黃貴林 張正金 江家寶 王洪海 方 周
(巢湖學院 信息工程學院,安徽 巢湖 238024)
物聯(lián)網系統(tǒng)感知識別層涉及到各式終端硬件設備,硬件建設成本是物聯(lián)網系統(tǒng)普及推廣的重要決定性因素。2021年,荷蘭ASML公司最新推出了新一代EUV光刻機,其極限制造精度有望達到1 nm。同時,Intel也宣布在2024年實現(xiàn)2 nm芯片制造,這也意味著集成電路制造工藝即將進入埃米級。集成電路技術的發(fā)展,硬件建設成本不斷下降,有利于物聯(lián)網系統(tǒng)的推廣應用,物聯(lián)網工程專業(yè)發(fā)展迎來新的契機。
2016年6月,我國正式加入國際上最具影響力的工程教育學位互認協(xié)議《華盛頓協(xié)議》,通過認證的工程專業(yè)的畢業(yè)生學位得到《華盛頓協(xié)議》其他組織的認可[1]。在工程教育專業(yè)認證的過程中,認證為工程教育指明了方向,切實提高工程教育質量,提高了畢業(yè)生適應社會和行業(yè)發(fā)展需求的能力[2]。工程教育專業(yè)認證的三個核心理念即以學生為中心[3]、目標導向[4]、持續(xù)改進[5]。引入工程教育,為物聯(lián)網工程專業(yè)建設提供科學指導,已經成為專業(yè)建設潮流。課程建設是專業(yè)建設的根本保證,特別是專業(yè)課程[6]。用工程教育三個核心理念引領專業(yè)課程建設,是物聯(lián)網工程專業(yè)進行工程教育的重要體現(xiàn)。
從體系結構上來說,物聯(lián)網系統(tǒng)分為感知識別層、網絡傳輸層和應用層,課程也可以這樣分層。應用層負責數(shù)據(jù)應用[7],應用層課程主要涉及軟件開發(fā)。網絡傳輸層負責數(shù)據(jù)傳輸,網絡傳輸層課程主要涉及網絡建設。感知識別層負責采集數(shù)據(jù),感知識別層課程主要涉及數(shù)據(jù)識別設備開發(fā)。感知識別層專業(yè)知識直接支撐網絡傳輸層,網絡傳輸層專業(yè)知識直接支撐應用層。感知識別層專業(yè)知識在物聯(lián)網系統(tǒng)開發(fā)活動中起到承上的作用,網絡傳輸層專業(yè)知識起到承上啟下的作用。
本研究專業(yè)課程是指只有物聯(lián)網工程專業(yè)開設的計算機相關課程,主要涉及感知識別層和部分網絡傳輸層,例如“RFID開發(fā)技術”“Zigbee通信原理”“傳感器原理與技術”“物聯(lián)網控制原理與技術”“定位系統(tǒng)”等。各高校培養(yǎng)方案不一,專業(yè)課程還包括其他課程。其他專業(yè)的專業(yè)課程涉及應用層課程和其余網絡傳輸層,這些課程不僅存在于物聯(lián)網工程專業(yè)當中,同時也存在于其他計算機相關專業(yè)當中,其課程教學設計已經有所研究[8-9]。專業(yè)課程即感知識別層課程和部分網絡傳輸層課程,只存在于物聯(lián)網工程專業(yè)當中,體現(xiàn)出物聯(lián)網工程專業(yè)與其他計算機相關專業(yè)之間的課程差別。專業(yè)課程對于學生形成完整的專業(yè)知識體系,構建物聯(lián)網系統(tǒng)工程思維,實現(xiàn)物聯(lián)網系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)[10],解決復雜的物聯(lián)網工程問題至關重要[11]。為此,加強專業(yè)課程建設意義重大。
物聯(lián)網工程專業(yè)課程在教學內容、理論教學和實踐教學三個方面,普遍存在一定的問題。
(1)教學內容:物聯(lián)網專業(yè)課程涵蓋不同學科知識,綜合性強。先修課程(非專業(yè)課程或專業(yè)課程)不能強有力支撐專業(yè)課程,專業(yè)課程學習缺乏應有的知識基礎,教學內容之間缺乏連續(xù)性,沒有形成教學內容通路。專業(yè)課程不能完成預定教學目標,無法取得令人滿意的教學達成度。隨著學期的推移,專業(yè)課程目標達成度會越來越低,持續(xù)改進也將無濟于事,工程教育目標導向性得不到保障。
該問題主要體現(xiàn)在三個方面。第一,該開設的先修課程沒有開設;第二,先修課程開設了,但開設的學期滯后;第三,先修課程按照正確學期順序開設了,但教學內容對后續(xù)專業(yè)課程缺乏支撐,教學內容缺乏連續(xù)性。
(2)理論教學:專業(yè)課程對應各物聯(lián)網子系統(tǒng),子系統(tǒng)工作原理是理論教學內容的主體結構,它能夠將松散的知識點有力耦合在一起,促進學生對整個課程的理解和掌握。但現(xiàn)有的教學研究對主體結構缺乏關注,理論教學設計對此也缺乏重視。專業(yè)課程理論教學只關注到形式上松散的教學知識點,沒有聚焦到課程對應的物聯(lián)網子系統(tǒng)級工作原理,學生對子系統(tǒng)級的工作原理缺乏掌握,影響學生對整個物聯(lián)網系統(tǒng)工作原理的掌握,不利于學生形成完整的課程知識體系。
只有充分掌握工作原理,才能開展物聯(lián)網系統(tǒng)開發(fā),完成實踐教學的任務。
(3)實踐教學:專業(yè)課程實踐教學當中的驗證型項目較多,驗證型項目只進行驗證,學生沒有真正參與進來,學生的主體作用和創(chuàng)造性沒有得到發(fā)揮,沒有獲得感,自然而然對實踐教學失去了興趣,違背了工程教育以學生為中心的理念。
物聯(lián)網專業(yè)課程實踐教學項目主要是基于硬件進行編程開發(fā)。例如某課程實踐教學須要開發(fā)的模塊有A、B、C。模塊A、B、C無法單獨運行,須要相互調用形成系統(tǒng),數(shù)據(jù)才能形成通路,各模塊才能正常工作。如果開發(fā)A模塊,須要依托B、C,才能導通A的數(shù)據(jù),因此須要將B、C代碼告訴學生;如果開發(fā)B模塊,須要將A、C代碼告訴學生;如果開發(fā)C模塊,須要將A、B代碼告訴學生。在這個死循環(huán)當中,A、B、C代碼已經全部給學生了。如果不告訴學生代碼,讓學生同步開發(fā)模塊A、B、C實現(xiàn)整系統(tǒng),實驗可行性大大降低,專業(yè)課程正在學習階段的學生基本無法完成,也不符合實踐教學循序漸進的思路。就這樣,很多實踐教學項目因此成為了驗證型項目。
教學內容是人才培養(yǎng)目標的載體,人才培養(yǎng)目標體現(xiàn)在教學內容上,理論教學和實踐教學是落實教學內容的兩個重要途徑,如圖1所示。
圖1 專業(yè)課程建設思路
提出教學知識點畫布工具,將教學知識點畫布作為教學內容確立的工具,所有的教學知識點和先修教學知識點都體現(xiàn)在畫布上。分析得到專業(yè)課程教學內容,專業(yè)課程教學內容充分體現(xiàn)了人才培養(yǎng)目標。然后,進一步分析得到先修課程教學內容。由此,疏通了專業(yè)課程與先修課程之間的教學內容通路,專業(yè)課程擁有先修課程賦予的扎實知識基礎,從根本上消除專業(yè)課程教學達成度提高的障礙,實現(xiàn)工程教育目標導向性。
在理論教學設計中提出原理模擬,模擬各專業(yè)課程對應的物聯(lián)網子系統(tǒng)工作原理。教學內容確立以后,分析專業(yè)課程教學內容特點。各專業(yè)課程對應各物聯(lián)網子系統(tǒng),物聯(lián)網子系統(tǒng)工作原理是專業(yè)課程教學內容的主體結構,工作原理貫穿了專業(yè)課程的教學內容。理論教學聚焦子系統(tǒng)工作原理,課堂分組任務模擬物聯(lián)網子系統(tǒng)工作原理,原理模擬的范圍和角色可以進行調節(jié)。原理模擬加速學生知識內化。同時,模擬效果能夠充分反映學生對教學內容的掌握情況,暴露學生的學習障礙,呈現(xiàn)需要改進的教學問題,讓工程教育持續(xù)改進更具針對性。
在實踐教學設計中提出遞增式開發(fā)各專業(yè)課程對應的物聯(lián)網子系統(tǒng)。工作原理掌握以后,實踐教學具備扎實的理論基礎。對驗證型項目進行重新設計,將整個項目科學分解為最小系統(tǒng)和若干個模塊。實踐教學進行遞增式開發(fā),從開發(fā)最小系統(tǒng)開始,向最小系統(tǒng)按順序增加開發(fā)模塊,系統(tǒng)開發(fā)由內核向外層遞增,直至完成功能完善的整系統(tǒng)開發(fā)。從最簡單的系統(tǒng)開始,在最小系統(tǒng)的基礎上進行開發(fā),給學生預留了充足的創(chuàng)新空間。合理設置模塊開發(fā)順序,消除了非技術因素導致的難度,提高了實踐教學項目可行性,提升了學生開發(fā)自信。引導學生深度參與,充分發(fā)揮學生的積極性和創(chuàng)造性,突出了工程教育以學生為中心的理念。
物聯(lián)網專業(yè)課程,對應物聯(lián)網各子系統(tǒng),都是面向數(shù)據(jù)處理和傳輸。物聯(lián)網專業(yè)課程教學現(xiàn)狀中存在問題的根源具有共性,因此可以采取相同的建設措施來解決。為深入介紹專業(yè)課程建設的具體做法,將以典型的物聯(lián)網專業(yè)課程“RFID開發(fā)技術”為例。
以教學知識點畫布為工具,圍繞課程目標確立教學內容。
從工程教育科學的角度,對畢業(yè)要求進行細化,得到具體的指標點。學生如果能夠滿足這些細化的畢業(yè)要求,實現(xiàn)具體的指標點,也就意味著能夠運用基礎科學知識、專業(yè)技術技能、管理科學等自然科學和社會科學的理論,研究和解決物聯(lián)網系統(tǒng)開發(fā)中的實際問題。對于專業(yè)課程來說,工程教育指標點落實在課程目標上。
(1)挖掘物聯(lián)網工程專業(yè)工程教育指標點內涵,形成課程目標。以物聯(lián)網工程專業(yè)常見的部分指標點為例,工程教育指標點涉及到語言工具、數(shù)學模型、系統(tǒng)模型或結構、工程知識、方案推理、方法與技能、評估、設計/開發(fā)方法、軟硬件或部件設計思路、實驗科學基本方法、現(xiàn)代儀器、信息技術工具、工程工具、模擬軟件。語言工具指的是什么語言工具?數(shù)學模型該怎么建立?系統(tǒng)模型或結構包括哪些?工程知識包括什么?方案推理的過程是什么?方法與技能的內容是什么?怎么樣去評估?有哪些基本的設計/開發(fā)方法和技術?軟硬件單元或部件的設計思路?實驗科學基本方法有哪些?有哪些現(xiàn)代儀器?有哪些信息技術工具、工程工具?有哪些模擬軟件并能用來干什么?加強物聯(lián)網行業(yè)調研,深入挖掘指標點的這些內涵,科學形成課程目標。
(2)設計物聯(lián)網工程專業(yè)教學知識點畫布,如表1所示。各物聯(lián)網工程專業(yè)課程(SC),表示為SC1~SCt。各先修課程(PC),表示為 PC1~PCn。集合{SC1,SC2,…,SCt} 集合{PC1,PC2,…,PCn},物聯(lián)網專業(yè)課程也屬于其他專業(yè)課程的先修課程。專業(yè)課程目標對應宏觀教學內容,為得到微觀知識點,將課程目標劃分為課程目標點,m個目標點(OP),表示為OP1~OPm。專業(yè)課程教學知識點,用SK表示。先修課程知識點,用PK表示。目標點的內涵是知識點,在專業(yè)課程當中,邏輯關聯(lián)目標點,可以得到SK。在先修課程當中,對SK進行邏輯關聯(lián),可以得到專業(yè)課程教學所需要的基礎知識點PK,也就是找到專業(yè)課程對先修課程的教學知識點需求PK。邏輯關聯(lián)得到知識點的過程用 f()表示。
表1 教學知識點畫布
(3)專業(yè)課程教師完成畫布當中的SK,確立專業(yè)課程教學內容。目標點OPm在SC1上對應的教學知識點 SK(x),用 f(SC1,OPm)表示。完成畫布專業(yè)課程教學知識點填寫以后,就可以確立所有物聯(lián)網工程專業(yè)所有專業(yè)課程教學內容。通過,得到物聯(lián)網專業(yè)課程 SC1 的教學內容。
(4)專業(yè)課程教師完成畫布當中的PK,以此確立先修課程教學內容。OPm在SC1上對應的教學知識點SK(x)確立以后,該教學知識點對先修課程 PC1的教學知識點需求 SK(y),用 f(SC1,OPm,PC1)表示。完成畫布先修課程教學知識點填寫以后,就可以得到所有專業(yè)課程對所有先修課程的教學內容需求。通過,得到所有專業(yè)課程對PC1的教學內容需求,也就形成了PC1教學內容的雛形。按照同樣的方法,先修課程教師對雛形進一步邏輯關聯(lián),可以得到先修課程PC1的教學內容。
(5)以物聯(lián)網工程專業(yè)課程“RFID開發(fā)技術”為例,先修課程包括“大學物理”“電子電路技術”“計算機組成原理”“單片機原理與技術”“JAVA程序設計”和“操作系統(tǒng)”?!癛FID開發(fā)技術”對先修課程“大學物理”的教學內容需求包括對稱振子天線、引向天線、微帶天線、微波天線、電磁波等;對先修課程“電子電路技術”的教學內容需求包括傳輸線理論、串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路的諧振條件、諧振特性、諧振曲線和通頻帶、品質因數(shù)等。所有先修課程和專業(yè)課程“RFID開發(fā)技術”的教學內容邏輯關聯(lián)在一起,就形成了一條教學內容通路。在教學內容確立的過程中,教師很清晰物聯(lián)網工程專業(yè)需要開設哪些專業(yè)課程,專業(yè)課程安排在哪幾個學期,專業(yè)課程教什么。
模擬專業(yè)課程對應物聯(lián)網子系統(tǒng)的工作原理,促進知識內化,呈現(xiàn)需要改進的教學問題。
(1)分析專業(yè)課程教學內容特點。通過分析可知,專業(yè)課程理論教學內容的主體結構是該課程對應的物聯(lián)網子系統(tǒng)工作原理。因此,可以將工作原理設計成課堂分組任務,進行物聯(lián)網子系統(tǒng)工作原理模擬。工作原理當中的硬件模塊結構、信號處理和信號傳輸,涉及到原理模擬的角色、活動和互動。
(2)原理模擬選擇典型應用。選擇學生熟悉的技術應用案例,作為課堂分組任務進行工作原理模擬。熟悉的內容,使學生對原理模擬有一定的知識準備,能夠激發(fā)學生對原理模擬的興趣。以“RFID開發(fā)技術”為例,從數(shù)據(jù)流和控制信號流的角度,學生扮演硬件模塊,傳遞數(shù)據(jù)或控制信號卡片,模擬校園餐廳就餐刷卡當中的數(shù)據(jù)傳輸和處理過程,如圖2所示。
圖2 原理模擬
(3)原理模擬角色分配。RFID系統(tǒng)包括射頻振蕩器、射頻發(fā)送器、射頻接收器、放大器、信道編碼/解碼電路、數(shù)字電路、建設器、天線、RF-interface、Anti-Collision、Select-Application、ATR、Authentication Acesscontrol、Control Arithmeticunit、RAM、ROM、EEPROM等20個硬件模塊。學生扮演這些硬件模塊。
(4)原理模擬活動和互動設計。以刷卡金額數(shù)據(jù)流動為主線,每個學生流轉控制信號Control、Energy、POR、Clock 或數(shù)據(jù) Data,完成自己的模擬任務。數(shù)據(jù)始終在數(shù)據(jù)通路上有序流動,每個學生之間傳遞的是控制信號卡片或者金額數(shù)據(jù)卡片,例如信源編碼前后的數(shù)據(jù)形式將會發(fā)生改變,數(shù)據(jù)卡片的樣式也會不斷變化。從信源編碼/解碼、信道編碼/解碼、信號調制/解調、防碰撞、身份認證、加密/解密、讀取電子標簽金額、修改電子標簽金額、建設器訪問等環(huán)節(jié)全流程模擬。
(5)課程初期進行局部模擬。學生對RFID系統(tǒng)的工作原理沒有完全掌握,只有局部掌握。這時,可以進行局部模擬。學生模擬20個硬件模塊當中的部分模塊,隨著課程學習的深入,將逐步擴大模擬范圍。多個局部模擬分組,可以同時進行,提高課堂效率。
(6)課程后期進行全局模擬。學生對RFID系統(tǒng)的工作原理已經有了完全掌握,這時可以進行全局模擬。20個學生分別模擬20個硬件模塊,學生1~學生8共同扮演的是閱讀器即刷卡機,學生9~學生20共同扮演的是電子標簽即飯卡。
(7)原理模擬促進學生知識內化。在模擬的過程當中,針對同樣一個模擬分組,每個學生輪流扮演不同的硬件模塊,提高原理模擬的效果,實現(xiàn)深入模擬。在布置原理模擬任務后,模擬之前,學生會做一定的準備工作,可以倒逼學生實現(xiàn)知識內化。
(8)模擬效果呈現(xiàn)學生學習障礙。原理模擬涉及的范圍廣,內容多。模擬效果能夠充分反映學生對教學內容的理解、掌握和應用情況,暴露學生的學習障礙,呈現(xiàn)需要改進的教學問題,使工程教育持續(xù)改進的針對性更強。
由內核向外層遞增式開發(fā)專業(yè)課程對應的物聯(lián)網子系統(tǒng),引導學生深度參與。
以“RFID開發(fā)技術”中RFID系統(tǒng)閱讀器的開發(fā)為例,介紹遞增式開發(fā)過程。在RFID最小系統(tǒng)上可以實現(xiàn)更多的開發(fā)活動,依托物聯(lián)網系統(tǒng)導通并看到RFID系統(tǒng)通信數(shù)據(jù),根據(jù)正確的開發(fā)順序進行模塊開發(fā),逐步豐富RFID系統(tǒng),直至實現(xiàn)功能完善的RFID系統(tǒng)。在這過程當中,整個的RFID系統(tǒng)開發(fā)活動由內核向外層分步有序實施,降解了實驗難度,有利于提高學生積極性,引導學生深度參與,能夠最大限度地發(fā)揮學生的創(chuàng)造性。如圖3所示。
圖3 遞增式開發(fā)
(1)開發(fā)RFID最小系統(tǒng)。類似于單片機最小系統(tǒng),RFID最小系統(tǒng)是指能夠維持RFID系統(tǒng)正常工作的最小工作單元。只有RFID系統(tǒng)盡可能小,學生才能在RFID系統(tǒng)上實現(xiàn)更多的開發(fā),為學生預留更多的開發(fā)空間,這是將驗證型實驗變更為設計型實驗的首先條件。
設計RFID最小系統(tǒng),可以選擇低頻125KHZ的EM4095作為閱讀器,選擇EM4100作為電子標簽。EM4100內部的電路和代碼已經完全固化,基于EM4095對閱讀器進行開發(fā)。很顯然,EM4095接收EM4100發(fā)送的數(shù)據(jù)就是RFID最小系統(tǒng)對應的功能。
(2)最小系統(tǒng)嵌入到物聯(lián)網系統(tǒng)。完整的物聯(lián)網系統(tǒng)必須包含應用層、網絡傳輸層和感知識別層,RFID系統(tǒng)位于感知識別層。單獨的RFID系統(tǒng)是不能正常工作的,無法導通并看到通信數(shù)據(jù)。為此,必須在RFID系統(tǒng)之上增加網絡傳輸層和應用層,將RFID系統(tǒng)嵌入到物聯(lián)網系統(tǒng)。構建功能完整的物聯(lián)網系統(tǒng),才能看到RFID系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù),整個實驗才能順利進行。
第一個問題,選擇網絡傳輸層實現(xiàn)技術。實踐教學選擇ZigBee作為網絡傳輸層通信技術。ZigBee在物聯(lián)網系統(tǒng)當中廣泛使用的短距離無線通信技術,CC2530提供了強大和完整的ZigBee RF4CE遠程控制解決方案。因此選擇基于CC2530的ZigBee通信協(xié)議,實現(xiàn)網絡傳輸層的功能。CC2530連接 EM4095,通過 P1.2、P1.3、P1.4 分別連接 EM4095的 MOD、DMOD_OUT、SHD 端口,RFID 最小系統(tǒng)作為物聯(lián)網系統(tǒng)的感知識別層,采集EM4100電子標簽數(shù)據(jù)。
第二個問題,選擇應用層實現(xiàn)技術。CC2530作為物聯(lián)網系統(tǒng)控制器,可以連接LCD顯示器,顯示RFID系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù),作為物聯(lián)網系統(tǒng)應用層。
(3)設置模塊開發(fā)順序。根據(jù)功能完善RFID系統(tǒng)的正常通信流程,正確設計開發(fā)順序。假如RFID通信數(shù)據(jù)傳輸路徑依次為電子標簽、模塊1、模塊2、模塊3、模塊4、RFID最小系統(tǒng)的閱讀器,開發(fā)順序和傳輸路徑是相反的過程,那么模塊開發(fā)的正確順序為模塊4、模塊3、模塊2、模塊1。只有這樣,RFID系統(tǒng)上數(shù)據(jù)才能形成通路,才能正常傳輸,這是實驗完成的保障。
(4)遞增式開發(fā)RFID系統(tǒng)。按照以上順序原理,在RFID最小系統(tǒng)的閱讀器基礎上,依次設計開發(fā)以下模塊:防碰撞技術、信道編碼技術、RFID加密技術、EPC技術、校園卡技術有關功能。隨著實踐教學的深入進行,逐步完成一個功能豐富完整的RFID系統(tǒng),將驗證型項目扭轉為設計型項目。在這過程當中,RFID系統(tǒng)的規(guī)模不斷增加。
專業(yè)課程是物聯(lián)網工程專業(yè)人才培養(yǎng)的決定性課程,加強對專業(yè)課程的建設意義重大。首先,提出了教學知識點畫布作為教學內容確立的工具,并給出了教學內容確立的方法。教學內容確立,有工具,有方法。先修課程教學內容是為專業(yè)課程教學內容做知識鋪墊,專業(yè)課程教學內容體現(xiàn)了人才培養(yǎng)目標。只有全面落實專業(yè)課程教學內容,才能實現(xiàn)工程教育目標導向性。其次,提出了原理模擬作為理論教學設計,聚焦教學內容主體結構。工作原理作為教學內容的主體結構,貫穿了整個專業(yè)課程的教學內容。模擬各專業(yè)課程對應的物聯(lián)網子系統(tǒng)工作原理,促進學生知識內化,同時模擬效果能夠暴露學生學習障礙,呈現(xiàn)需要改進的教學問題。原理模擬發(fā)現(xiàn)教學問題,工程教育持續(xù)改進解決教學問題。最后,提出了遞增式開發(fā)作為實踐教學設計,充分解決了實踐教學項目驗證型的問題。以最小系統(tǒng)為基礎,由內核向外層逐步開發(fā)實現(xiàn)各專業(yè)課程對應的物聯(lián)網子系統(tǒng)。遞增式開發(fā),有計劃,有步驟,消除了非技術因素導致的難度,提升學生開發(fā)自信,引導學生深度參與實踐教學,突出工程教育以學生為中心。
用工程教育理念指導專業(yè)課程建設,提高了專業(yè)課程建設的科學性。在一定程度上,本研究從根本上回答了教什么、理論教學和實踐教學怎樣教的問題,能夠科學指導專業(yè)課程教學大綱編制和物聯(lián)網工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案制定,有利于提高物聯(lián)網工程專業(yè)人才培養(yǎng)質量。