張 策,呂為工
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東威海 264209)
隨著信息與通訊技術(shù)的快速發(fā)展,特別是5G 網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn),以物聯(lián)網(wǎng)等為代表的第三次信息化浪潮給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大推動(dòng)力。物聯(lián)網(wǎng)是可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物和物、物和人、人和物互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò),融合了多方面技術(shù),成為培養(yǎng)計(jì)算機(jī)、電子信息通信類等方向研究生綜合設(shè)計(jì)、分析和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng),以及解決復(fù)雜信息化工程問(wèn)題能力的重要學(xué)科。
近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革與研究主要聚焦在教學(xué)模式與方法、課程體系建設(shè)、實(shí)踐改革和學(xué)生綜合能力培養(yǎng)等方面。例如,文獻(xiàn)[4]采用SPOC+雨課堂的方式構(gòu)建線上線下混合式教學(xué)模式,創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程改革;文獻(xiàn)[5]以提升學(xué)生綜合能力為導(dǎo)向,注重對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)崗位核心能力的培養(yǎng),從課程設(shè)計(jì)、資源開發(fā)、實(shí)踐條件、考核評(píng)價(jià)等方面建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系;文獻(xiàn)[6]提出應(yīng)注重應(yīng)用型物聯(lián)網(wǎng)人才解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng),強(qiáng)化綜合訓(xùn)練與實(shí)踐,向工程教育專業(yè)認(rèn)證方向靠攏;文獻(xiàn)[7]提出新工科背景下的物聯(lián)網(wǎng)工程自適應(yīng)實(shí)踐教學(xué)綜合模式,對(duì)配套教學(xué)方案、教學(xué)資源和育人機(jī)制等進(jìn)行了完善;文獻(xiàn)[8]提出應(yīng)強(qiáng)化案例資源模塊化開發(fā),打通實(shí)驗(yàn)課程之間的壁壘,注重利用課外校外豐富的課程資源,促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提升;文獻(xiàn)[9]面向工程教育認(rèn)證,綜合改造物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系,創(chuàng)建了人才培養(yǎng)成效評(píng)價(jià)、質(zhì)量監(jiān)控、跟蹤反饋機(jī)制。此外,還有許多學(xué)者圍繞物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革、PBL 教學(xué)法創(chuàng)新應(yīng)用、多學(xué)科融合方法運(yùn)用以及工程實(shí)踐技術(shù)課程進(jìn)行了探索,有效促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè)。
由于物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)體系龐大,涉及理論與技術(shù)較為廣泛,如何科學(xué)、合理、清晰、嚴(yán)密地規(guī)劃課程教學(xué)體系,制定并實(shí)施多種教學(xué)方法集成創(chuàng)優(yōu),對(duì)于提升課程教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生學(xué)習(xí)成效至關(guān)重要,是物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革發(fā)展至今亟待解決的問(wèn)題。迄今為止尚未有文獻(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)與內(nèi)容體系進(jìn)行全面、完整的設(shè)計(jì),對(duì)教學(xué)方法的集成式創(chuàng)新運(yùn)用也缺乏全面、深刻的論述。在前續(xù)教學(xué)改革與研究的基礎(chǔ)上,本文針對(duì)如何開展計(jì)算機(jī)類專業(yè)碩士研究生物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué),如何創(chuàng)新教學(xué)方法以實(shí)現(xiàn)更有效的知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)等問(wèn)題進(jìn)行探討,以期為更好地開展物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)提供有益借鑒。
考慮到計(jì)算機(jī)類專業(yè)碩士生已經(jīng)具備較為系統(tǒng)的知識(shí)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的認(rèn)知能力,教學(xué)中將每一章節(jié)作為獨(dú)立專題,集成物聯(lián)網(wǎng)某一方面的知識(shí)。圍繞課程內(nèi)容編排了12章24學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容,具體見表1。
與本科生教學(xué)相比,研究生物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)更加注重內(nèi)容的系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性和邏輯性,強(qiáng)調(diào)基本理論與技術(shù)內(nèi)涵的闡釋,將技術(shù)應(yīng)用與項(xiàng)目開發(fā)作為重要著力點(diǎn),啟發(fā)、引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)與開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的思維與創(chuàng)新能力,提高其在復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng)需求分析、整體設(shè)計(jì)、項(xiàng)目開發(fā)、應(yīng)用部署過(guò)程中解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。
基于表1 的知識(shí)點(diǎn)脈絡(luò)能建立起完整的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與技術(shù)體系。以物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)為基礎(chǔ),測(cè)量采集物理世界信息的感知層、網(wǎng)絡(luò)層(傳輸層或通信層)、應(yīng)用層,采用以嵌入式系統(tǒng)或微機(jī)電系統(tǒng)為核心的軟硬件綜合體,以連接和傳輸為核心的網(wǎng)絡(luò)層和上層應(yīng)用軟件綜合構(gòu)建出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的知識(shí)體系。同時(shí),限于課時(shí)并考慮到對(duì)已講授內(nèi)容的留白,有些教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有講授,通過(guò)課下網(wǎng)絡(luò)共享的方式留給學(xué)生自主學(xué)習(xí)。
課程教學(xué)內(nèi)容圍繞以下幾個(gè)路線進(jìn)行講解:①以數(shù)據(jù)的生命周期為線索進(jìn)行講解,包括數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳感/測(cè)量、匯聚、融合、傳輸、存儲(chǔ)、加工、展示等;②以物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)(即體系結(jié)構(gòu))為線索進(jìn)行講解,著重指出雖然物聯(lián)網(wǎng)至今沒(méi)有統(tǒng)一的架構(gòu)、組成和協(xié)議等,但在某些細(xì)分領(lǐng)域或行業(yè)內(nèi),物聯(lián)網(wǎng)有相對(duì)一致的規(guī)范;③以不斷深化對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)認(rèn)識(shí)為線索進(jìn)行講解,例如WSN、RFID、M2M 均為物聯(lián)網(wǎng),要著力把握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì);④以工程案例或真實(shí)項(xiàng)目為牽引,注重引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用的認(rèn)知,增強(qiáng)其對(duì)這一復(fù)雜計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)能力。以上路線基本形成了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作的全過(guò)程。
互聯(lián)網(wǎng)信息主要通過(guò)人工采集后錄入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,物聯(lián)網(wǎng)則直接感知物理世界,實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)采集、傳輸、處理。由于物聯(lián)網(wǎng)是在信息與通訊技術(shù)發(fā)展到較高程度后被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提出,支撐物聯(lián)網(wǎng)3 層架構(gòu)的技術(shù)眾多,實(shí)現(xiàn)相同模塊或系統(tǒng)功能的技術(shù)也相對(duì)豐富,這使得在教學(xué)中使用對(duì)比性方法講解多種同類技術(shù)成為自然之選(見表2)。
2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)的起源場(chǎng)景與表現(xiàn)形式
物聯(lián)網(wǎng)是典型的、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng),教學(xué)中將其概括為由感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層構(gòu)成的整體架構(gòu)。為了幫助學(xué)生更好地理解物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵,采用對(duì)比性教學(xué)方法對(duì)3 種典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行類比講解。圖1 展示了以WSN、RFID 和M2M 為例進(jìn)行對(duì)比講解的思路,有助于學(xué)生快速理解物聯(lián)網(wǎng)的起源場(chǎng)景,對(duì)于掌握物聯(lián)網(wǎng)形態(tài)演進(jìn)具有重要啟發(fā)作用。
感知層是物聯(lián)網(wǎng)的前端,代表著設(shè)備(Device),可以抽象為“端”;網(wǎng)絡(luò)層(通信層)是物聯(lián)網(wǎng)的中部,代表著連接(Connection),可以抽象為“網(wǎng)”;應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的后端,代表著管理(Management),通常部署在云平臺(tái)上,可以抽象為“云”。如此便可得到若干個(gè)從不同角度對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行概括或總結(jié)的詞匯,分別為物聯(lián)網(wǎng)、IoT、WSN、RFID、M2M、DCM、云網(wǎng)端,從而深化學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)。
2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)
感知層是物聯(lián)網(wǎng)直接與物理世界進(jìn)行交流的部分,主要用于傳感物理世界信息和控制硬件結(jié)構(gòu)工作。感知層中的設(shè)備通常采用無(wú)線方式連接,由于具有短距離、低速度、低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特征而被稱為無(wú)線個(gè)域網(wǎng),即線低速網(wǎng)絡(luò)。不同機(jī)構(gòu)先后研發(fā)了一系列無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的同類技術(shù),通常包括藍(lán)牙Bluetooth(包括低功耗藍(lán)牙BLE)、紫蜂ZigBee、紅外通訊技術(shù)IrDA、近距離通信技術(shù)NFC、超寬帶UWB、HomeRF、Z-wave、Thread 8 種無(wú)線通信方式。
基于此,教學(xué)中要向?qū)W生特別指出,感知層內(nèi)部通常采用上述無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)模塊之間的連接與信息傳輸,因此感知層內(nèi)部是有網(wǎng)絡(luò)的。物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)中存在網(wǎng)絡(luò)層或傳輸層,網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中承擔(dān)的是連接與通信功能,準(zhǔn)確地講,這種基本功能跨越物聯(lián)網(wǎng)的感知層與網(wǎng)絡(luò)層。感知層中的網(wǎng)絡(luò)主要為無(wú)線個(gè)域網(wǎng),用于連接底層的各種設(shè)備。相比之下,網(wǎng)絡(luò)層中的網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、通信速度、功耗和成本方面比感知層更高,主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層接受處理,其網(wǎng)絡(luò)功能覆蓋了物聯(lián)網(wǎng)的底部?jī)蓪?,但在功能上有所不同。在此基礎(chǔ)上,對(duì)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、無(wú)線城域網(wǎng)(WiMAX)、無(wú)線廣域網(wǎng)/移動(dòng)通信網(wǎng)/移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)/M2M、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行概要性比較講解。表2 列出了采用對(duì)比法講授的教學(xué)內(nèi)容及重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。采用對(duì)比性教學(xué)方法配合具體實(shí)例進(jìn)行講解,可以幫助學(xué)生更好地掌握多種技術(shù)之間的區(qū)別與聯(lián)系。
啟發(fā)式教學(xué)方法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)其探索問(wèn)題的積極性和主動(dòng)性。例如,在M2M 這種特殊的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)教學(xué)中,可以啟發(fā)學(xué)生思考能否將中間的云細(xì)化為云計(jì)算中的PaaS 和SaaS;能否將其與具體業(yè)務(wù),如智慧農(nóng)業(yè)、智慧環(huán)保結(jié)合起來(lái),形成智慧物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái);能否用形式化方法進(jìn)行建模,提出相應(yīng)的通信、調(diào)度等算法和公式,繼而開發(fā)出演示系統(tǒng)或驗(yàn)證系統(tǒng)。
Fig.1 Explaining the origin scenario of the Internet of things by comparison圖1 以對(duì)比性教學(xué)方法講解物聯(lián)網(wǎng)起源場(chǎng)景
再以Google 的搜索服務(wù)講解為例,采用啟發(fā)式教學(xué)法能較好地對(duì)分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理技術(shù)進(jìn)行講解。首先從Google 的搜索引擎業(yè)務(wù)需要對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理這一現(xiàn)實(shí)出發(fā),自然引申出要有一套分布式文件系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)頁(yè)文件等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理,由此提出Google文件系統(tǒng)GFS(其對(duì)應(yīng)Hadoop 的文件系統(tǒng)HDFS);然后在GFS 的基礎(chǔ)上,需要對(duì)龐大、多樣化的非結(jié)構(gòu)化海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),進(jìn)而引申出分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)BigTable(類似于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)應(yīng)Hadoop 的HBase);最后需要對(duì)這些海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速加工處理,但現(xiàn)有基于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的處理技術(shù)無(wú)法適用,進(jìn)而引申出數(shù)據(jù)處理模型MapReduce(對(duì)應(yīng)Hadoop 的MapReduce)。
Table 1 Arrangement of teaching contents表1 教學(xué)內(nèi)容編排情況
Table 2 Teaching contents taught by comparative method表2 采用對(duì)比性教學(xué)法講授的教學(xué)內(nèi)容及重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)
Table 3 Real Internet of Things engineering cases taught by case teaching method表3 采用案例式教學(xué)法講授的真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)工程案例
Table 4 Relevance teaching content表4 關(guān)聯(lián)性教學(xué)內(nèi)容
Table 5 Teaching clue planning表5 教學(xué)線索規(guī)劃
在此過(guò)程中,以主流大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)Hadoop 的由來(lái)、構(gòu)成和特征等進(jìn)行了對(duì)比性和案例性講解,實(shí)現(xiàn)了多種教學(xué)方法的融合。在此基礎(chǔ)上,教學(xué)內(nèi)容不斷向前延伸至大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、并行計(jì)算、分布式計(jì)算等范疇,將多個(gè)技術(shù)有效串聯(lián)起來(lái)進(jìn)行教學(xué),可幫助學(xué)生理清技術(shù)內(nèi)在的區(qū)別與聯(lián)系,激發(fā)其求解應(yīng)用問(wèn)題的意識(shí),促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)思維方式養(yǎng)成。
物聯(lián)網(wǎng)是典型的應(yīng)用系統(tǒng),挖掘生產(chǎn)生活中的典型案例作為教學(xué)資源是提升學(xué)生認(rèn)知、強(qiáng)化思維、拓展其開發(fā)能力的重要途徑。教學(xué)中,一方面將生活中常接觸到的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為案例進(jìn)行概要性講解,對(duì)其架構(gòu)進(jìn)行剖析;另一方面,將本課題組負(fù)責(zé)開發(fā)的真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目引入到課堂教學(xué)中,對(duì)需求分析、設(shè)計(jì)方案、開發(fā)過(guò)程、項(xiàng)目管理、匯報(bào)答辯、結(jié)題驗(yàn)收等環(huán)節(jié)進(jìn)行講解,幫助學(xué)生樹立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的整體意識(shí),為增強(qiáng)其物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目開發(fā)能力奠定基礎(chǔ)。表3 列出了采用案例式教學(xué)法講授的真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)工程案例。這些案例采用的均為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),但受限于當(dāng)時(shí)認(rèn)知,沒(méi)有明確標(biāo)示出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)字樣。事實(shí)上,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)早已被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中,但是經(jīng)過(guò)后期理論認(rèn)識(shí)和實(shí)踐拓展才形成了物聯(lián)網(wǎng)這一明確概念。因此,在教學(xué)過(guò)程中要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)和應(yīng)用是伴隨著理論、技術(shù)與工程的不斷深化而普及開來(lái)的。
物聯(lián)網(wǎng)涵蓋的內(nèi)容十分廣泛,因此形成了多種技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)并存的局面。理清其間的內(nèi)在聯(lián)系,將包含的知識(shí)點(diǎn)梳理清楚,提升學(xué)生對(duì)技術(shù)之間的區(qū)別性認(rèn)識(shí),對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)尤為重要。表4 為對(duì)關(guān)聯(lián)性教學(xué)內(nèi)容的舉例分析。以下以云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)聯(lián)為例進(jìn)行說(shuō)明:①云計(jì)算是在分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算發(fā)展到一定程度后集成演進(jìn)而成的綜合技術(shù);②物聯(lián)網(wǎng)是在信息感知與采集技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)技術(shù)發(fā)展到一定程度后集成的綜合技術(shù)。云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)可以進(jìn)行深度融合,云計(jì)算可作為物聯(lián)網(wǎng)對(duì)外提供服務(wù)的重要形式,物聯(lián)網(wǎng)可成為云計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源的重要支撐。
物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)點(diǎn)之間不僅具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,還具有明確的內(nèi)在線索,教學(xué)過(guò)程中要敏銳抓住內(nèi)容之間隱藏的知識(shí)脈絡(luò),以此串聯(lián)形成統(tǒng)一的教學(xué)專題集合。表5 為對(duì)教學(xué)線索的規(guī)劃。可以看出,表4、表5 是對(duì)表1 中第6-8 章內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)與線索進(jìn)行融合性講解,旨在清晰闡釋物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)在技術(shù)體系的深刻關(guān)系。在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生混合使用MongDB(可以用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù))與Hadoop(開源的大數(shù)據(jù)處理平臺(tái))開展課下創(chuàng)新能力訓(xùn)練,以增強(qiáng)實(shí)踐開發(fā)能力。
通過(guò)合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容形成了以專題課為主要形式的內(nèi)容整合與編排,體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特征的知識(shí)結(jié)構(gòu),構(gòu)建了邏輯清晰、線索嚴(yán)密、布局合理、前后貫通的課程教學(xué)體系,尤其是規(guī)劃出既相互聯(lián)系又有所區(qū)別的多條教學(xué)路線,能夠加深學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)的認(rèn)知,為其更好地理解、認(rèn)識(shí)、研究、開發(fā)、實(shí)現(xiàn)、評(píng)價(jià)物聯(lián)網(wǎng)賦能。綜合運(yùn)用對(duì)比性、啟發(fā)式和案例式教學(xué)方法不僅增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)融合的認(rèn)識(shí),也加深了其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)的理解,更提升了其認(rèn)知和設(shè)計(jì)多種形態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),以及解決各種計(jì)算系統(tǒng)下復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。
物聯(lián)網(wǎng)涉及到的技術(shù)棧至今尚未有統(tǒng)一協(xié)議和公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn),邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)也在加速與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行融合,不斷產(chǎn)生新的學(xué)科領(lǐng)域。從這一點(diǎn)來(lái)看,物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)需要持續(xù)改進(jìn)。在后續(xù)教學(xué)中,應(yīng)注重物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域新理論、新技術(shù)的及時(shí)更新,豐富真實(shí)項(xiàng)目案例集,開展分組式教學(xué),考核中增加物聯(lián)網(wǎng)微縮系統(tǒng)開發(fā)等選項(xiàng),持續(xù)推進(jìn)課程教學(xué)改革深入。