物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)探討

蘇博妮　化希耀

摘要：該文針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)中存在的知識繁雜、學(xué)時緊張，導(dǎo)致的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果差的現(xiàn)狀，提出結(jié)合市場需求和自身實際，精簡課程知識，在教學(xué)中以硬件平臺為輔、側(cè)重上位機應(yīng)用開發(fā)，采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)的教學(xué)思路和方法，并給出了基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)應(yīng)用思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)；任務(wù)驅(qū)動；項目驅(qū)動；教學(xué)改革；教學(xué)方法

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0140-03

Teaching Discussion on Designing System of Internet of Things

SU Bo-ni1， HUA Xi-yao1，2

（1.School of Intelligent Manufacturing， Sichuan University of Arts and Science， Dazhou 635000， China； 2.Institute of Dazhou Intelligent Manufacturing Technology， Sichuan University of Arts and Science， Dazhou 635000， China）

Abstract： This article aims at the current situation that the teaching of Internet of Things application system design course is complicated and the time is tense， which leads to the poor teaching and learning effect. It puts forward that combining the market demand and own reality， streamlining the course knowledge， supplemented by the hardware platform in teaching， focusing on PC application development， the use of task-driven teaching of teaching ideas and methods， and gives a task-driven teaching ideas.

Key words： Internet of Things applications system； task-driven；Project driven；teaching reform； teaching methods

一個完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分為三個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層主要用于識別物體和采集信息，核心的技術(shù)即傳感器技術(shù)和RFID技術(shù)，涉及的自動感知設(shè)備主要有RFID標(biāo)簽和讀寫器、傳感器；網(wǎng)絡(luò)層主要將感知層獲取的信息進行傳輸，核心技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；應(yīng)用層主要面向用戶，是物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，是各種面向企業(yè)行業(yè)的智能應(yīng)用，一般用于展示感知層獲取的信息或者對底層設(shè)備進行遠程啟動和控制，核心技術(shù)涉及各種軟件開發(fā)技術(shù)，比如Android應(yīng)用開發(fā)、javaweb開發(fā)技術(shù)等，其中以面向移動終端的安卓應(yīng)用系統(tǒng)最為普遍[1-2]。從數(shù)據(jù)感知、傳輸處理再到控制，完成一個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的知識涉及電子、通信、計算機等多個學(xué)科，因此要學(xué)習(xí)的專業(yè)課程和內(nèi)容遠遠多于其他專業(yè)，要在有限的學(xué)時內(nèi)，使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概念和理論知識，具有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)能力，其難度可以想象，《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》課程正是承載著這一任務(wù)，對于學(xué)生專業(yè)知識和技能水平的綜合應(yīng)用和提高意義重大。

1 課程教學(xué)目標(biāo)及現(xiàn)狀

《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》課程作為該專業(yè)的一門關(guān)鍵性的實踐課程，以綜合應(yīng)用專業(yè)知識和技能，開發(fā)和設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)為目標(biāo)，該課程一般在大三下學(xué)期開設(shè)，在學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了電子電路、程序設(shè)計、單片機技術(shù)及應(yīng)用、傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等課程后，通過該門課程使學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識和技能，能夠設(shè)計完成包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)[3]。通過課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能熟練掌握使用軟硬件開發(fā)工具進行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，能夠熟悉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的流程。該課程的學(xué)習(xí)對于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識、提高實踐應(yīng)用技能都具有非常重要的作用，也為學(xué)生走上工作崗位打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

課程開設(shè)初期的定位是綜合應(yīng)用學(xué)科知識，通過完成一個完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，全面檢驗和提升學(xué)生的專業(yè)知識和技能，初衷是值得肯定的，但在課程具體實施的過程中，卻發(fā)現(xiàn)要完成這樣一個目標(biāo)，無論是對任課教師還是學(xué)生來說，都是一個巨大的挑戰(zhàn)。從學(xué)生層面來說，課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是要完成一個完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，從學(xué)生掌握知識的角度來說，有三個層面的知識要求，首先需要學(xué)生在硬件方面掌握一定的電路設(shè)計和分析能力，具有較為熟練的單片機編程水平和技能[4]，其次要將感知層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，若采用wifi，ZigBee等無線傳輸?shù)姆绞?，因此學(xué)生必須掌握無線通信協(xié)議，路由協(xié)議及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)等，最后應(yīng)用層如果要設(shè)計移動應(yīng)用客戶端，以廣泛使用的Android系統(tǒng)為例，都要求掌握java編程語言和eclipse開發(fā)環(huán)境，要掌握UI布局，熟悉Android的通信機制、activity、service的生命周期等[5-6]。顯然這是一個復(fù)雜繁重的學(xué)習(xí)過程，涉及的專業(yè)課程從軟件到硬件，如果有哪一門課程不過關(guān)，都有可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程難以繼續(xù)，項目無法順利完成，最終可能是囫圇吞棗，沒有任何收獲。從教師層面來說，大多數(shù)教師都有自己相對穩(wěn)定的研究領(lǐng)域和專長，而該門課程涉及知識點跨越軟件和硬件兩個層面，涉及的課程更是包括了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的幾乎所有的核心專業(yè)課程，這對于任課教師來說，很難面面俱到，無疑增大了授課難度，高校教師相對實踐應(yīng)用設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗不足，這也極大的限制課程的實施方式，影響了教學(xué)效果，事實上，在實際的教學(xué)過程，這種定位的弊端越來越明顯，教師授課難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)吃力，學(xué)習(xí)效果差，意見多，導(dǎo)致課程排課困難，學(xué)生怨聲載道，課程的教學(xué)改革迫在眉睫。

2 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的探討

2.1教學(xué)內(nèi)容的探討

通過對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)課程的分析，我們發(fā)現(xiàn)，初期設(shè)置時定位目標(biāo)完成一個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)在具體實施時困難重重，課程涉及知識點多，實踐要求高，無論是學(xué)生還是教師都難以承受。綜上，我們開始思考如何改革這門課程，首先就是從教學(xué)內(nèi)容方面進行分解，確立一個相對穩(wěn)定的研究方向，使得課程的學(xué)習(xí)和項目設(shè)計有所側(cè)重，鑒于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐性、應(yīng)用型較強，要確定一個合適的研究方向，使得學(xué)生和教師在教學(xué)和學(xué)習(xí)中有所側(cè)重，從而減輕負擔(dān)，提高實際的應(yīng)用能力，而不是面面俱到，敷衍了事，因此我們進行了一系列的企業(yè)和市場調(diào)研，根據(jù)企業(yè)實訓(xùn)的項目特點和歷屆畢業(yè)生的就業(yè)方向和崗位進行和分析和調(diào)研，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生的就業(yè)方向主要有有兩大類型，即嵌入式應(yīng)用開發(fā)和移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，前者主要側(cè)重硬件開發(fā)，從知識層次來說，要求掌握單片機技術(shù)、模擬和數(shù)字電路、計算機網(wǎng)絡(luò)、匯編語言或者c語言等相關(guān)課程知識。后者主要是基于Android系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，包括Android客戶端開發(fā)和游戲開發(fā)。一般要求熟悉Android Framework，掌握UI布局，以及熟悉Android 的 Broadcast Receiver，Intent 等通信機制和 Activity、Service 的生命周期等內(nèi)容，另外要求掌握JSP、ASP和java script等腳本編程語言，熟悉數(shù)據(jù)傳輸HTTP協(xié)議，至少掌握一種數(shù)據(jù)庫的操作[7]。事實上，這兩方面正是將我們初期對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)課程的目標(biāo)定位根據(jù)軟硬件模塊劃分為了兩部分。

鑒于我校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是從計算機專業(yè)發(fā)展而來，教師的專業(yè)和能力擅長主要在軟件方面，因此最后我們決定將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程的項目方向以移動應(yīng)用開發(fā)為主，硬件為輔。課程的教學(xué)內(nèi)容主要以開發(fā)移動客戶端為主，側(cè)重學(xué)習(xí)Android應(yīng)用開發(fā)技能，數(shù)據(jù)庫的操作，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等內(nèi)容，考慮到較大數(shù)據(jù)庫的存儲和傳輸處理的需要，同時還介紹Web應(yīng)用開發(fā)知識，比如javaweb、Apache Tomcat 服務(wù)器，My SQL 數(shù)據(jù)庫等滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。在實際的課程實施過程中，學(xué)院通過引進物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，借助已有的硬件系統(tǒng)和平臺，進行移動應(yīng)用開發(fā)，通過這一改進，極大地降低了課程的難度，同時也發(fā)揮了教師的特長，學(xué)生既可以通過實驗平臺對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有一個完整的認識，又可以有所側(cè)重，發(fā)揮軟件特長，完成移動應(yīng)用開發(fā)，擺脫了以往面面俱到的尷尬境地。確立了這樣一個課程方向和目標(biāo)之后，接下來就是要討論具體的教學(xué)方法了。

2.2項目驅(qū)動式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)方法

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的定位是實踐應(yīng)用型，因此學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而項目驅(qū)動式的教學(xué)模式正是長期從事這一領(lǐng)域的專家學(xué)者達成的共識。而且我校作為應(yīng)用型本科，學(xué)生的基礎(chǔ)底子差，因此培養(yǎng)和提高學(xué)生的實踐技能也是教學(xué)的重點。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式，側(cè)重理論或者由于學(xué)時的限制，導(dǎo)致實踐機會被壓縮，項目驅(qū)動式教學(xué)既可以滿足學(xué)時的需要，而且通過項目演示教學(xué)，在具體的項目過程中參插進知識點，學(xué)生以任務(wù)為驅(qū)動，通過完成項目的階段性任務(wù)，直觀地看到任務(wù)的成果，學(xué)生有了成就感，積極性得到提高，學(xué)習(xí)效果也會更加明顯。

項目驅(qū)動式教學(xué)的關(guān)鍵是要選擇有實際應(yīng)用價值的項目，因此教師進行項目設(shè)計時，要緊密聯(lián)系實際，加強與企業(yè)的合作和交流溝通，對項目進行精心設(shè)計，比如環(huán)境監(jiān)控，智能家居物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的典型應(yīng)用，要對整個項目的功能進行劃分，根據(jù)功能模塊的實現(xiàn)為目的進行教學(xué)，要實現(xiàn)這一功能模塊需要什么技術(shù)和方法有針對性教學(xué)，教師教學(xué)對應(yīng)相應(yīng)的知識點，進行操作和講解，學(xué)生以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)完成功能模塊，在完成過程中通過相互交流，上網(wǎng)查資料查書籍等方法進行學(xué)習(xí)，隨著項目的完成和學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信心就不斷增強，在實踐中學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)中實踐，不僅使學(xué)生主動性增強，而且教學(xué)效果也顯著提高[8]。

2.3基于項目驅(qū)動的教學(xué)過程

學(xué)院配置了物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實驗箱，項目涉及智能停車場，智能門窗，智能家居照明系統(tǒng)，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用場景，硬件平臺已經(jīng)事先搭建好，可進行二次應(yīng)用開發(fā)，用作本課程的基礎(chǔ)平臺。課程的任務(wù)就是在本平臺的基礎(chǔ)上，完成上位機軟件的開發(fā)。首先由教師講解整個應(yīng)用系統(tǒng)功能和整體架構(gòu)，根據(jù)硬件環(huán)境確定軟件系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，可根據(jù)設(shè)計目標(biāo)進行功能分解，為了讓學(xué)生建立完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)體系概念，對于既有硬件平臺和設(shè)備，側(cè)重指導(dǎo)學(xué)生理解硬件電路工作原理，傳感器應(yīng)用模塊的設(shè)計和傳感器的應(yīng)用等，以便于進行軟件應(yīng)用設(shè)計。在上位機軟件設(shè)計過程中，著重加強學(xué)生對傳感器數(shù)據(jù)采集的方法，數(shù)據(jù)傳輸和存儲技術(shù)，在講授過程中，著重加強學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)”概念的認識，理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，對下位機采集的數(shù)據(jù)如何進行傳輸，使用有線還是無線，是短距離傳輸還是遠距離傳輸，采用哪種協(xié)議，掌握網(wǎng)絡(luò)指令，路由協(xié)議等等，基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)知識，zigbee協(xié)議及其組網(wǎng)知識等，通過實際項目的完成，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

以物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用為例，要實現(xiàn)的主要功能就是基于各種傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并利用無線傳輸或有線傳輸方式傳到上位機顯示，即設(shè)計開發(fā)軟件客戶端，能夠獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)進行顯示，并根據(jù)需要進行監(jiān)控和報警。在硬件模塊主要包括溫濕度、室內(nèi)燈光，室內(nèi)煙霧、人體感應(yīng)等傳感器節(jié)點，完成對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，并通過串口通信或者zigbee技術(shù)實現(xiàn)傳輸和控制，在這個過程中，課程涉及的傳感器應(yīng)用知識、數(shù)據(jù)傳輸和存儲、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)和軟件編程知識等內(nèi)容可以在項目完成過程中穿插講解和學(xué)習(xí)，學(xué)生即學(xué)即用，在做中學(xué)，學(xué)中做，課堂互動增強，既簡化了理論知識，也使枯燥的學(xué)習(xí)變得更加有趣，學(xué)生不僅掌握了必要的理論知識，實踐技能也得到了鍛煉。學(xué)生完成設(shè)計項目后，進行分組匯報，講述自己的設(shè)計思路和觀點，以及設(shè)計中用到關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計開發(fā)過程，同時其他同學(xué)積極參與討論學(xué)習(xí)。通過這種學(xué)生講授，教師引導(dǎo)和共同討論的方式，極大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，而課程的成績由教師根據(jù)學(xué)生完成的應(yīng)用系統(tǒng)和在設(shè)計中的表現(xiàn)進行綜合評定。

3 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計課程是連接物聯(lián)網(wǎng)理論知識和實踐應(yīng)用的一個橋梁，在整個課程體系中具有重要地位。結(jié)合實際就業(yè)和市場需求確立穩(wěn)定的設(shè)計和研究方向是課程教學(xué)的根本，經(jīng)過市場調(diào)研，結(jié)合我校實際，以硬件平臺為基礎(chǔ)，著重完成數(shù)據(jù)采集和上位機的顯示及基于傳感器數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用軟件客戶端開發(fā)，既簡化了該課程的內(nèi)容，也降低了難度，而以任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)也極大了增強了學(xué)生的參與性和能動性，使得課程的教學(xué)效果和學(xué)生的應(yīng)用開發(fā)能力都得到了提高。

參考文獻：

[1]王金庭，楊敏.《物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合設(shè)計》課程建設(shè)的研究與實踐[J].信息通信，2017（9）：279-280.

[2]邵星，王翠香.實踐驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究[J].科技視界，2015（33）：74-79.

[3]李翔宇，曾燕清，陳志德.基于崗位需求的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)體系建設(shè)思考[J].福建電腦，2016，32（9）：36-50.

[4]項慧慧，邵星，孟海濤，等.基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驅(qū)動的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程教學(xué)改革研究與探索[J].科技與創(chuàng)新，2017（11）：145-147.

[5]張韜政，杜懷昌，孟放.《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用》課程教學(xué)初探[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（1）：162-164.

[6]韓靜.高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實施應(yīng)用型實踐教學(xué)的方法研究[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2017（22）：94.

[7]羅保山，肖奎.高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)課程設(shè)置探討[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（11）：77-79.

[8]馬巧梅.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程的教學(xué)探索[J].微型電腦應(yīng)用，2014，30（6）：62-64.