構(gòu)建貫穿始終的物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目案例庫的探討與實(shí)踐

陳艷平 李正茂 郭昌建

摘要：該文在分析案例教學(xué)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)領(lǐng)域現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合模塊化教學(xué)的新思想，探究構(gòu)建貫穿始終的物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目案例庫的目標(biāo)，方法，步驟，并將應(yīng)用于合肥學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)中。實(shí)踐表明，從大一開始不斷強(qiáng)化同學(xué)們對專業(yè)領(lǐng)域的了解，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知度和認(rèn)同感，能夠高效的培養(yǎng)學(xué)生分析和解決物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)領(lǐng)域問題的能力和物聯(lián)網(wǎng)工程開發(fā)創(chuàng)新能力。

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）17-0197-02

1 案例教學(xué)法的特點(diǎn)與存在的問題

案例教學(xué)法是基于建構(gòu)主義理論的一種教與學(xué)的模式，是一種綜合性的教學(xué)方法[1-2]。在課堂教學(xué)中，通常先引入案例，提出問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。然后逐步引導(dǎo)，分析案例，提出解決辦法，切入知識點(diǎn)。最后再次回歸到案例，進(jìn)行總結(jié)提煉。案例教學(xué)在學(xué)生能力培養(yǎng)方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得其廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中。

然而，案例教學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題。以課程為單元構(gòu)建而成的人才培養(yǎng)方案中，課程之間的獨(dú)立性強(qiáng)，耦合性差，各個(gè)課程往往引入的是不相干的案例，一方面增加了學(xué)生需要不斷了解新案例背景與需求的負(fù)擔(dān)，另一方面也不利于后續(xù)綜合課程中，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

鑒于此，構(gòu)建貫穿始終的教學(xué)案例庫能夠很好的解決課程各自為政，耦合性差的問題。這些事先設(shè)計(jì)好的案例就像一條條紐帶，將各個(gè)模塊聯(lián)系在一起，通過構(gòu)建一定數(shù)量的時(shí)效性強(qiáng)的真實(shí)案例庫，培養(yǎng)學(xué)生具有解決物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域里的復(fù)雜和不可預(yù)測的問題的高級技能。

2 合肥學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程方向模塊化教學(xué)現(xiàn)狀

在合肥學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)方向模塊化教學(xué)改革理念的指導(dǎo)下，根據(jù)社會和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)工程類人才能力素質(zhì)的要求，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)工程模塊化人才培養(yǎng)方案的模塊圖[3-4]。為了突出物聯(lián)網(wǎng)工程方向，如圖1所示，程序設(shè)計(jì)模塊與電路與電子技術(shù)模塊為基礎(chǔ)模塊，為IT行業(yè)大類基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，計(jì)算機(jī)網(wǎng)基礎(chǔ)，單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用為專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)的Web應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供理論及技能的支撐。物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)，畢業(yè)設(shè)計(jì)，第二課堂則為高級模塊，旨在將理論、技能、分析問題能力等多方面的綜合起來，解決行業(yè)內(nèi)的實(shí)際問題。模塊層層遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣。

3 貫穿人才培養(yǎng)方案始終的項(xiàng)目案例庫的設(shè)計(jì)思路

如何利用有限的教學(xué)實(shí)踐和資源高效率的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的問題被自然而然的提出，例如，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是物聯(lián)網(wǎng)工程師，而物聯(lián)網(wǎng)就是典型的源于應(yīng)用需求的多學(xué)科綜合領(lǐng)域，包含傳感層，網(wǎng)絡(luò)通信層，應(yīng)用層。其中傳感層涉及傳感器技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，嵌入式技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通信層涉及串口通信，Zigbee通信，WIFI通信，Socket編程；應(yīng)用層涉及Web應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，HTTP協(xié)議編程，嵌入式開發(fā)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)等；此時(shí)，基于項(xiàng)目或者問題求解的學(xué)習(xí)和工作就將不同學(xué)科關(guān)聯(lián)起來。利用以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，通過分解項(xiàng)目，提煉任務(wù)，精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例，把理論知識運(yùn)用于工程實(shí)踐。在掌握該領(lǐng)域的高級知識的基礎(chǔ)上，整合小案例，綜合小任務(wù)，最終通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成專業(yè)化領(lǐng)域里的復(fù)雜項(xiàng)目的求解。從而達(dá)到事半功倍的效果。

貫穿人才培養(yǎng)方案的項(xiàng)目案例庫的總體思路為以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為抓手，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)復(fù)合能力，以案例教學(xué)為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的基本技能。圖1展示了貫穿人才培養(yǎng)方案的項(xiàng)目案例庫的設(shè)計(jì)思路與流程。

具體方法是首先獲取來自企業(yè)實(shí)際的真實(shí)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目需要具有時(shí)效性，代表性，綜合性三大特點(diǎn)。時(shí)效性指的是項(xiàng)目要新，在IT領(lǐng)域日新月異的當(dāng)今，所選項(xiàng)目一定要緊跟時(shí)代發(fā)展的潮流。代表性指的是項(xiàng)目要典型，能代表物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域的普遍需求，綜合性指的是項(xiàng)目需求涉及的面要廣，能基本覆蓋物聯(lián)網(wǎng)功能的能力要素。往往實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用場景千差萬別，為了能讓實(shí)際項(xiàng)目更加適合專業(yè)化教學(xué)，需要簡化并提取項(xiàng)目中的普適性問題，將其按照軟件工程模塊設(shè)計(jì)思想——單個(gè)模塊獨(dú)立性強(qiáng)，耦合度低，可重用——做任務(wù)分解，分解為一個(gè)個(gè)小任務(wù)。這些任務(wù)再通過重構(gòu)，形成一個(gè)個(gè)案例，服務(wù)于不同模塊教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

從整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)來看，項(xiàng)目案例作用可以通過圖3在三個(gè)方面得到體現(xiàn)。

（1）項(xiàng)目案例首先通過簡化，重構(gòu)的方式，運(yùn)用于模塊教學(xué)中，服務(wù)于培養(yǎng)學(xué)生具有某一工作或?qū)W習(xí)領(lǐng)域的高級知識，包括能深度知曉有關(guān)理論和原理的能力，打好基礎(chǔ)。

（2）項(xiàng)目案例直接應(yīng)用于集中實(shí)訓(xùn)、企業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，學(xué)生以項(xiàng)目組形式組隊(duì)，設(shè)置項(xiàng)目經(jīng)理，項(xiàng)目監(jiān)理，技術(shù)總監(jiān)等角色，完成整個(gè)項(xiàng)目案例，包括從需求分析、可行性分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，測試，交付等環(huán)節(jié)，服務(wù)于培養(yǎng)學(xué)生具有解決在某工作或?qū)W習(xí)專業(yè)化領(lǐng)域里的復(fù)雜和不可預(yù)測的問題的高級技能，以及團(tuán)對溝通協(xié)作能力。

（3）項(xiàng)目案例通過深化，擴(kuò)展，引出新的問題或者添加新的功能，可以參加第二課堂學(xué)科競賽，也可以作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究課題，更甚者可以作為教師的科研產(chǎn)學(xué)研課題加以研究，研究結(jié)果進(jìn)一步回饋行業(yè)。

4 構(gòu)建實(shí)踐

4.1 項(xiàng)目篩選

項(xiàng)目案例全部來自于生產(chǎn)一線，主要有兩個(gè)途徑，一方面來自于合作企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目，另一方面來自于參與教學(xué)的教師的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目。根據(jù)項(xiàng)目案例應(yīng)該具備時(shí)效性，代表性，綜合性的篩選原則，我們從大量的案例庫中篩選出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，智能交通物聯(lián)網(wǎng)，智能家居物聯(lián)網(wǎng)三大應(yīng)用領(lǐng)域。

4.2 項(xiàng)目簡化

作為真實(shí)的企業(yè)案例，考慮預(yù)算、技術(shù)可行性、人員、應(yīng)用場景等多方面的因素，設(shè)計(jì)出的方案一定是個(gè)性化的。而作為教學(xué)案例，需要將其需求進(jìn)行整合，去繁存簡，保證項(xiàng)目案例既要面面俱到，又不能吹毛求疵。以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為例，典型的應(yīng)用是傳感層采集環(huán)境數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)，應(yīng)用層在云端存儲，查看，分析數(shù)據(jù)，通過手動(dòng)或者自動(dòng)的方式反向控制終端設(shè)備，以及過程中的排錯(cuò)與安全等問題。然而場景不同，傳感層采集的參數(shù)就不同，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是傳感器應(yīng)用類型最多的領(lǐng)域，顯然我們將實(shí)際項(xiàng)目案例照搬過來就不合適，因此會選取常規(guī)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣溫度濕度，選取常用的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，如Zigbee，4G，Internet（有線或無線）作為教學(xué)案例來用。

4.3 項(xiàng)目任務(wù)分解

項(xiàng)目任務(wù)分解按照軟件工程模塊設(shè)計(jì)原則，即單個(gè)模塊獨(dú)立性強(qiáng)，耦合度低，可重用的原則，做任務(wù)分解，分解為一個(gè)個(gè)小任務(wù)。同樣以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為例，目標(biāo)要求構(gòu)建智能陽臺種植系統(tǒng)?？梢詫咐纸鉃槿齻€(gè)層面的多個(gè)小任務(wù)。如傳感層需要完成環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸，設(shè)備的反向?qū)崟r(shí)控制，單片機(jī)應(yīng)用最為核心。在網(wǎng)絡(luò)層，根據(jù)技術(shù)方案的不同，可采用Socket通信，MQTT，HTTP等協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交換。在應(yīng)用層，主要關(guān)注人機(jī)交互界面的開發(fā)，業(yè)務(wù)流程的處理等，可采用手機(jī)端（Andriod開發(fā)，IOS開發(fā)），PC端（Web開發(fā)），微信端。由此，將任務(wù)分解為三個(gè)層面上的三個(gè)任務(wù)：（1）傳感層上基于單片機(jī)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集與反向控制；（2）網(wǎng)絡(luò)層上的數(shù)據(jù)交換技術(shù)的應(yīng)用——網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程；（3）應(yīng)用層上的應(yīng)用開發(fā)（Andriod開發(fā)，Web應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)）。這三個(gè)任務(wù)所涉及到的內(nèi)容則基本覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的大部分模塊。接下來的將這些小任務(wù)目標(biāo)進(jìn)一步明確細(xì)化，就可以用于基礎(chǔ)模塊中，作為案例進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練。

4.4 為模塊定制案例

為人才培養(yǎng)方案中涉及到的核心模塊定制案例時(shí)，遵循從簡單到綜合的原則。首先為基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課定制案例。例如，程序設(shè)計(jì)模塊為基礎(chǔ)模塊，根據(jù)程序設(shè)計(jì)模塊的能力要求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的采集控制的邏輯特點(diǎn)，定制了智能陽臺控制案例，用以培養(yǎng)學(xué)生利用分支結(jié)構(gòu)解決實(shí)際問題的能力。智能陽臺控制案例的任務(wù)描述為：為智能陽臺系統(tǒng)編寫一個(gè)應(yīng)用場景，當(dāng)濕度<40%，溫度<30時(shí)，打開水閥。也可在此基礎(chǔ)上，設(shè)置更為復(fù)雜的switch結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程專業(yè)模塊，接著為為智能陽臺系統(tǒng)編寫通信協(xié)議，采用UDP連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序。采用TCP連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制程序。

通過以上方法，精心設(shè)計(jì)模塊教學(xué)案例，力求通過各個(gè)模塊案例的訓(xùn)練，一方面達(dá)到本模塊的培養(yǎng)目標(biāo)，另一方面為后續(xù)的實(shí)訓(xùn)模塊，第二課堂，畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供技術(shù)儲備。理想情況是，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)模塊中，完成任務(wù)就像搭積木一樣輕松，而積木則來源于各個(gè)模塊的積累。

5 總結(jié)

在合肥學(xué)院模塊化教學(xué)改革的引領(lǐng)下，在本系網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開展了構(gòu)建貫穿始終的物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目案例庫的實(shí)踐。它既汲取了案例教學(xué)發(fā)的優(yōu)勢，又彌補(bǔ)了模塊間關(guān)聯(lián)度不夠，案例引入與專業(yè)領(lǐng)域知識不相關(guān)的問題，一定程度上可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并從大一開始不斷強(qiáng)化同學(xué)們對專業(yè)領(lǐng)域的理解，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知度和認(rèn)同感，最終變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，同時(shí)也能夠高效的培養(yǎng)學(xué)生分析和解決物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)領(lǐng)域問題的能力和物聯(lián)網(wǎng)工程開發(fā)創(chuàng)新能力。下一步，還需要進(jìn)一步進(jìn)入企業(yè)的經(jīng)典案例，在任務(wù)分解和案例設(shè)計(jì)上，還需要不斷的打磨，以適應(yīng)新工科建設(shè)目標(biāo)。

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