物联网工程专业实践教学体系模块化研究

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摘 要：实践教学是整个教学系统中非常重要的环节，在培养和提高大学生动手能力和创新能力方面具有重要作用。针对物联网工程专业实践教学存在的问题，提出一套模块化物联网工程专业实践教学体系。经过多年教学实践表明，该体系有利于培养学生的特长和创新能力。

关键词：物联网工程；实践教学体系；模块化；课程群

中图分类号：G642；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）01-0-03

0 引 言

物联网工程专业是教育部为服务国家战略性新兴产业而开办的新型专业[1]，自2010年起，国内已先后有700多所高校开设了物联网相关专业[2]。经过6年的教学实践，物联网工程专业在课程设置和人才培养模式上取得了很大进步，但现阶段物联网工程专业的毕业生还无法满足物联网产业的发展需求，大部分毕业生只能支持产业的初级工作，而能够胜任物联网规划设计、开发和管理等方面的创新型工程应用人才十分紧缺。高校仍然处在物联网教育的初级阶段，人才培养体系不够完善，特别是实践教学环节还比较薄弱。本文针对物联网工程专业教学中存在的问题，根据物联网的知识体系结构和信阳师范学院物联网工程专业培养方案，以培养满足物联网产业发展所需要的创新型应用人才为目标，提出一套基于模块化的物联网工程专业的实践教学体系。

1 物联网工程专业教学存在的问题

目前物联网工程专业教学主要存在以下问题：

（1）没有形成系统化的课程设置体系，课程多而不精。由于物联网工程专业是一门多学科交叉专业，很多高校在课程设置上求全不求精，学生毕业后尽管知识面较广但无一技之长。

（2）各课程自成体系，教师只注重相关知识。

（3）实验教学模式单一，大部分实验还只停留在单门课程的验证性实验上，缺少本门课程内容的讲解，很少涉及课程间的相互联系，学生很难全面、系统的掌握与物联网相关课程相互融合的综合性实验，学生综合知识运用能力差。

（4）缺乏有实际开发经验的教师。高校教师的来源主要是高校应届毕业生，缺乏企业工作验和工程实践开发经历。

2 物联网工程专业实践教学体系模块化的意义

教学模块是围绕特定主题、特定技能训练所开展教学活动的组合[3，4]。模块化根据专业知识体系结构和人才培养目标，把内容联系紧密、内在逻辑性强、属同一技能范畴的课程作为一个模块来开展教学。对物联网工程专业的学生而言，实践教学体系模块化具有十分重要的现实意义。

2.1 优化课程体系结构，提高实验课程教学质量

由于物联网工程专业是一个多学科交叉专业，涉及计算机、电子、通信、自动化等学科[5]，目前专业指导思想不明确，课程规划繁杂，很多课程之间教学内容重复，课程特色不够鲜明，开课次序不合理，导致课堂效率低下，实验内容单一，部分内容重复，达不到通过实验提高学生知识运用能力、动手能力和创新能力的目的。而模块化实践教学将针对某一特定主题、技能开展教学活动，同一模块内任课教师构建教学团队，明确各门课程的教学任务，体现课程特色，整体优化教学体系，避免课程之间开课次序不合理、前后不衔接、内容重复等问题，提高实验课程教学质量。

2.2 口径宽与能力专相结合，培养个性化人才

从物联网工程专业培养目标来看，要求学生掌握电子技术、传感器技术、网络通信技术、计算机技术等众多实用技术，但受到教学总课时与学生精力、兴趣爱好等方面的限制，学生很难全面掌握物联网相关技术。而模块化实践教学可以根据学生的兴趣爱好、就业方向，提供个性化实践教学，着重培养学生在某一方面的实践能力和创新能力，使学生毕业后有一技之长，提高学生的就业竞争力。

2.3 促进教师从“单师型”向“双师型”转变

目前高校教师主要来源于高校应届毕业生，尽管这些教师具有较高的学历，理论基础扎实，但缺乏企业工作经验，实践操作能力相对薄弱，大部分老师只有教师资格证，没有工程师资质。而开展模块化实践教学，教师必须提高自身的实践操作能力和项目开发能力，促使教师到企业学习、进修，促进教师从“单师型”向“双师型”转变。

3 物联网工程专业实践教学体系模块划分的依据和原则

实践教学体系模块化并不是把物联网工程专业的课程按照相近程度进行简单划分，这是一项系统的工程，必须遵循一定的原则才能制定系统、科学、可操作的实践教学体系。在划分模块时，要遵循以下原则：

（1）系统性原则。系统研究物联网知识体系架构，从“物联网”系统的角度来划分模块。

（2）实用性原则。制定出的实践教学体系要具有实用性、针对性和高效性。在划分模块时，要分析每门实验课程的特色及实验应达到的目的和要求，注重同一模块内课程间知识的渗透、融合与前后衔接关系，强化学生的知识综合运用能力、实践能力和创新能力。

（3）遵循教育教学规律。实践教学要符合教育教学规律，循序渐进，从认知实践教学到专业技能实践教学，再到综合性创新性实践教学，逐步提高学生的动手能力。

（4）符合学校实际情况。要根据学校师资力量和学校实验室条件来制定切实可行的实践教学体系。

4 实践教学模块的划分

在划分模块时，必须深入研究物联网体系结构，理清各层所包含的主要技术及各层之间的关系。物联网是指通过传感器、射频识别等信息传感设备，按约定的协议把任何物体与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、监控和管理的一种网络，其主要特征是通过传感器、射频识别等方式获取物质世界的信息，通过互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，提高对物质世界的感知能力，实现智能化决策和控制[6]。物联网的体系结构可以根据信息生成、传输、处理和应用划分为感知层、网络层、数据处理层和应用层[7，8]。依据物联网知识体系结构、信阳师范学院物联网工程专业培养方案和教育教学规律，把物联网工程专业的实践教学体系分为认知实践教学模块、程序设计与算法分析实践教学模块、感知层实践教学模块、网络层实践教学模块、数据处理层实践教学模块和应用层实践教学模块。

4.1 认知实践教学模块

认知实践教学模块主要包括计算机引论和物联网导论这两门课程的实践教学。该模块实践教学的目的是让学生掌握计算机硬件、软件、计算机网络、物联网的组成及相关技术，明确各专业课程的意义和相互联系，为后续学习打下坚实基础。实践教学主要将教师演示与学生操作相结合，让抽象的理论通过实验演示变得形象，让学生动手操作以激发学生的求知欲。计算机技术是物联网技术的基础，在讲授计算机引论时，应增加物联网的相关知识，既完善了计算机引论的知识体系，又为学生学习物联网导论打下坚实的基础。例如在演示计算机硬件组成时，可以增加对单片机、ARM芯片的讲解和演示；在做操作系统实验时，增加嵌入式操作系统的实验。物联网是计算机技术的一个典型应用，在讲授物联网导论时，要复习计算机引论相关内容，把两门课程中的相关内容进行分析、对比，不仅可以加深学生对知识的理解，而还以激发学生思考问题。通过这两门课程的学习，让学生明白计算机科学与技术专业和物联网工程专业的联系与差别，有利于学生的学业规划和职业规划。

4.2 程序设计与算法分析实践教学模块

程序O计与算法分析实践教学模块主要包括C语言程序设计和数据结构这两门课程的实践教学。该模块的实践教学目的是让学生掌握C语言、数据结构和算法设计等知识，着重提高编程能力和算法分析与设计能力。C语言程序设计实践教学从基础语法知识开始，逐步引入经典、有趣且与日常生活联系紧密的案例，引导学生从解决问题出发，学习编程知识，并培养学生的编程思维，提高学生的编程兴趣和编程能力。数据结构主要让学生掌握经典数据结构的逻辑结构、物理结构及相关算法实现，重点是数据的组织结构和算法实现。

4.3 感知层实践教学模块

感知层主要负责信息的采集和短距离传送，是物联网系统的核心层。我校针对感知层开设的课程有电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口、嵌入式系统、信号系统、传感器技术、无线传感网络、数据采集技术、射频识别技术、ZigBee技术等课程。本模块实践教学课程多，开课时间跨度大，且课程间知识联系紧密，所以实验教学内容一定要注意课程间的联系。依据课程间的相互关系，该模块实践教学可以细分为硬件课程群和数据采集课程群。

4.3.1 硬件课程群

该课程群包括电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口和嵌入式系统5门课程，主要使学生掌握计算机硬件系统的结构和工作原理，使学生具有计算机系统硬件开发能力和针对具体硬件进行软件开发的能力。该课程群的实验教学不仅加深了学生对理论知识的理解和巩固，还能激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，培养学生的创新意识，为以后的学习和工作打下坚实基础。目前，我校该课程群的实验采用“软件设计与仿真”和真实的硬件开发平台相结合的方式。软件设计与仿真实验主要是加深学生对理论知识的理解和运用，真实的硬件开发平台主要提高学生的动手能力和调试能力，这两种形式虚实结合，相辅相成，各有优势。

4.3.2 数据采集课程群

该课程群包括传感器技术、信号与系统、RFID技术、ZigBee技术、无线传感网络技术、数据采集技术等课程，主要让学生掌握传感器的基本原理、信号处理、数据采集、无线通信及组网技术等，使学生具有设计和开发数据采集系统的能力。目前，我校以北京奥尔斯科技股份有限公司开发的物联网创新实验箱为平台，依次开设有CC2530基础实验、传感器及控制器模块实验、ZigBee无线网络通信实验和嵌入式网关实验，通过这4部分的实验，逐步提高学生的动手能力和创新能力。

4.4 网络层实践教学模块

网络层主要负责信息的传输。该模块的内容使学生能够清晰地认识信息传输的过程、原理和应用，从而使学生能根据实际需要选择合适的通信方式构建物联网网络。我校针对网络层开设的课程有通信原理、计算机网络原理、TCP/IP协议分析、物联网组网技术和网络信息安全技术等课程。首先需要学习通信原理课程，主要内容有与信号相关的基础知识、模拟传输、数字基带传输、基本的数字频带传输、模拟信号数字化与PCM、信号空间分析与多元数字传输、现代数字传输技术、多用户与无线通信、信息论基础以及纠错编码等内容，使学生掌握通信的基本原理；其次，通过学习计算机网络原理、TCP/IP协议分析等课程，使学生认识信息传输的实现机制和具体技术；然后学习网络信息安全技术等课程，使学生了解信息传输中应该考虑的实际问题；最后，通过物联网组网技术课程的学习，使学生能够构建可行的通信网络，同时能够使学生把所学的知识贯穿起来，并在实践中加以应用。

4.5 数据处理层实践教学模块

数据处理层对网络层传输来的海量数据进行存储、处理和智能决策服务等。通过该模块的学习使学生掌握物联网工程中数据处理的基本过程、工作原理和主要方法，并利用这些知识对典型物联网应用领域提出具体的数据处理方案。我校针对数据处理层开设的课程有云计算、物联网数据处理技术、数据挖掘、人工智能等课程。通过云计算课程的学习使学生熟悉当前常用的海量数据存储方案和并行计算框架；通过物联网数据处理技术课程的学习，使学生掌握常用的采集数据的预处理方法，确保采集数据的有效性；通过数据挖掘和人工智能课程的学习，使用相关知识能够在大量采集的数据中发现有价值的规律并加以验证，最后，将发现的有价值的规律应用到实践中，产生实际的应用价值。

4.6 应用层实践教学模块

应用层主要为用户提供良好的解决方案。我校针对应用层开设的课程有数据库技术、操作系统、Linux操作系统、Java语言、网络编程技术、移动软件开发技术等课程，主要让学生掌握数据库技术、操作系统原理、网络编程技术和移动软件开发技术，能根据实际需求设计并实现高效、可用的物联网应用层软件。在前述各模块的基础上，该模块教学过程以典型应用驱动的方式开展。以当地水质检测、茶叶种植场所的土壤养分监控为例，使用Java语言，基于Linux操作系统和MySQL关系型数据库，以Browser/Server架构为指导，实现此类型的物联网典型应用，用户可以通过移动设备方便、快捷地使用这些系统。通过该模块的实践教学，最终使学生将所学知识运用到实践中，让学生深刻体会到实践在学习中的重要性，从而提高他们学习和从事研究的兴趣。

5 模块化实践教学体系实施方案

为了达到模块化实践教学目的，必须遵循教学规律，制定由浅入深，循序渐进的实施方案，整个实践教学过程大体按照认知实践教学模块、程序设计与算法分析实践教学模块、感知层实践教学模块、网络层实践教学模块、应用层实践教学模块和数据处理层实践教学模块的次序开展。由于每个模块包含多门课程，各模块之间开课时间有部分重叠。为进一步提高学生的动手能力和综合知识运用能力，在大四上学期根据学生兴趣和就业方向开展有针对性的C合性实践教学，使学生具有一技之长。具体实践教学体系如表1所列。

6 结 语

物联网工程专业是集计算机专业、通信专业、自动化专业为一体的交叉学科，是一个典型的基于工程应用的学科。因此，实践教学对人才培养质量起着至关重要的作用。本文针对目前物联网工程专业教学存在的问题，提出一套基于模块化的物联网工程专业实践教学体系。该实践教学体系有以下优点：

（1）层次清晰。从认知教学到专业技能模块教学，再到综合性实践教学，由浅入深，由易到难，层次清晰，环环相扣。

（2）教学目标明确。通过系统化的分析方法将物联网工程专业的众多课程分为6个模块来开展实践教学，每个模块教学目标明确，着重强化学生的动手能力和综合应用能力，提高实践教学的效果。

（3）人才特色鲜明。除认知实践教学模块外，每个实践教学模块都对应了物联网工程专业的一个就业方向，学生可以根据自己的兴趣，加强该模块的学习和实践开发，使学生具有一技之长。经过多年教学实践表明，该方案科学合理、切实可行，教学质量得到显著提高。

参考文献

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