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)
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(mǎn)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(wàn)物互聯(lián)成為可能。在5G 時(shí)代下,物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)迎來(lái)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(guò)各類(lèi)傳感器采集所需的各種信息,并用無(wú)線(xiàn)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(jiàn),物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的專(zhuān)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。考慮到物聯(lián)網(wǎng)這種多學(xué)科交叉的學(xué)科特點(diǎn),惟有通過(guò)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)盡管目前許多開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)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(wú)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(wú)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(guó)際教學(xué)方式相對(duì)接,應(yīng)對(duì)實(shí)際需求,面向未來(lái)培養(yǎng)人才。然而,當(dāng)前仍遵循一種“總結(jié)過(guò)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(shū)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(guò)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(lèi)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(zhuān)業(yè)的學(xué)生甚至是相關(guān)專(zhuān)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(lái)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(lái)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(lái)看,教學(xué)資源的分配不夠高效,不能做到因材施教。
物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)是對(duì)實(shí)踐應(yīng)用能力要求很高的一個(gè)專(zhuān)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(kāi)發(fā)的能力。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模式
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(wú)法使學(xué)生熟練掌握知識(shí)點(diǎn)。因此,需要通過(guò)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(shù)莓派等開(kāi)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(jiàn)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(lái),應(yīng)用于更廣泛的生活場(chǎng)景中,具體見(jiàn)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(kāi)發(fā)。
在基于A(yíng)rduino 開(kāi)發(fā)板RFID 門(mén)禁系統(tǒng)的接線(xiàn)圖中,通過(guò)按鍵將指定IC 卡中的身份信息預(yù)存在開(kāi)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(guò)在A(yíng)rduino IDE 中編寫(xiě)程序,利用振動(dòng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門(mén)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(guò)編寫(xiě)Arduino 程序,不僅增加了編寫(xiě)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。
物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)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(xiàn),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(lái)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(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)對(duì)解決問(wèn)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)校方的研究資源探索關(guān)鍵領(lǐng)域的難點(diǎn)與問(wèn)題,達(dá)到攜手共贏(yíng)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(lái),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(wèn)題。
通過(guò)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(zhuān)精”。首先是對(duì)學(xué)生的興趣方向和未來(lái)志愿分類(lèi)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(guò)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(lái)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(lèi)之后,遵循因人而異、因材施教的原則,參考多方面因素,客觀(guān)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(zhuān)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(wèn)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(zhuān)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(wèn)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(zhuān)業(yè)知識(shí)水平較差,自主學(xué)習(xí)能力較弱,幾乎沒(méi)有獨(dú)立解決問(wèn)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(lèi)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(guò)校企聯(lián)合的途徑,使用企業(yè)的專(zhuān)向前沿項(xiàng)目來(lái)培養(yǎng)其分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,提高學(xué)生在工作中的競(jìng)爭(zhēng)力;對(duì)立志科研的學(xué)生使用大創(chuàng)、物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)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(lái)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A(yíng)rduino 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?chē)h(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(guò)在A(yíng)rduino 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(lèi)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(guò)加入教學(xué)工具箱中其他種類(lèi)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(lèi)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(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信,學(xué)生可以利用開(kāi)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(kāi)發(fā)的能力。通過(guò)小程序開(kāi)發(fā)、Android 應(yīng)用程序等的編寫(xiě),各種感知數(shù)據(jù)可以在移動(dòng)端實(shí)時(shí)直觀(guān)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(kāi)放式嘗試。
通過(guò)對(duì)學(xué)生的明確分工,每個(gè)模塊的開(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)中進(jìn)一步實(shí)踐。
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(zhuān)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(guò)分類(lèi)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(wèn)題的能力和工作競(jìng)爭(zhēng)力,保證了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。通過(guò)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(wèn)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)