安 健，程錦東，桂小林，程宇森，賈曉琳

（西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引 言

5G 技術(shù)的應(yīng)用[1]使得物聯(lián)網(wǎng)擁有了速度快且成本低的網(wǎng)絡(luò)，滿足從設(shè)備和傳感器中收集大量數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理、分析和控制的網(wǎng)絡(luò)需求，使得物聯(lián)網(wǎng)諸多應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)成為可能，同時(shí)IPv6協(xié)議應(yīng)用后會(huì)產(chǎn)生大量IP 地址，使萬物互聯(lián)成為可能。在5G 時(shí)代下，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)迎來一個(gè)巨大的發(fā)展機(jī)遇，能否培養(yǎng)出具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及具有創(chuàng)新性精神和前瞻性視角的高層次人才是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)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(jié)點(diǎn)把能夠被獨(dú)立尋址的物體相互聯(lián)接，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的[2]。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的專業(yè)，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、電子信息等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)這種多學(xué)科交叉的學(xué)科特點(diǎn)，惟有通過實(shí)踐教學(xué)才能使學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用心手相應(yīng)[3]。

1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)目前存在的問題

（1）盡管目前許多開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的高校預(yù)設(shè)了部分物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)課程，但各課程間相對(duì)獨(dú)立，缺乏有效的關(guān)系串聯(lián)。這就導(dǎo)致學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐之前，往往受限于綜合基礎(chǔ)能力的不足，不清楚從何處下手，無法將相對(duì)獨(dú)立的碎片化知識(shí)內(nèi)容整合到實(shí)踐項(xiàng)目中。此外，由于學(xué)生缺乏對(duì)知識(shí)的貫通性理解和對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)的梳理，導(dǎo)致各實(shí)踐項(xiàng)目的可延展性差，學(xué)生無法有效利用已有知識(shí)，對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步拓展和創(chuàng)新，限制了學(xué)生自由創(chuàng)作的能力。

（2）隨著教育水平的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)當(dāng)與國際教學(xué)方式相對(duì)接，應(yīng)對(duì)實(shí)際需求，面向未來培養(yǎng)人才。然而，當(dāng)前仍遵循一種“總結(jié)過去式”的教育：遵循自下向上的講解原則，參考內(nèi)在因果關(guān)系，按部就班地按照書本的順序依次進(jìn)行教學(xué)、講解[4]；在實(shí)踐項(xiàng)目的選擇上，只注重所選項(xiàng)目能否覆蓋所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，而不考慮其實(shí)用價(jià)值，從而導(dǎo)致所選項(xiàng)目大多都是老舊的經(jīng)典項(xiàng)目，所用技術(shù)也是過時(shí)的技術(shù)，在實(shí)際工作中缺少應(yīng)用之處。

目前高校的課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等課題皆是小規(guī)模且實(shí)際用處較小。它們大多是為了覆蓋教學(xué)大綱的知識(shí)點(diǎn)而設(shè)計(jì)，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用方面都與實(shí)際需求不符。學(xué)生在做該類項(xiàng)目時(shí)，大多抱有完成作業(yè)的心態(tài)，因此不能激起其研究熱情和探索興趣。

（3）忽視了學(xué)生自身水平的差異性。學(xué)生自身水平的差異，主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)水平、學(xué)習(xí)能力以及興趣傾向這3 方面。當(dāng)前大學(xué)教育更多是“一刀切”的教學(xué)模式，對(duì)所有本專業(yè)的學(xué)生甚至是相關(guān)專業(yè)的學(xué)生都執(zhí)行相同的培養(yǎng)計(jì)劃，采用“一視同仁”的教學(xué)方式，使用相同的教學(xué)方法來培養(yǎng)大學(xué)畢業(yè)生，較少或根本不考慮不同學(xué)生基礎(chǔ)、能力以及興趣的差異性。從學(xué)生角度來看，“一刀切”式的教育往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度不同，學(xué)習(xí)效果參差不齊；從教學(xué)角度來看，教學(xué)資源的分配不夠高效，不能做到因材施教。

2 物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)踐教學(xué)模式

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是對(duì)實(shí)踐應(yīng)用能力要求很高的一個(gè)專業(yè)，提高實(shí)踐應(yīng)用能力最高效的方法就是實(shí)踐。新型的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式如圖1 所示，就是在實(shí)際的項(xiàng)目中加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)自己知識(shí)儲(chǔ)備的不足，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)知識(shí)的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。如此反復(fù)，逐步提高物聯(lián)網(wǎng)工程系統(tǒng)分析和開發(fā)的能力。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式

2.1 由淺入深、由單一到綜合的課程設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)涉及多領(lǐng)域多學(xué)科的復(fù)雜內(nèi)容，單次實(shí)踐往往無法使學(xué)生熟練掌握知識(shí)點(diǎn)。因此，需要通過設(shè)計(jì)相輔相成的實(shí)踐課程，漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)與動(dòng)手能力。每次實(shí)踐都是一個(gè)相對(duì)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，既能回顧之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容，又包括新的知識(shí)點(diǎn)；不僅涵蓋各種傳感器元件的使用方法，還訓(xùn)練學(xué)生的軟件編程能力；不僅學(xué)會(huì)如何獲取到感知數(shù)據(jù)，還要掌握如何使用這些數(shù)據(jù)[5]。綜合對(duì)主要技術(shù)的覆蓋性和項(xiàng)目的可應(yīng)用性，利用Arduino、樹莓派等開發(fā)板，將物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐分解出8 個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐項(xiàng)目

表1 的實(shí)踐項(xiàng)目著眼于物聯(lián)網(wǎng)在生活中的實(shí)際應(yīng)用，能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，且這些項(xiàng)目不僅在知識(shí)上前后貫通，而且能夠組合搭配起來，應(yīng)用于更廣泛的生活場(chǎng)景中，具體見表2。

表2 中的項(xiàng)目基本覆蓋了當(dāng)前主流的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和通信技術(shù)，由淺入深。同時(shí)，這些項(xiàng)目均具有良好的可延展性，學(xué)生可在課下結(jié)合自己的創(chuàng)意與興趣，在這些項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

在基于Arduino 開發(fā)板RFID 門禁系統(tǒng)的接線圖中，通過按鍵將指定IC 卡中的身份信息預(yù)存在開發(fā)板的EEPROM 中，從而實(shí)現(xiàn)掉電后數(shù)據(jù)不丟失；同時(shí)，通過在Arduino IDE 中編寫程序，利用振動(dòng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門是否出現(xiàn)異常振動(dòng)，如果刷卡信息錯(cuò)誤且出現(xiàn)振動(dòng)，則判定為出現(xiàn)可疑情況，警示燈與蜂鳴器均會(huì)預(yù)警。

表2 實(shí)踐項(xiàng)目知識(shí)

學(xué)生通過編寫Arduino 程序，不僅增加了編寫代碼的經(jīng)驗(yàn)，還鍛煉了邏輯思維能力，做到軟、硬件兼通，這對(duì)于除物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)之外的學(xué)習(xí)也是有極大用處的。

2.2 以企業(yè)前沿技術(shù)為導(dǎo)向

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及電子、通信、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科，而現(xiàn)在技術(shù)的更新迭代又十分迅速。高校教師由于并不在生產(chǎn)一線，所以對(duì)部分技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也知之甚少，因此要充分利用學(xué)校優(yōu)勢(shì)與相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)秀企業(yè)建立校企聯(lián)合合作關(guān)系，為大學(xué)教育提供使用前沿技術(shù)的項(xiàng)目支持。

使用具有前沿技術(shù)的項(xiàng)目來教學(xué)，在一定程度上，能夠屏蔽底層一些較為復(fù)雜的理論知識(shí)和操作，只用封裝好的操作即可實(shí)現(xiàn)一些功能，易于激起學(xué)生的興趣。學(xué)生甚至能以此為基礎(chǔ)，自主實(shí)現(xiàn)一些較為復(fù)雜的功能。在學(xué)生實(shí)踐逐步深入的過程中，會(huì)出現(xiàn)對(duì)解決問題能力的需求，學(xué)生自然會(huì)產(chǎn)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，由此自頂向下地學(xué)習(xí)所需知識(shí)[6]。

由企業(yè)提供前沿技術(shù)的項(xiàng)目作為實(shí)踐內(nèi)容，能夠讓學(xué)生切實(shí)感到自己做的項(xiàng)目是有實(shí)際用處并且在未來工作中有實(shí)用價(jià)值的東西，而不是一個(gè)模擬的作業(yè)課題[7]。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，一般都是先出現(xiàn)需求，而后出現(xiàn)技術(shù)。例如，由于社會(huì)生活中的各種業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，對(duì)于更快速、更穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信的需求也越來越大，5G 也因此應(yīng)運(yùn)而生。此外，當(dāng)下還有很多物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)根據(jù)社會(huì)生活生產(chǎn)中的需要和需求，涉足了諸多物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)，如針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)即插即用軟件解決方案的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、結(jié)合AI 的物聯(lián)網(wǎng)以及通過數(shù)據(jù)集成和分析提供更高效率和生產(chǎn)力的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等。目前，眾多物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)企業(yè)有著豐富的創(chuàng)意和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，如智能音響、可穿戴式健康設(shè)備、小型家政機(jī)器人等，這些產(chǎn)品涉及最新的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)，有著巨大的應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)前景。

通過校企合作，能夠使學(xué)生更好地捕捉當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。校方在制定課程計(jì)劃時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況與學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，將前沿技術(shù)分解到若干物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐項(xiàng)目中。企業(yè)也可以通過校方的研究資源探索關(guān)鍵領(lǐng)域的難點(diǎn)與問題，達(dá)到攜手共贏的目的。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人才方面，目前市場(chǎng)存在著巨大的缺口。這為大學(xué)教育提供了參考，使更多符合企業(yè)實(shí)際需求的人才被培養(yǎng)出來，而不是一種教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際需求相分離的狀態(tài)。同時(shí)，該種培養(yǎng)方式也可采用合作的形式，由校方和企業(yè)共同攻堅(jiān)克難，探索物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)問題。

2.3 分類別、分層次、立體式的培養(yǎng)方式

通過把學(xué)生分為不同的方向以及不同的層次，有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生在理解整個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目的同時(shí)，做到“術(shù)業(yè)有專精”。首先是對(duì)學(xué)生的興趣方向和未來志愿分類別。為了發(fā)現(xiàn)并發(fā)揮出每個(gè)學(xué)生的興趣和優(yōu)勢(shì)，在實(shí)踐教學(xué)中通過一個(gè)完整的綜合型項(xiàng)目對(duì)學(xué)生進(jìn)行分流[8]，依據(jù)學(xué)生的未來志愿分出面向企業(yè)和立志科研的兩種人才。

在對(duì)學(xué)生依照興趣進(jìn)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(gè)方向的學(xué)生分為3 個(gè)層次：第1 層次，相應(yīng)方向的專業(yè)知識(shí)水平高，具有很強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)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(guī)定任務(wù)；第2 層次，相應(yīng)方向的專業(yè)知識(shí)水平一般，具有一定的自主學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力，在給予一定提示、指導(dǎo)后能夠完成相應(yīng)任務(wù)；第3 層次，相應(yīng)方向的專業(yè)知識(shí)水平較差，自主學(xué)習(xí)能力較弱，幾乎沒有獨(dú)立解決問題的能力，需教師著重進(jìn)行培養(yǎng)。

針對(duì)面向企業(yè)和立志科研的兩類培養(yǎng)對(duì)象，采用更有針對(duì)性的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容：對(duì)面向企業(yè)的學(xué)生通過校企聯(lián)合的途徑，使用企業(yè)的專向前沿項(xiàng)目來培養(yǎng)其分析和解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生在工作中的競爭力；對(duì)立志科研的學(xué)生使用大創(chuàng)、物聯(lián)網(wǎng)競賽以及指導(dǎo)教師的縱向課題對(duì)其科研能力和創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)。

對(duì)于企業(yè)項(xiàng)目和科研項(xiàng)目皆采取把項(xiàng)目進(jìn)行拆分的方式，按照?qǐng)D2 將其分為泛在化末端感知網(wǎng)絡(luò)、融合化網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施和普適化應(yīng)用服務(wù)支撐體系三大方向，分別由相應(yīng)方向的實(shí)踐小組去完成。由指導(dǎo)教師將不同項(xiàng)目再次細(xì)分為諸多技術(shù)、任務(wù)，并對(duì)不同方向不同項(xiàng)目不同任務(wù)的難度和工作量進(jìn)行評(píng)估，給出每個(gè)任務(wù)相應(yīng)的難度系數(shù)，以作為分配任務(wù)以及評(píng)分時(shí)的參考要素[9]，綜合考慮學(xué)生層次和任務(wù)難度來分配任務(wù)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐項(xiàng)目拆分示意圖

以一個(gè)基于Arduino 的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目智能家居風(fēng)扇為例，目前市面上已經(jīng)有許多成熟的智能風(fēng)扇產(chǎn)品，能夠綜合周圍環(huán)境因素和人物行為切換工作模式，實(shí)現(xiàn)智能化。在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，通過在Arduino IDE 中設(shè)計(jì)代碼，使該風(fēng)扇具有多種工作模式。該實(shí)訓(xùn)課程既貼近我們的日常生活，又具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)中的多個(gè)層次和多項(xiàng)技術(shù)，它的技術(shù)層次分明，便于分工，利于學(xué)生的分類別、分層次的立體性培養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐項(xiàng)目“智能風(fēng)扇”層次架構(gòu)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(gòu)成，用于捕捉外部有效的各種信息。學(xué)生可以通過加入教學(xué)工具箱中其他種類的傳感器，進(jìn)一步豐富感知層所能收集到的多元環(huán)境信息，同時(shí)了解并掌握各類傳感器的物理結(jié)構(gòu)、使用方式和工作特性。手機(jī)作為控制指令發(fā)出端，與連接了智能風(fēng)扇的Arduino 開發(fā)板進(jìn)行通信，學(xué)生可以利用開發(fā)工具盒中的WiFi 模塊ESP8266 參與網(wǎng)絡(luò)層的搭建。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)不僅囊括硬件方面對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)，還涉及訓(xùn)練學(xué)生軟件開發(fā)的能力。通過小程序開發(fā)、Android 應(yīng)用程序等的編寫，各種感知數(shù)據(jù)可以在移動(dòng)端實(shí)時(shí)直觀地展示。此外，在課下，學(xué)生可以思考如何使用所獲得的感知數(shù)據(jù)，例如與機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生自己進(jìn)行開放式嘗試。

通過對(duì)學(xué)生的明確分工，每個(gè)模塊的開發(fā)與調(diào)試工作具體到了每個(gè)學(xué)生，既鼓勵(lì)了學(xué)生獨(dú)立開發(fā)的能力，又便于教師針對(duì)單個(gè)學(xué)生的表現(xiàn)給出較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。同時(shí)，可以通過組內(nèi)合作的方式，由多名學(xué)生共同完成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)意識(shí)。最后，學(xué)生可在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中尋找與發(fā)掘自己的興趣點(diǎn)，從而在下次開發(fā)中進(jìn)一步實(shí)踐。

3 結(jié) 語

在學(xué)習(xí)之初就以項(xiàng)目中的前沿技術(shù)為引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，之后根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)和受訓(xùn)學(xué)生的興趣方向予以區(qū)分，以便專向培養(yǎng)；根據(jù)學(xué)生的興趣將學(xué)生分為3 個(gè)方向，并通過分類別、分層次的立體式教學(xué)方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)。這種新型實(shí)踐教學(xué)模式可以使每個(gè)學(xué)生得到更加適宜的培養(yǎng)和指導(dǎo)，從而逐漸培養(yǎng)起學(xué)習(xí)興趣，提高了其解決實(shí)際問題的能力和工作競爭力，保證了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。通過更有針對(duì)性的實(shí)訓(xùn)，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)鍛煉了學(xué)生著眼實(shí)際解決問題的能力。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐項(xiàng)目“智能風(fēng)扇”層次架構(gòu)