過程中要敏銳抓住內容之間隱藏的知識脈絡，以此串聯形成統一的教學專題集合。表5 為對教學線索的規劃。可以看出，表4、表5 是對表1 中第6-8 章內容之間的關聯與線索進行融合性講解，旨在清晰闡釋物聯網內在技術體系的深刻關系。在教學中應引導和鼓勵學生混合使用MongDB（可以用于物聯網系統的非關系型數據庫）與Hadoop（開源的大數據處理平臺）開展課下創新能力訓練，以增強實踐開發能力。

4 改革成效

通過合理規劃教學內容形成了以專題課為主要形式的內容整合與編排，體現了物聯網體系結構與運行特征的知識結構，構建了邏輯清晰、線索嚴密、布局合理、前后貫通的課程教學體系，尤其是規劃出既相互聯系又有所區別的多條教學路線，能夠加深學生對物聯網理論與技術的認知，為其更好地理解、認識、研究、開發、實現、評價物聯網賦能。綜合運用對比性、啟發式和案例式教學方法不僅增強了學生對計算機與網絡體系結構融合的認識，也加深了其對物聯網本質的理解，更提升了其認知和設計多種形態的物聯網系統，以及解決各種計算系統下復雜工程問題的能力。

5 結語

物聯網涉及到的技術棧至今尚未有統一協議和公認標準，邊緣計算、區塊鏈、人工智能等技術也在加速與物聯網進行融合，不斷產生新的學科領域。從這一點來看，物聯網教學需要持續改進。在后續教學中，應注重物聯網領域新理論、新技術的及時更新，豐富真實項目案例集，開展分組式教學，考核中增加物聯網微縮系統開發等選項，持續推進課程教學改革深入。