以綜合型項目開發(fā)為驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式探索

1、以綜合型項目開發(fā)為驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式探索一、背景物聯(lián)網(wǎng)將物理世界網(wǎng)絡(luò)化、 信息化， 對傳統(tǒng)的分離的物理世 界和信息空間實現(xiàn)互連和整合， 代表未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。 繼計 算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)了信息產(chǎn)業(yè)革命的又一次浪潮。 目前，物聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)已成為各國競爭的焦點和制高點。 2005 年11月在突尼斯舉行的信息社會世界峰會WSIS上國際電信聯(lián)盟ITU發(fā)布了ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005物聯(lián)網(wǎng)報告指出，無所不在 的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨， 世上萬物從輪胎到牙刷都可通 過因特網(wǎng)主動交換，RFID傳感器、納米、智能嵌入技術(shù)更加廣 泛的應(yīng)用。IBM大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群在2009IBM論壇上公布

2、了名為“智能的地球”的最新策略。IBM希望“智能的地球” 策略能掀起互聯(lián)網(wǎng)浪潮之后的又一次科技革命。 歐洲智能系統(tǒng)集 成技術(shù)平臺（EPoSS 于 2008 年在Internet of Things in 2020 報告中分析預(yù)測了未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段。 2009年，歐盟執(zhí)委會 發(fā)表題為 Internet of Things-An action plan for Europe的物聯(lián)網(wǎng)行動方案， 描繪了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的前景。 韓國通信委 員會于 2009 年出臺了物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建基本規(guī)劃，目標 是要在已有的RFID/USN應(yīng)用和實驗網(wǎng)條件下構(gòu)建世界最先進的 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、研發(fā)物聯(lián)

3、網(wǎng)技術(shù)、營造物聯(lián) 網(wǎng)擴散環(huán)境等。 2009年 8 月，溫家寶同志在無錫微納物聯(lián)網(wǎng)工 程技術(shù)研究中心視察并發(fā)表重要講話， 表示中國要抓住機遇， 大 力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 并提出要在無錫建設(shè)“感知中國”中心。 物 聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究（ 2010）報告指出未來 10 年，中國物聯(lián)網(wǎng) 產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷應(yīng)用創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新 3 個階段，形成公共 管理和服務(wù)、企業(yè)應(yīng)用、個人和家庭應(yīng)用三大細分市場。中國物 聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的總體規(guī)模，預(yù)計到 2015 年將超過 1萬億、 2020年將 超過 5 萬億。隨著國家對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重視， 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)人才的 培養(yǎng)顯得日益緊迫， 2010年 7月，教育部正式公布了 30所高校 新

4、設(shè)立的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。 同時，更多院校利用網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè) 開始以物聯(lián)網(wǎng)方向等形式進行招生。 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為一個涉及到 計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、通信工程、電子工程、網(wǎng)絡(luò)工程 等多專業(yè)學(xué)科的交叉專業(yè)， 畢業(yè)學(xué)生可能從事傳感器制造、 網(wǎng)絡(luò) 融合、集成應(yīng)用開發(fā)等多領(lǐng)域的工作，其涵蓋學(xué)科的多樣性、系 統(tǒng)集成的復(fù)雜性都比較高，對學(xué)生的要求也相對較高。二、存在問題目前，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程體系結(jié)構(gòu)中， 盡管各個高校不斷 創(chuàng)新，但依然存在著一系列問題：（ 1）學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)教育跟不 上企業(yè)現(xiàn)實的需求， 太多的基礎(chǔ)教育課時使得學(xué)生沒有時間接觸 新技術(shù)。（ 2）教材落后于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，課程講授脫離物聯(lián)網(wǎng) 工程的實

5、際， 課程體系設(shè)計不是以職業(yè)化為導(dǎo)向， 而是以專業(yè)學(xué) 術(shù)發(fā)展和研究為導(dǎo)向。（ 3）缺乏同物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相適應(yīng)的培養(yǎng)方 案和教學(xué)大綱； 大綱同傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)方向基本一致， 缺乏層次 性、特色性與實用性。（ 4）培養(yǎng)出的學(xué)生脫離應(yīng)用實際，學(xué)校過分的強調(diào)學(xué)習(xí)， 掌握知識卻忽略了實踐， 結(jié)果是培養(yǎng)出來的學(xué) 生懂的理論知識多， 但實際動手能力不強， 普遍不熟悉國際物聯(lián) 網(wǎng)標準及相關(guān)國際規(guī)范。 基于以上的原因， 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)人才的培養(yǎng) 偏重于學(xué)科性， 而直接面向產(chǎn)業(yè)發(fā)展、 適應(yīng)企業(yè)需求且具有實際 工程能力的人才缺失， 這造成了學(xué)生進入企業(yè)需要一個“轉(zhuǎn)型” 過程，實際上造成了企業(yè)需要人才的“滯后”。 目前社會上出現(xiàn)

6、 大量的繼續(xù)教育機構(gòu)，專門為企業(yè)培養(yǎng)具有較強工程實踐能力、 熟悉就業(yè)單位生產(chǎn)模式并具有扎實理論基礎(chǔ)的專門人才， 從中獲 得高額利益。這些機構(gòu)的絕大部分生源來自于高校的高年級學(xué) 生。一個從正規(guī)高校畢業(yè)的學(xué)生， 竟然需要經(jīng)過一個沒有穩(wěn)定師 資和固定實驗基地和場所的社會機構(gòu)“再培養(yǎng)”才能被社會承 認。正是在這樣的背景下， 大連理工大學(xué)作為首批設(shè)立物聯(lián)網(wǎng)專 業(yè)的學(xué)校，經(jīng)過三年多的教學(xué)實踐摸索，以培養(yǎng)能力為導(dǎo)向，改 革教學(xué)方式，注重實踐環(huán)節(jié)，建立與工業(yè)界接觸的渠道，從多方 面培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)的“卓越人才”， 力求解決課堂與實踐相脫節(jié)的問 題。特別是在教學(xué)內(nèi)容方面， 不斷推動教學(xué)模式從傳統(tǒng)的單一型 內(nèi)容向綜合型

7、內(nèi)容的過渡。圖 1 為自主開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺。三、教學(xué)模式探索以物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)課程為例。 在傳統(tǒng)模式下， 根據(jù)課程進度 與課程體系將教學(xué)安排分成三部分：（ 1）感知節(jié)點的嵌入式與 基礎(chǔ)通信部分。該部分主要是從嵌入式基礎(chǔ)入手，掌握I/O 、中 斷、串口、定時器、“看門狗”等基礎(chǔ)編程，并進一步理解無線 通信協(xié)議棧的體系與配置方法。（ 2）不同類型感知節(jié)點的應(yīng)用 程序部分。 該部分根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生不同的感知節(jié)點， 開發(fā)相應(yīng)的應(yīng) 用層程序，使得感知節(jié)點可以正常采集數(shù)據(jù)， 例如溫濕度、 光照、 人體紅外、干簧管、超聲波等。（ 3）網(wǎng)關(guān)的嵌入式操作系統(tǒng)及 軟件部分。該部分主要培養(yǎng)學(xué)生在不同嵌入式操作系統(tǒng)下

8、（linux Andriod WinCE ,開發(fā)人機接口軟件以及網(wǎng)關(guān)功能程序的能 力?？梢姡绱酥嗟膬?nèi)容按照“目錄式”教學(xué)進度執(zhí)行，教學(xué) 周期將非常長，而幾部分之間的聯(lián)系會變得松散、不緊密。而且 在實際教學(xué)過程中， 由于學(xué)時和進度的限制， 很多時候不得不使 得學(xué)生“被動”的在接納， 幾乎無法調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和 積極性。因此，教學(xué)團隊針對這些現(xiàn)實問題，大膽進行嘗試，即 在不講授基礎(chǔ)知識的情況下， 直接設(shè)立綜合型項目， 以學(xué)生為主 體進行開發(fā)。這也是借鑒國外頂級大學(xué)本科生教學(xué)的一些理念， “說明書中的內(nèi)容不應(yīng)該出現(xiàn)在課堂”。 這樣不僅能調(diào)動學(xué)生自 主學(xué)習(xí)的積極性， 也使得教學(xué)內(nèi)容更為緊湊。

9、 我們設(shè)置了 9 個綜 合型實踐內(nèi)容：數(shù)字大棚、精確定位、公共安防、家庭醫(yī)療、智 能交通、環(huán)境監(jiān)測、智能控制、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和云計算。在課程中， 可以將學(xué)生分為團隊， 進行不同內(nèi)容的系統(tǒng)開發(fā)。 以數(shù)字大棚內(nèi) 容為例。 首先由學(xué)生團隊確定自行查找相關(guān)資料， 了解什么是數(shù) 字大棚以及智慧農(nóng)業(yè)？該系統(tǒng)需要包含哪些組件？從而確定系 統(tǒng)開發(fā)所涉及的硬件與軟件。比如，經(jīng)過某組學(xué)生的調(diào)研，他們的系統(tǒng)需要實現(xiàn)大棚溫濕度數(shù)據(jù)、 光照強度數(shù)據(jù)顯示、 入侵報警 和遠程控制等基本功能， 并提供歷史數(shù)據(jù)記錄顯示等功能。 需要 的硬件環(huán)境有：計算機、ARM1開發(fā)板、人體紅外節(jié)點、光照節(jié) 點、繼電器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點。軟件開發(fā)方面

10、需要在ARM1開發(fā)板上使用 Linux2.28+Qt4.7 運行庫作為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的載體， 并使用 QtCreater 開發(fā)及調(diào)試網(wǎng)關(guān)應(yīng)用圖形界面。傳感器節(jié)點使用 ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0 協(xié)議棧， IAR 作為開發(fā)環(huán)境。在確 定開發(fā)的軟硬件環(huán)境后， 學(xué)生團隊需要自行根據(jù)技術(shù)手冊、 參考 書等進行每一階段的開發(fā)。比如如何連接硬件、如何在 ZStack 協(xié)議棧中添加驅(qū)動， 何如在協(xié)議棧中添加應(yīng)用層代碼， 網(wǎng)關(guān)是如 何采集到傳感器數(shù)據(jù)的，如何設(shè)計出美觀的 Qt 圖形界面等。如 圖 2。再以公共安防為例。 經(jīng)過另一組學(xué)生的團隊調(diào)研， 該系統(tǒng)需 要實現(xiàn)如燃氣檢測、 紅外檢測、蜂鳴

11、報警和短信報警的基本功能， 并提供簡單的日志記錄服務(wù)。 需要的硬件環(huán)境有： 計算機、 ARM11 開發(fā)板、人體紅外節(jié)點、GPRS節(jié)點、可燃氣體節(jié)點、蜂鳴器節(jié) 點、協(xié)調(diào)器節(jié)點。軟件開發(fā)方面同樣需要在 ARM1開發(fā)板上使用 Linux2.28+Qt4.7 運行庫作為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的載體，并使用 QtCreater 開發(fā)及調(diào)試網(wǎng)關(guān)應(yīng)用圖形界面。傳感器節(jié)點使用 ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0 協(xié)議棧， IAR 作為開發(fā)環(huán)境。如圖 3。可見兩組綜合實驗在軟件方面基本一致， 而硬件只是在傳感 器類型上有所不同，因此在開發(fā)過程中兩個團隊會產(chǎn)生共性問 題，這時需要指導(dǎo)教師針對共性問題進行統(tǒng)一講解。 而兩個團隊 項目的不同之處，也會使得團隊之間無法過多依賴，注入“水 分”。四、培養(yǎng)階段性成果經(jīng)過3年來的教改探索， 教學(xué)團隊克服了學(xué)時受限且沒有可 參考成熟教學(xué)方案的不利條件， 跨越式地提出了以綜合工程模式 為導(dǎo)向的教學(xué)體系； 以最大限