蘇博妮　化希耀

摘要：該文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的知識(shí)繁雜、學(xué)時(shí)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(chǎng)需求和自身實(shí)際，精簡(jiǎn)課程知識(shí)，在教學(xué)中以硬件平臺(tái)為輔、側(cè)重上位機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；教學(xué)改革；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分為三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層主要用于識(shí)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(dòng)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(jìn)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(duì)底層設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動(dòng)和控制，核心技術(shù)涉及各種軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，比如Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)、javaweb開(kāi)發(fā)技術(shù)等，其中以面向移動(dòng)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(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的知識(shí)涉及電子、通信、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科，因此要學(xué)習(xí)的專業(yè)課程和內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他專業(yè)，要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概念和理論知識(shí)，具有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)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(jì)》課程正是承載著這一任務(wù)，對(duì)于學(xué)生專業(yè)知識(shí)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(jì)》課程作為該專業(yè)的一門關(guān)鍵性的實(shí)踐課程，以綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)和技能，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)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(kāi)設(shè)，在學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了電子電路、程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用、傳感器技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等課程后，通過(guò)該門課程使學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)和技能，能夠設(shè)計(jì)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(guò)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能熟練掌握使用軟硬件開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，能夠熟悉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的流程。該課程的學(xué)習(xí)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)、提高實(shí)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(kāi)設(shè)初期的定位是綜合應(yīng)用學(xué)科知識(shí)，通過(guò)完成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，全面檢驗(yàn)和提升學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能，初衷是值得肯定的，但在課程具體實(shí)施的過(guò)程中，卻發(fā)現(xiàn)要完成這樣一個(gè)目標(biāo)，無(wú)論是對(duì)任課教師還是學(xué)生來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。從學(xué)生層面來(lái)說(shuō)，課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是要完成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，從學(xué)生掌握知識(shí)的角度來(lái)說(shuō)，有三個(gè)層面的知識(shí)要求，首先需要學(xué)生在硬件方面掌握一定的電路設(shè)計(jì)和分析能力，具有較為熟練的單片機(jī)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(wú)線傳輸?shù)姆绞剑虼藢W(xué)生必須掌握無(wú)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(jì)移動(dòng)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(yǔ)言和eclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境，要掌握UI布局，熟悉Android的通信機(jī)制、activity、service的生命周期等[5-6]。顯然這是一個(gè)復(fù)雜繁重的學(xué)習(xí)過(guò)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(guò)關(guān)，都有可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)過(guò)程難以繼續(xù)，項(xiàng)目無(wú)法順利完成，最終可能是囫圇吞棗，沒(méi)有任何收獲。從教師層面來(lái)說(shuō)，大多數(shù)教師都有自己相對(duì)穩(wěn)定的研究領(lǐng)域和專長(zhǎng)，而該門課程涉及知識(shí)點(diǎn)跨越軟件和硬件兩個(gè)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(duì)于任課教師來(lái)說(shuō)，很難面面俱到，無(wú)疑增大了授課難度，高校教師相對(duì)實(shí)踐應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，這也極大的限制課程的實(shí)施方式，影響了教學(xué)效果，事實(shí)上，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程，這種定位的弊端越來(lái)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(jiàn)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(guò)對(duì)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(shí)定位目標(biāo)完成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)在具體實(shí)施時(shí)困難重重，課程涉及知識(shí)點(diǎn)多，實(shí)踐要求高，無(wú)論是學(xué)生還是教師都難以承受。綜上，我們開(kāi)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(jìn)行分解，確立一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的研究方向，使得課程的學(xué)習(xí)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)有所側(cè)重，鑒于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實(shí)踐性、應(yīng)用型較強(qiáng)，要確定一個(gè)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(fù)擔(dān)，提高實(shí)際的應(yīng)用能力，而不是面面俱到，敷衍了事，因此我們進(jìn)行了一系列的企業(yè)和市場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)企業(yè)實(shí)訓(xùn)的項(xiàng)目特點(diǎn)和歷屆畢業(yè)生的就業(yè)方向和崗位進(jìn)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(kāi)發(fā)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，前者主要側(cè)重硬件開(kāi)發(fā)，從知識(shí)層次來(lái)說(shuō)，要求掌握單片機(jī)技術(shù)、模擬和數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、匯編語(yǔ)言或者c語(yǔ)言等相關(guān)課程知識(shí)。后者主要是基于Android系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，包括Android客戶端開(kāi)發(fā)和游戲開(kāi)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(jī)制和 Activity、Service 的生命周期等內(nèi)容，另外要求掌握J(rèn)SP、ASP和java script等腳本編程語(yǔ)言，熟悉數(shù)據(jù)傳輸HTTP協(xié)議，至少掌握一種數(shù)據(jù)庫(kù)的操作[7]。事實(shí)上，這兩方面正是將我們初期對(duì)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(jì)算機(jī)專業(yè)發(fā)展而來(lái)，教師的專業(yè)和能力擅長(zhǎng)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(jì)課程的項(xiàng)目方向以移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)為主，硬件為輔。課程的教學(xué)內(nèi)容主要以開(kāi)發(fā)移動(dòng)客戶端為主，側(cè)重學(xué)習(xí)Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)技能，數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)的存儲(chǔ)和傳輸處理的需要，同時(shí)還介紹Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)知識(shí)，比如javaweb、Apache Tomcat 服務(wù)器，My SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)等滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。在實(shí)際的課程實(shí)施過(guò)程中，學(xué)院通過(guò)引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，借助已有的硬件系統(tǒng)和平臺(tái)，進(jìn)行移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，通過(guò)這一改進(jìn)，極大地降低了課程的難度，同時(shí)也發(fā)揮了教師的特長(zhǎng)，學(xué)生既可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)，又可以有所側(cè)重，發(fā)揮軟件特長(zhǎng)，完成移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，擺脫了以往面面俱到的尷尬境地。確立了這樣一個(gè)課程方向和目標(biāo)之后，接下來(lái)就是要討論具體的教學(xué)方法了。

2.2項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的定位是實(shí)踐應(yīng)用型，因此學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)模式正是長(zhǎng)期從事這一領(lǐng)域的專家學(xué)者達(dá)成的共識(shí)。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(shí)踐技能也是教學(xué)的重點(diǎn)。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式，側(cè)重理論或者由于學(xué)時(shí)的限制，導(dǎo)致實(shí)踐機(jī)會(huì)被壓縮，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)既可以滿足學(xué)時(shí)的需要，而且通過(guò)項(xiàng)目演示教學(xué)，在具體的項(xiàng)目過(guò)程中參插進(jìn)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)完成項(xiàng)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(huì)更加明顯。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的關(guān)鍵是要選擇有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的項(xiàng)目，因此教師進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，要緊密聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)與企業(yè)的合作和交流溝通，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，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(duì)整個(gè)項(xiàng)目的功能進(jìn)行劃分，根據(jù)功能模塊的實(shí)現(xiàn)為目的進(jìn)行教學(xué)，要實(shí)現(xiàn)這一功能模塊需要什么技術(shù)和方法有針對(duì)性教學(xué)，教師教學(xué)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)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(guò)程中通過(guò)相互交流，上網(wǎng)查資料查書(shū)籍等方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，隨著項(xiàng)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(qiáng)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)中實(shí)踐，不僅使學(xué)生主動(dòng)性增強(qiáng)，而且教學(xué)效果也顯著提高[8]。

2.3基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)過(guò)程

學(xué)院配置了物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱，項(xiàng)目涉及智能停車場(chǎng)，智能門窗，智能家居照明系統(tǒng)，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景，硬件平臺(tái)已經(jīng)事先搭建好，可進(jìn)行二次應(yīng)用開(kāi)發(fā)，用作本課程的基礎(chǔ)平臺(tái)。課程的任務(wù)就是在本平臺(tái)的基礎(chǔ)上，完成上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)。首先由教師講解整個(gè)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(jì)目標(biāo)，可根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)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(duì)于既有硬件平臺(tái)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(jì)和傳感器的應(yīng)用等，以便于進(jìn)行軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)。在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，著重加強(qiáng)學(xué)生對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集的方法，數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)技術(shù)，在講授過(guò)程中，著重加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)”概念的認(rèn)識(shí)，理解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行傳輸，使用有線還是無(wú)線，是短距離傳輸還是遠(yuǎn)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(shí)，zigbee協(xié)議及其組網(wǎng)知識(shí)等，通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的完成，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

以物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用為例，要實(shí)現(xiàn)的主要功能就是基于各種傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并利用無(wú)線傳輸或有線傳輸方式傳到上位機(jī)顯示，即設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件客戶端，能夠獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并根據(jù)需要進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)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(diǎn)，完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)串口通信或者zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸和控制，在這個(gè)過(guò)程中，課程涉及的傳感器應(yīng)用知識(shí)、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)和軟件編程知識(shí)等內(nèi)容可以在項(xiàng)目完成過(guò)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(dòng)增強(qiáng)，既簡(jiǎn)化了理論知識(shí)，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(shí)，實(shí)踐技能也得到了鍛煉。學(xué)生完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目后，進(jìn)行分組匯報(bào)，講述自己的設(shè)計(jì)思路和觀點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)中用到關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)其他同學(xué)積極參與討論學(xué)習(xí)。通過(guò)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(jī)由教師根據(jù)學(xué)生完成的應(yīng)用系統(tǒng)和在設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)定。

3 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程是連接物聯(lián)網(wǎng)理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用的一個(gè)橋梁，在整個(gè)課程體系中具有重要地位。結(jié)合實(shí)際就業(yè)和市場(chǎng)需求確立穩(wěn)定的設(shè)計(jì)和研究方向是課程教學(xué)的根本，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合我校實(shí)際，以硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，著重完成數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)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(kāi)發(fā)，既簡(jiǎn)化了該課程的內(nèi)容，也降低了難度，而以任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)也極大了增強(qiáng)了學(xué)生的參與性和能動(dòng)性，使得課程的教學(xué)效果和學(xué)生的應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力都得到了提高。

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