胡駿 龍翔

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)交叉學(xué)科與具有跨界特性的“創(chuàng)客”擁有著相同的融合基因，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開展“創(chuàng)客”教育具有先天的優(yōu)勢(shì)。在大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的浪潮下，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)客的教育體系成為目前職業(yè)院校開展“雙創(chuàng)”教育的一把金鑰匙。本文就高職創(chuàng)客教育課程體系進(jìn)行討論，提出一種融合創(chuàng)客教育的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)路徑。

關(guān)鍵詞：高等職業(yè)院校 物聯(lián)網(wǎng) 創(chuàng)客 課程體系

一、高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教育教學(xué)現(xiàn)狀（The current situation of teaching in the Internet of Things major）

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)流程通常包括需求分析、硬件和軟件并行協(xié)同開發(fā)、測(cè)試調(diào)試等階段。經(jīng)過企業(yè)調(diào)研，我們將目標(biāo)崗位的典型工作任務(wù)合并歸納為相關(guān)課程，并與目前高職教育水平進(jìn)行量化評(píng)分，如圖1所示。

通過比較，發(fā)現(xiàn)目前高職物聯(lián)網(wǎng)教育水平與企業(yè)崗位需求還存在一定的距離。究其原因，主要包括兩個(gè)方面：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涵蓋面極廣，融合了現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、電子和控制等多項(xiàng)技術(shù)，入門存在一定的門檻；另一方面，高職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)生源極其復(fù)雜（中職和高中文理科學(xué)生兼收），學(xué)生英語(yǔ)基礎(chǔ)參差不齊、邏輯推理能力不強(qiáng)、文字錄入能力差強(qiáng)人意的學(xué)情也造成教學(xué)進(jìn)度難以順利推進(jìn)。因此，選擇一種能覆蓋物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)典型工作任務(wù)，能使學(xué)生對(duì)硬件結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)有一定了解，訓(xùn)練學(xué)生通過編寫程序完成功能實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)輔助手段就顯得十分有必要[1]。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的創(chuàng)客課程介紹（Introduction to the Maker Course based on the Internet of Things）

自創(chuàng)客概念提出以來(lái)，各種適合非專業(yè)人士進(jìn)行開發(fā)的軟硬件平臺(tái)不斷涌現(xiàn)。Arduino、Processing、App Inventor無(wú)疑就是其中的佼佼者，其良好的跨平臺(tái)性、豐富的生態(tài)、簡(jiǎn)易的開發(fā)語(yǔ)言能顯著降低學(xué)生學(xué)習(xí)成本和時(shí)間開銷，快速切入開發(fā)流程。學(xué)習(xí)這些平臺(tái)工具，可以為高職學(xué)生專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更令人驚喜的是，在進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)后，學(xué)生可以根據(jù)自己的創(chuàng)意快速搭建產(chǎn)品原型，實(shí)現(xiàn)由學(xué)習(xí)者向創(chuàng)造者的轉(zhuǎn)變。

（一）Arduino開發(fā)平臺(tái)

Arduino作為一個(gè)基于AVR單片機(jī)開源的電子設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，在IDE中對(duì)寄存器操作、I/O方式進(jìn)行封裝，使用精簡(jiǎn)的C/C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。在Arduino官方開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供的標(biāo)準(zhǔn)Arduino庫(kù)函數(shù)和第三方接口的幫助下，讓開發(fā)者把主要精力放在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集處理、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器等方面上，大大縮短電子產(chǎn)品開發(fā)周期。正是由于Arduino定制了很多底層的設(shè)計(jì)，使得它損失了很多嵌入式開發(fā)的靈活性和效率性，在本科教育中通常不被采用，但是對(duì)于基礎(chǔ)薄弱的高職學(xué)生具有很大的吸引力。

以Arduino Uno開發(fā)板為例，其自帶14個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳，6個(gè)模擬引腳，USB接口允許上位機(jī)通過IDE編寫程序直接燒寫；同時(shí)也支持I2C，UART等協(xié)議支持控制器與外圍套件和擴(kuò)展板通信。簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)輔以外圍套件、傳感器和執(zhí)行器，學(xué)生可以輕易的實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、酒精檢測(cè)儀、溫濕度記錄儀、指紋考勤系統(tǒng)、超聲波測(cè)距等系統(tǒng)。開發(fā)這些系統(tǒng)原本要求開發(fā)者掌握大量的電子電路和單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及程序語(yǔ)言等背景知識(shí)，通過Arduino平臺(tái)進(jìn)行輕量級(jí)開發(fā)后，一般學(xué)生都可以很容易做出讓人滿意的作品。

1.Arduino硬件開發(fā)平臺(tái)——Fritzing和123D Circuits

高職這個(gè)層次的學(xué)生最顯著的特點(diǎn)是感性多于理性，這種情況造成教學(xué)中學(xué)生無(wú)法將電路中各種符號(hào)與真實(shí)元器件聯(lián)系起來(lái)，這也直接影響到他們對(duì)Protel或Proteus等電子電路CAD軟件的學(xué)習(xí)。因此使用面包板搭建基本電路成為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)電類課程實(shí)踐教學(xué)一種初步有效的手段。然而，對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試是整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過程中最令老師頭疼的事情。復(fù)雜面包板電路中，一次性上電通過的情況畢竟屬于少數(shù)，大概率情況是通過調(diào)試找出各式各樣錯(cuò)誤。這樣一來(lái)，極有可能在有限的時(shí)間內(nèi)，老師無(wú)法對(duì)每一位學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。在創(chuàng)客硬件CAD設(shè)計(jì)軟件Fritzing和Autodesk123D Circuits推出以后，這種情況得到了極大改善。

Fritzing軟件在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候共有三種視圖：面包板視圖、框架結(jié)構(gòu)視圖、PCB視圖。在面包板視圖中，在菜單中拖拽各種基于svg（可縮放矢量圖）格式的外觀高仿器件到面包板上，通過跳線進(jìn)行連接，快速搭建電路，如圖2（a）所示；切換到框架結(jié)構(gòu)視圖后，教師可以很輕易地對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行分析、歸納、講解，如圖2（b）所示；在對(duì)整個(gè)硬件電路核對(duì)無(wú)誤后，在面包板視圖中對(duì)仿真視圖進(jìn)行打印，并將打印的紙張貼在真實(shí)面包板上，此時(shí)進(jìn)行動(dòng)手搭建真實(shí)電路驗(yàn)證功能性，如圖2（c）所示；所有以上步驟完成以后，工作過程很自然的過渡到PCB視圖進(jìn)行輸出制版，如圖2（d）所示。Autodesk123D Circuits軟件除具有Fritzing這些特點(diǎn)外，還具有仿真的功能。

2.Arduino軟件開發(fā)平臺(tái)—Ardublock

Ardublock作為一種Arduino的第三方開發(fā)環(huán)境，必須依附于Arduino IDE軟件而運(yùn)行。該軟件提供了一種類似于Scratch的圖形化操作界面，通過把原生的文本代碼提升為更直觀的圖形塊，開發(fā)者對(duì)圖形塊進(jìn)行拼接、拖拽等操作完成整個(gè)編程過程。在此過程中，軟件內(nèi)置的邏輯檢測(cè)機(jī)制會(huì)確保開發(fā)者的拼接符合規(guī)則。這樣就能避免手工敲入代碼可能帶來(lái)的語(yǔ)法錯(cuò)誤、加快了程序開發(fā)速度。

（二）Processing交互式開發(fā)語(yǔ)言

Processing是一種面向視覺與交互的編程語(yǔ)言，是Java語(yǔ)言一種簡(jiǎn)化版本。它繼承了Java跨平臺(tái)性、面向?qū)ο筇匦缘戎T多特點(diǎn)。最近幾年，各種不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)中也不斷加強(qiáng)對(duì)Processing技術(shù)的融合。例如在Processing的PDE中導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的Android SDK，編寫的代碼即可生成為apk文件在Android手機(jī)上運(yùn)行；在前端開發(fā)工具JavaScript中近期也添加了p5.js類庫(kù)，為網(wǎng)頁(yè)的美化、互動(dòng)性的提升提供了一種新的方法。

正是Processing的簡(jiǎn)易性和跨平臺(tái)性，在創(chuàng)作產(chǎn)品的過程中，通常被用來(lái)和開源硬件進(jìn)行對(duì)接，從而能使用戶和硬件產(chǎn)生互動(dòng)。

（三）AppInventor2移動(dòng)開發(fā)平臺(tái)

App Inventor2（簡(jiǎn)稱AI2）是一款擁有類似于Scratch的圖形化操作界面，編寫的程序具備可讀性強(qiáng)、拓展性好、易于維護(hù)等特點(diǎn)的Android 應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。AI2中用戶只需要用鼠標(biāo)拖動(dòng)不同的組件和內(nèi)部代碼塊，再將它們組合在一起打包生成apk。整個(gè)AI2程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

使用AI2搭配Arduino可以做出硬件與移動(dòng)端互動(dòng)的作品。例如使用Arduino的GENUINO 101開發(fā)板連接傳感器后采集各種實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，使用藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行通信就可以在應(yīng)用界面內(nèi)顯示。整個(gè)工作流程為硬件搭建、應(yīng)用界面開發(fā)、應(yīng)用邏輯開發(fā)，如圖4所示。

三、融合創(chuàng)客課程的物聯(lián)網(wǎng)課程體系（Integrating the Internet of Things course system with the Maker Course）

在梳理清楚目前流行的創(chuàng)客課程和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的內(nèi)在聯(lián)系后，我們可以將創(chuàng)客課程融入到人才培養(yǎng)方案中去，對(duì)現(xiàn)有專業(yè)核心課程起到進(jìn)行鋪墊或延展作用。以《電子技術(shù)》課程為起點(diǎn)，在Fritzing或者AutoDesk 123 Circuits軟件中對(duì)典型電路進(jìn)行仿真的同時(shí)使學(xué)生得到元器件的認(rèn)知教育；以Arduino開發(fā)板為核心，在Ardublock開發(fā)環(huán)境中讓學(xué)生理解編寫C/C#程序的邏輯和步驟，輔助自動(dòng)識(shí)別模塊、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊和傳感器套件開展物聯(lián)網(wǎng)核心專業(yè)課程教學(xué)，盡快打通物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路徑，使學(xué)生充分體驗(yàn)到物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)的樂趣，為專業(yè)課程教學(xué)夯實(shí)基礎(chǔ)。另一方面，以Java語(yǔ)言為程序?qū)W習(xí)核心，開設(shè)Processing及AppInventor 2課程，豐富學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)交互設(shè)計(jì)手段，為有志于軟件設(shè)計(jì)的學(xué)生開設(shè)“第二課堂”，如圖5所示。

結(jié)語(yǔ)（Conclusion）

本文針對(duì)目前高等職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)困境，提出一種融合創(chuàng)客課程的專業(yè)課程體系。這些創(chuàng)客課程對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)要求較弱，具有設(shè)計(jì)過程可視化，對(duì)復(fù)雜技術(shù)進(jìn)行封裝等特點(diǎn)，十分適合目前高等職業(yè)院校的學(xué)情。

盡管如此，在開展創(chuàng)客課程教學(xué)的時(shí)候，還是遇到很多挑戰(zhàn)。例如，相應(yīng)的教材市面上還不夠豐富，掌握新技術(shù)的教師還不多，創(chuàng)客課程的學(xué)時(shí)安排和排課順序需要進(jìn)一步理順，學(xué)校層面重視程度不夠等等一系列的問題，需要在今后的工作中進(jìn)一步解決。

參考文獻(xiàn)（References）

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[3]陳穎.地方農(nóng)科院校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)體系的創(chuàng)建與實(shí)踐[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（6）：72-76.

作者簡(jiǎn)介

胡駿（1981—），男，碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

龍翔（1973—），男，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，信息安全，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。