面向“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)的物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)體系探索

引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。代表了未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢與方向，政府大力支持物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，企業(yè)和教育界、科技界共同推動(dòng)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，需要大量熟悉和精通物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)人才。在此背景下，北京聯(lián)合大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院對2011版自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行了修訂，在“智能測控技術(shù)”專業(yè)方向的基礎(chǔ)上建立了“信息處理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”方向。

1專業(yè)現(xiàn)狀與背景分析

原“智能測控技術(shù)”專業(yè)方向以信息的采集和處理為主,課程主要包括檢測技術(shù)、傳感器原理及應(yīng)用、智能儀器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及LabVIEW技術(shù)等，是傳統(tǒng)的專業(yè)方向，課程的覆蓋面較窄，偏重于系統(tǒng)前端的硬件采集原理，系統(tǒng)的概念較為薄弱;從人才培養(yǎng)的角度來看，已經(jīng)滿足不了厚基礎(chǔ)、寬口徑的人才需求，學(xué)生掌握知識的集成度不高。為了既保持傳統(tǒng)的經(jīng)典知識內(nèi)容，又要為課程體系增加新的特色和先進(jìn)內(nèi)容，將傳統(tǒng)的專業(yè)方向賦予時(shí)代意義，使學(xué)生們真正學(xué)以致用，“信息處理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”專業(yè)方向應(yīng)運(yùn)而生。

“智能測控技術(shù)”和“信息處理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”并不是割裂的，前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的延續(xù)和拓展。從技術(shù)的角度上講，物聯(lián)網(wǎng)分成三個(gè)層次，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，形成了物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)的感知層涉及到傳感網(wǎng)技術(shù)，會(huì)有多種傳感器應(yīng)用其中，正是“智能測控技術(shù)”方向的核心內(nèi)容;物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層是多種信息的智能處理技術(shù)，也是“智能測控技術(shù)”方向的主要內(nèi)容，它們被物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層連接，即新的專業(yè)方向加入無線傳感網(wǎng)等新知識、新技術(shù)，形成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系的概念。

我們的教學(xué)理念在于從一個(gè)大系統(tǒng)的角度看待物聯(lián)網(wǎng)，利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成創(chuàng)新應(yīng)用和信息化服務(wù)。以物聯(lián)網(wǎng)體系框架為依托，實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸、有用信息的提取和整理、以及完成相應(yīng)的控制和信息應(yīng)用，重點(diǎn)突出無線傳感網(wǎng)和應(yīng)用層設(shè)計(jì)，及物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用和信息化服務(wù)。因此本課程體系的設(shè)置將突出系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、選擇物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，并將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與經(jīng)典的檢測及控制方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的多領(lǐng)域應(yīng)用。以物聯(lián)網(wǎng)為載體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，提高學(xué)生專業(yè)綜合素質(zhì)。

2課程體系設(shè)置

“信息處理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”專業(yè)方向設(shè)置在自動(dòng)化學(xué)院，因此它的應(yīng)用特色非常鮮明。課程體系的設(shè)置如圖1所示，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容設(shè)置。其中，理論教學(xué)是基礎(chǔ)，對物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的典型應(yīng)用形成完整的闡述，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論課程的延伸，是抽象到具體的過程，試驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置按照物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，完成由下而上的知識獲取和驗(yàn)證；物聯(lián)網(wǎng)作為一種實(shí)用技術(shù)，讓學(xué)生去感受、去體驗(yàn)、去親自動(dòng)手設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)更是至關(guān)重要的。通過實(shí)踐環(huán)節(jié)中的認(rèn)識實(shí)踐，學(xué)生去企業(yè)參觀感受，體會(huì)知識的力量和企業(yè)文化，培養(yǎng)對專業(yè)的認(rèn)知和信心；工作實(shí)踐則更近了一步，利用假期時(shí)間到相關(guān)企業(yè)中從事基礎(chǔ)和簡單的專業(yè)工作，深化所學(xué)知識的專業(yè)應(yīng)用技能；請工程師或行業(yè)企業(yè)從業(yè)者走進(jìn)學(xué)校的課堂，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用案例，為學(xué)生出題和指導(dǎo)，進(jìn)行專業(yè)綜合訓(xùn)練，為學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力和實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)打造了平臺，提供了方向。理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、案例教學(xué)和各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，增加課程的實(shí)用性。為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

2.1理論課程

集成了多種新知識和新技術(shù)的應(yīng)用，涉及的知識點(diǎn)眾多,作為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，理論教學(xué)中課程內(nèi)容的銜接、承上啟下的課程安排非常重要；理論課程包括基礎(chǔ)課程（也稱為學(xué)科大類課程）和專業(yè)課程。

本專業(yè)方向偏重于傳感檢測、無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及行業(yè)應(yīng)用，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的兩化（信息化、自動(dòng)化）融合，因此在限選課中還有相關(guān)行業(yè)技術(shù)應(yīng)用課程：虛擬儀器技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等。任選課作為專業(yè)限選課的補(bǔ)充，完善物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

通過理論課的學(xué)習(xí)，學(xué)生將會(huì)對知識融會(huì)貫通，對信息處理和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用體系和架構(gòu)充分了解，具有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的理念和基本的組網(wǎng)設(shè)計(jì)能力。但是在實(shí)際應(yīng)用中，需要將多門課程、甚至多學(xué)科的知識融為一體，去設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行一套系統(tǒng)。這種靈活運(yùn)用所學(xué)知識于實(shí)際系統(tǒng)的能力,是真正的學(xué)以致用的體現(xiàn)。因此實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)，對于學(xué)生消化、理解理論知識和培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力至關(guān)重要。

2.2實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

圖2所示是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)框架，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與課程設(shè)置緊密相連，并考慮到學(xué)生的分層教學(xué)以及科研平臺的擴(kuò)展性。利用已申請的中央財(cái)政支持地方高校專項(xiàng)資金，正在籌建支撐“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用”、“無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”及“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺,包括三個(gè)模塊：第一是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K；第二是無線傳感網(wǎng)開發(fā)設(shè)計(jì)模塊；第三是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沉浸式體驗(yàn)?zāi)K。其中第一和第二模塊在教學(xué)上采用學(xué)生熟悉的C或C++語言實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)的設(shè)計(jì)，網(wǎng)關(guān)采用Linux、andor兩種操作系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)自己的基礎(chǔ)和喜好選擇；第三模塊是智能家居（體驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)家居實(shí)景建立的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)燈光、安防、煙感、窗簾、空調(diào)等家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。此系統(tǒng)采用最適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)的TinyOS操作系統(tǒng)，可以作為學(xué)生初識物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感性認(rèn)識體驗(yàn)?zāi)K，也可以作為教師、學(xué)生進(jìn)行科研開發(fā)的平臺。目前在建實(shí)驗(yàn)室物流綜合實(shí)驗(yàn)室和未來超市都是物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)中的具體應(yīng)用，提供學(xué)生進(jìn)行專業(yè)綜合訓(xùn)練。

課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全部以實(shí)際系統(tǒng)為主，綜合訓(xùn)練學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試能力，包括對傳感/變送器的選取、信號的采集與處理方法、無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)、針對不同領(lǐng)域執(zhí)行器的選擇等；并將先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相結(jié)合作為物聯(lián)網(wǎng)的信息處理方式，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)智能儀器的開放性創(chuàng)新能力。通過實(shí)際項(xiàng)目訓(xùn)練，學(xué)生可以完成從了解任務(wù)的需求、根據(jù)需求制定系統(tǒng)方案、在最佳性價(jià)比的基礎(chǔ)上選型系統(tǒng)的硬件配置、組網(wǎng)，到應(yīng)用所學(xué)知識編制合理的軟件程序，并具有系統(tǒng)調(diào)試、通過系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析問題、定位問題、以及解決問題的專業(yè)核心能力。

2.3實(shí)踐基地建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)是集成的信息/控制服務(wù)系統(tǒng)，可以應(yīng)用于不同的行業(yè)和領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道目前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才缺口近20萬，因此培養(yǎng)適合于企業(yè)的應(yīng)用型人才就是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。產(chǎn)學(xué)研的辦學(xué)模式是企業(yè)和學(xué)?？焖贉贤ā⒐步ü糙A的很好方法。在課程建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的同時(shí)，積極與企業(yè)聯(lián)系，建設(shè)校外實(shí)踐教學(xué)基地是專業(yè)方向建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。同時(shí)在我們的教學(xué)計(jì)劃中還有工作實(shí)踐的內(nèi)容，建設(shè)實(shí)踐基地也為學(xué)生的工作實(shí)踐提供了場所和條件。利用北京市高新企業(yè)多，許多區(qū)縣建立數(shù)字北京、智慧北京的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，與企業(yè)和公司合作，進(jìn)行橫向項(xiàng)目的開發(fā)和實(shí)踐基地的建設(shè)。選派學(xué)生到相應(yīng)的公司企業(yè)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但使學(xué)生掌握了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、熟悉了企業(yè)的運(yùn)行模式，還可以為企業(yè)提供專業(yè)的人才，實(shí)現(xiàn)企業(yè)與學(xué)生的雙向選擇。

3教學(xué)模式的探索

物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)涉及的知識點(diǎn)眾多，學(xué)生直接進(jìn)行理論課的學(xué)習(xí)難免感覺枯燥和凌亂；但物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以無所不在、生動(dòng)有趣，這樣的特點(diǎn)決定了我們在教學(xué)時(shí)可以先弓起學(xué)生的興趣，讓他們明白所學(xué)可以如何用。因此在課程的安排上首先是導(dǎo)論和浸入式體驗(yàn)的認(rèn)識實(shí)踐，然后才是相關(guān)專業(yè)課的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，并在第六個(gè)學(xué)期進(jìn)行工作實(shí)踐，加深專業(yè)知識的應(yīng)用，第七學(xué)期開設(shè)專業(yè)綜合訓(xùn)練，學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性、應(yīng)用性訓(xùn)練,形成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。圖3所示是學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)方向的教學(xué)進(jìn)程圖。

4結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的課程設(shè)置應(yīng)當(dāng)具有以下特色：

第一是先進(jìn)。課程設(shè)置針對目前最熱門的集成技術(shù)應(yīng)用一物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，是傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息控制技術(shù)的發(fā)展方向，體現(xiàn)了先進(jìn)技術(shù)的特質(zhì)；

其次就是實(shí)用。課程設(shè)置和內(nèi)容將重點(diǎn)突出實(shí)用性，理論是基礎(chǔ)，實(shí)用是根本。強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和畢業(yè)后對崗位的適應(yīng)能力為宗旨，突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)實(shí)用。

第三是靈活。不但體現(xiàn)在課堂上課程設(shè)置的靈活性，也顯示了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)的靈活性。以物聯(lián)網(wǎng)體系框架為依托，重點(diǎn)突出無線傳感網(wǎng)和應(yīng)用層設(shè)計(jì)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要靈活配置。強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生靈活思維，突出創(chuàng)造性和創(chuàng)新意識，是學(xué)生綜合素質(zhì)的體現(xiàn)。

最后是深入。課程的工程性、實(shí)用性、設(shè)計(jì)性很強(qiáng)，也有許多公司會(huì)舉辦大型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)大賽，因此可以為有興趣的同學(xué)開辟第二課堂，通過指導(dǎo)學(xué)生參加相關(guān)專業(yè)的科技競賽帶動(dòng)大家的學(xué)習(xí)熱情，深入理解本門課的內(nèi)容。

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