物联网工程专业“起承转合”式实验教学探讨

李仲生?黄同成?刘锦江

摘要：针对物联网工程专业实践教学内容覆盖面太宽、内容综合性很强等难点，考虑到学生特别是地方本科院校学生的基础现状，吸取CDIO国际工程教育改革成果的教学理念，提出了一种“起承转合”式实践教学模型。模型以让教师教得轻松、学生学得明白为宗旨，可用于明确物联网工程专业实践教学思路和精化实践教学内容。

关键词：物联网；CDIO；实践教学；精化

作者简介：李仲生（1967-），男，湖南邵阳人，邵阳学院信息工程系，副教授；黄同成（1964-），男，湖南邵阳人，邵阳学院信息工程系，教授。（湖南 邵阳 422000）

基金项目：本文系邵阳学院教改项目（项目编号：2013JG28）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0124-02

物联网被称为第三次信息化产业革命性发展的浪潮。胡锦涛同志在中国科学院第十五次院士大会、中国工程院第十次院士大会上发表重要讲话，指出“要抓住新一代信息网络技术发展的机遇，创新信息产业技术，以信息化带动工业化，发展和普及互联网技术，加快发展物联网技术”。[1]为此，作为新兴产业的物联网急需大量专业人才，有着巨大的人才缺口。这种缺口，既体现在对物联网理论研究的精英的需求上，更体现在对有一定理论基础、动手能力强的工程型的物联网人才的需求上。从当前的实际就业形势看，大学培养的、可用得上的工程型的物联网人才远远满足不了物联网业的需求。造成这种情况的原因主要有两个：一是物联网发展的势头太猛，各大学都是自2010年起才开始上物联网工程专业，被物联网大潮冲了个措手不及；二是物联网所覆盖的知识面广，形成复杂的网状结构，如何將呈网络结构的知识传授给学生，让学生学有所获，特别是让学生拥有动手能力，是个大难题。

面对这个难题，不同的学校采取了不同的对策，于是有了五花八门的理论和实践教学计划，目前依旧处在百花齐放的状态中。[2]面对这个难题，众多的研究者各抒已见，从不同角度做了各有见地的探索。有研究者根据数据自底向上的流向，将成网状几乎无所不包的物联网技术做了层次化，分别是感知层、网络层与应用层，有效地简化了物联网技术模型，为物联网教学的开展提供了方向性的指引。[3]有研究者参照CDIO（conceive构思，design设计，implement实现，operate动作）国际工程教育改革成果，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，以此指导物联网工程专业的实践教学，这些研究者高屋建瓴，从宏观上把握住了物联网工程的实践教学。[1]为了增强物联网工程专业实践教学的可操作性，此处以物联网工程专业实践教学的具体实施为着眼点，以知识的复杂度及学生的兴趣、感受、参与力等为主要考察指标，以实验项目的内在关联做线，让各项目有机地形成一种“起承转合”结构，探索一种能让学生潜移默化地参与进来的实践教学路子。

一、物联网工程专业实践教学所面对的问题

第一，将面对有限的财力、时间和近于无限的实践教学内容之间的矛盾。物联网有以下定义：将有自我标示、感知和智能的物理实体基于标准的通信协议连接，构成信息空间和物理世界之间融合的信息系统。这个定义的外延是：两个空间融合形成的信息系统。再看定义的内涵：基于标准的通信协议；被连接的物理实体有自我标示、感知和智能能力。定义的外延和内涵展示出了物联网技术覆盖的广度和内容的深度。图1依据文[3]所述的三层模型和物联网定义，将网络层细化为传输和支撑技术两层，给出了物联网技术的体系描述。

图1展示出了物联网技术的综合性和几乎无处不在性，这给物联网工程专业的理论教学和实践教学带来了近于无穷的选择。为了约束物联网教学，《高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范》将物联网工程专业的知识单元分成核心知识、基础知识和领域应用知识三大类，有指导意义，但三大类中依旧有着众多选择可能，相应实验内容五花八门，要完全覆盖是不可能的。要大致覆盖一方面需要学校投入巨量资金，另一方面需要学生投入远超过四年的时间，这都是不现实的。

第二，将面对学生的有限基础和物联网技术的高度综合性之间的矛盾。物联网技术涉及的是有自我标示、感知和智能能力的物理实体，这些物理实体还得基于标准的通信协议互联起来，这一层层叠加，给物联网的几乎每一个技术点都带来了高度的综合性。以Zigbee感知实验为例，有以下基本步骤：串行接口连线、网络接口连线、系统初始化、虚拟机的安装和设置、程序编写、不同平台间数据的传递。涉及的主要知识点有：计算机硬件知识；网络知识；传感器知识；虚拟技术；软件开发知识。如此强的综合性，要让基础有限的学生理解并接受，是件十分繁琐又艰难的事，对地方本科院校，这种艰难更加突出。

第三，将面对非专业师资与物联网工程专业实践教学的强专业性之间的矛盾。物联网工程专业自2010年起在我国开设，现在加入物联网工程专业教学行列的师资中并没有正式物联网工程专业毕业的本科生、硕士生、博士生，而是来自物联网工程专业相近的专业。面对专业性强的物联网工程实践教学，他们还需要摸索，需要积累。

第四，将面对理论教学的分散性和实践教学的综合性的矛盾。物联网的广泛覆盖性使得物联网实验教学有着高度的综合性，如前已述及，单纯一个实验就可能涉及到传感器知识、网络知识、电子技术、软件编程知识等。这些知识分别由不同的课程完成传授，课程分散在不同的学期，或者是在同一个学期但由不同的教师分别教学，这种课程分散性给学生综合运用知识、知其然且知其所以然地完成实践教学带来了困难。

第五，将面对学校教学强调消化理论与实际应用强调效益的矛盾。从课时分配看，学校教学以理论为主。比如：“ZigBee技术及应用”课程教学40个课时，其中理论32节，实验8节；“物联网通信技术”课程教学54个课时，理论46节，实验8节；“M2M技术”56个课时，理论48节，实验8节。等等。以上数字是通过对前几批开设物联网工程专业的大学教学计划做平均得到的，课时分配体现出了大学以理论教学为目标的特点。但作为一门新兴技术，物联网根植于实践，强调对技术的综合运用、产生效益，与大学教学的目标并不一致。如何协调好这种不一致，将直接关系到学生动手能力的培养。

二、“起承转合”式实践教学结构

在物联联实践教学的众多矛盾中，主要矛盾就是物联网技术的内容近于无限而学校财力、学生学习时间都是有限的，解决了这个主要矛盾，其他矛盾也将迎刃而解。利用有限财力、在有限时间内能否学习物联网技术而有所收获？答案是肯定的。物联网技术如同一座宽阔、巍峨的书山，“书山有路勤为径”，目标是山顶，教学者不必带着学生走遍整个书山，只要带着学生们找到一条上山的路走到山顶即可。那么，怎样找到这条路？如果这种路存在许多条（物联网技术中的情况就是如此，可参见图1），哪一条是捷径？经过教学实践摸索，为了让“教师讲得轻松，学生学得明白”，我们认为可采用以下“起承转合”模式精选教学内容、实施教学，寻找抵达物联网技术之顶的捷径。

起。一遍文章的“起”很重要，开个好头，设下悬念，读者才有兴趣看下去。物联网工程教学的“起”更重要，是学生兴趣的源头、思考的标的、奋斗的目标。如何才能“起”得好？有谚语云：“我听到的会忘掉，我看到的能记住，我做过的才真正明白”。语言相对来讲是抽象的，现实场景对人的感受来说，自然深刻一些，如果是一些很特殊的场景，就有可能让人一见难忘。物联网工程教学若是在学生一入校时，给学生提供一些特殊的场景（比如各类现代物联网技术的演示）见识一下，就能有助于学生明白“到大学为的是什么”，为后续相对枯燥的基础课程助力。当然，这种演示是有选择性的，具体的选择标准是：所在学校准备让学生沿着哪一个方向（或哪一个行业）登上物联网技术这座山的峰。

承。沿着所选择的方向组织基础课程的实验教学。“承”要完成的工作是：在“起”引起学生们的兴趣后，让学生明白“起”所展示的一切是怎么取得的，也就是说，从相应的技术点上设计实验项目，消化所学的基础课程，为后期综合性较强的物联网实验项目做预备。这一个阶段的内容选择是个难点：忌多，忌泛，在满足后续实验支撑需求的情况下，尽量简化，最大限度地让老师教起来轻松、学生学起来大部分人能明白。老师们有这么个共识：学生能不能学下去，关键在于他当前能不能明白，有过几次不明白的时候后，学生的兴趣就会荡然无存。

转。在有足够、适用的基础实验支撑后，進入第三个阶段——“转”。这一阶段的内容就是物联网专业实验项目，综合性较强。在选择教学内容时，一般应遵循以下原则：视学生情况定实验难度，重基础，重有仿照内容的。为了让老师的表述更清晰、学生的兴趣不受到打击，内容切忌过繁、过深。在谭浩强老师的C语言书中，存在众多复杂的C语言知识提都没提，学生学了后照样可编写程序，这一点，值得物联网实验设计时借鉴。

合。如同写一遍文章时的首尾呼应，“合”做的工作是，让学生们部分或全部地实现在“起”阶段所看到的工程，也就是说，将“承”“转”两个阶段所得到的知识用于工程实践。如果起、承、转三个阶段的内容选择方向明确、难易适度，到达“合”阶段后，学生的兴趣就会很高。“我做过的才真正明白”，学生若能独立完成工程项目，从学校教学角度而言，学生就到达了教学要求的物联网技术这座“山”的顶点，教学也就实现了它的目标。

总而言之，以上“起承转合”结构的核心是去繁取精，定方向找捷径，让教师轻松学生学得明白。

三、“起承转合”式实践教学组织示例

一方面，物联网技术有着广泛的技术覆盖，这为教学内容选择带来了难度。另一方面，物联网技术研究的最终成果以工程项目的形式体现，这为探究简化教学模式提供了依据和方向。不同的方向选择将体现出不同学校的教学特色，图2是以物联网电子商务作为突破方向的一种物联网实验教学起承转合模式的扼要介绍。

以上教学模式实施要成功，关键在于内容的选择精简，切忌让学生走马观花、眼花缭乱。在有限的时间内讲千个问题学生一个都没懂不如讲十个问题让学生懂上六七个。显然，基础课程实验在各个方向上有着几乎一致的共性，如果学生真正从物联网电子商务找到了突破口学明白了，要转到其他物联网应用工程或科研领域，也是有基础的。

四、结语

以让教师讲得轻松、学生尤其是地方本科院校基础相对较弱的学生学得明白为目标，为简化、高效化物联网工程专业的实践教学，本文引出了一种“起承转合”式物联网实践教学模式。为使这种教学模式高效实施，现在急需与之配套的实验设备、实验教材，我们将为之努力，也盼望得到教师同行和企业工程师们的支持。

参考文献：

[1]崔贯勋，王勇，王柯柯，等.基于CDIO的物联网工程专业实践教学体系的研究与实践[J].实验技术与管理，2013，30（5）：111-114.

[2]李仲生，唐杰，黄同成，等.地方本科院校物联网工程专业建设探讨[J].考试周刊，2013，（67）：136-138.

[3]吴功宜.对物联网工程专业教学体系建设的思考[J].计算机教育，2010，（21）：26-29.

（责任编辑：刘辉）