安 健，程錦東，桂小林，程宇森，賈曉琳

（西安交通大學(xué) 計算機科學(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)用的實現(xiàn)成為可能，同時IPv6協(xié)議應(yīng)用后會產(chǎn)生大量IP 地址，使萬物互聯(lián)成為可能。在5G 時代下，物聯(lián)網(wǎng)將會迎來一個巨大的發(fā)展機遇，能否培養(yǎng)出具有扎實理論基礎(chǔ)、豐富實踐經(jīng)驗以及具有創(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)點把能夠被獨立尋址的物體相互聯(lián)接，以達到實時控制、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)是一個多學(xué)科交叉的專業(yè)，融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、電子信息等多個學(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，惟有通過實踐教學(xué)才能使學(xué)生對知識的運用心手相應(yīng)[3]。

1 物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(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)知識課程，但各課程間相對獨立，缺乏有效的關(guān)系串聯(lián)。這就導(dǎo)致學(xué)生在動手實踐之前，往往受限于綜合基礎(chǔ)能力的不足，不清楚從何處下手，無法將相對獨立的碎片化知識內(nèi)容整合到實踐項目中。此外，由于學(xué)生缺乏對知識的貫通性理解和對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)的梳理，導(dǎo)致各實踐項目的可延展性差，學(xué)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(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)實踐教學(xué)應(yīng)當(dāng)與國際教學(xué)方式相對接，應(yīng)對實際需求，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行教學(xué)、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(xué)知識點，而不考慮其實用價值，從而導(dǎo)致所選項目大多都是老舊的經(jīng)典項目，所用技術(shù)也是過時的技術(shù)，在實際工作中缺少應(yīng)用之處。

目前高校的課程實驗、課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計等課題皆是小規(guī)模且實際用處較小。它們大多是為了覆蓋教學(xué)大綱的知識點而設(shè)計，在技術(shù)實現(xiàn)和實際應(yīng)用方面都與實際需求不符。學(xué)生在做該類項目時，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”式的教育往往會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)進度不同，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)開放實踐教學(xué)模式

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是對實踐應(yīng)用能力要求很高的一個專業(yè)，提高實踐應(yīng)用能力最高效的方法就是實踐。新型的物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)模式如圖1 所示，就是在實際的項目中加深對相關(guān)知識的認識，同時發(fā)現(xiàn)自己知識儲備的不足，并據(jù)此進行相應(yīng)知識的學(xué)習(xí)和進一步的實驗。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)實踐教學(xué)模式

2.1 由淺入深、由單一到綜合的課程設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)涉及多領(lǐng)域多學(xué)科的復(fù)雜內(nèi)容，單次實踐往往無法使學(xué)生熟練掌握知識點。因此，需要通過設(shè)計相輔相成的實踐課程，漸進地培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識與動手能力。每次實踐都是一個相對完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，既能回顧之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容，又包括新的知識點；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]。綜合對主要技術(shù)的覆蓋性和項目的可應(yīng)用性，利用Arduino、樹莓派等開發(fā)板，將物聯(lián)網(wǎng)實踐分解出8 個實踐項目，見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)實踐項目

表1 的實踐項目著眼于物聯(lián)網(wǎng)在生活中的實際應(yīng)用，能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)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(yīng)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(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，這些項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，在這些項目的基礎(chǔ)上進行二次開發(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，從而實現(xiàn)掉電后數(shù)據(jù)不丟失；同時，通過在Arduino IDE 中編寫程序，利用振動模塊實時監(jiān)測門是否出現(xiàn)異常振動，如果刷卡信息錯誤且出現(xiàn)振動，則判定為出現(xiàn)可疑情況，警示燈與蜂鳴器均會預(yù)警。

表2 實踐項目知識

學(xué)生通過編寫Arduino 程序，不僅增加了編寫代碼的經(jīng)驗，還鍛煉了邏輯思維能力，做到軟、硬件兼通，這對于除物聯(lián)網(wǎng)實訓(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、計算機等多個學(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)的項目支持。

使用具有前沿技術(shù)的項目來教學(xué)，在一定程度上，能夠屏蔽底層一些較為復(fù)雜的理論知識和操作，只用封裝好的操作即可實現(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)，自主實現(xiàn)一些較為復(fù)雜的功能。在學(xué)生實踐逐步深入的過程中，會出現(xiàn)對解決問題能力的需求，學(xué)生自然會產(chǎn)生學(xué)習(xí)動力，由此自頂向下地學(xué)習(xí)所需知識[6]。

由企業(yè)提供前沿技術(shù)的項目作為實踐內(nèi)容，能夠讓學(xué)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(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，由于社會生活中的各種業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，對于更快速、更穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信的需求也越來越大，5G 也因此應(yīng)運而生。此外，當(dāng)下還有很多物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)根據(jù)社會生活生產(chǎn)中的需要和需求，涉足了諸多物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)，如針對物聯(lián)網(wǎng)即插即用軟件解決方案的物聯(lián)網(wǎng)平臺、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、小型家政機器人等，這些產(chǎn)品涉及最新的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識，有著巨大的應(yīng)用場景和市場前景。

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，掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的趨勢。校方在制定課程計劃時，應(yīng)結(jié)合實際教學(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)實踐項目中。企業(yè)也可以通過校方的研究資源探索關(guān)鍵領(lǐng)域的難點與問題，達到攜手共贏的目的。

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)容與實際需求相分離的狀態(tài)。同時，該種培養(yǎng)方式也可采用合作的形式，由校方和企業(yè)共同攻堅克難，探索物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的前沿與熱點問題。

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，有針對性地進行教學(xué)，使學(xué)生在理解整個實踐項目的同時，做到“術(shù)業(yè)有專精”。首先是對學(xué)生的興趣方向和未來志愿分類別。為了發(fā)現(xiàn)并發(fā)揮出每個學(xué)生的興趣和優(yōu)勢，在實踐教學(xué)中通過一個完整的綜合型項目對學(xué)生進行分流[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。

在對學(xué)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(xué)生分為3 個層次：第1 層次，相應(yīng)方向的專業(yè)知識水平高，具有很強的自主學(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)知識水平較差，自主學(xué)習(xí)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(yǎng)。

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

對于企業(yè)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(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)方向的實踐小組去完成。由指導(dǎo)教師將不同項目再次細分為諸多技術(shù)、任務(wù)，并對不同方向不同項目不同任務(wù)的難度和工作量進行評估，給出每個任務(wù)相應(yīng)的難度系數(shù)，以作為分配任務(wù)以及評分時的參考要素[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)實踐項目拆分示意圖

以一個基于Arduino 的物聯(lián)網(wǎng)實驗項目智能家居風(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，實現(xiàn)智能化。在實訓(xùn)項目中，通過在Arduino IDE 中設(shè)計代碼，使該風(fēng)扇具有多種工作模式。該實訓(xùn)課程既貼近我們的日常生活，又具有廣闊的應(yīng)用場景，涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)中的多個層次和多項技術(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)實踐項目“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，進一步豐富感知層所能收集到的多元環(huán)境信息，同時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)實訓(xùn)不僅囊括硬件方面對學(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)可以在移動端實時直觀地展示。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)，例如與機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等進行進一步結(jié)合，鼓勵學(xué)生自己進行開放式嘗試。

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

3 結(jié) 語

在學(xué)習(xí)之初就以項目中的前沿技術(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)實訓(xùn)項目的結(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 個方向，并通過分類別、分層次的立體式教學(xué)方式對學(xué)生進行針對性教學(xué)。這種新型實踐教學(xué)模式可以使每個學(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。通過更有針對性的實訓(xùn)，增強了學(xué)生的動手能力，同時鍛煉了學(xué)生著眼實際解決問題的能力。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)實踐項目“智能風(fēng)扇”層次架構(gòu)