以综合型项目开发为驱动的物联网教学模式探索

陈志奎，刘 旸，王 雷

（大连理工大学 软件学院，辽宁 大连 116620）

以综合型项目开发为驱动的物联网教学模式探索

陈志奎，刘 旸，王 雷

（大连理工大学 软件学院，辽宁 大连 116620）

随着我国高校物联网专业的快速推动与发展，现有的教学模式在此过程中也暴露了诸多问题。尤其是面对软件、硬件、通信、网络、控制、传感等诸多领域的融合，凸显了本科生应用工程性培养的难度。一方面学时受限，另一方面涉及的课程非常多，传统的教学模式和内容是无法规避两者之间矛盾的。大连理工大学软件学院物联网方向教学团队经过近三年的尝试，设计了一套以综合型项目开发为驱动的教学模式，不再针对单一内容进行目录式教学，而是通过项目，学生边做边学，教师边讲边引导学生自学，遇到什么问题解决什么问题。教学团队不仅自主开发了一套物联网教学实验平台，也针对教学模式开发了一整套面向综合项目开发的教学内容。通过教学实践过程的反复摸索，获得良好的教学效果。

物联网；综合项目；教学模式

一、背景

物联网将物理世界网络化、信息化，对传统的分离的物理世界和信息空间实现互连和整合，代表未来网络的发展趋势。继计算机、互联网之后，物联网引领了信息产业革命的又一次浪潮。目前，物联网理论与技术已成为各国竞争的焦点和制高点。2005年11月在突尼斯举行的信息社会世界峰会WSIS上国际电信联盟ITU发布了《ITU互联网报告2005物联网》报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世上万物从轮胎到牙刷都可通过因特网主动交换，RFID、传感器、纳米、智能嵌入技术更加广泛的应用。IBM大中华区首席执行官钱大群在2009IBM论坛上公布了名为“智能的地球”的最新策略。IBM希望“智能的地球”策略能掀起互联网浪潮之后的又一次科技革命。欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS）于2008年在《Internet of Things in 2020》报告中分析预测了未来物联网发展阶段。2009年，欧盟执委会发表题为《Internet of Things-An action plan for Europe》的物联网行动方案，描绘了物联网技术应用的前景。韩国通信委员会于2009年出台了《物联网基础设施构建基本规划》，目标是要在已有的RFID/USN应用和实验网条件下构建世界最先进的物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境等。2009年8月，温家宝同志在无锡微纳物联网工程技术研究中心视察并发表重要讲话，表示中国要抓住机遇，大力发展物联网技术，并提出要在无锡建设“感知中国”中心。《物联网产业发展研究（2010）》报告指出未来10年，中国物联网产业将经历应用创新、技术创新、服务创新3个阶段，形成公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应用三大细分市场。中国物联网产业的总体规模，预计到2015年将超过1万亿、2020年将超过5万亿。随着国家对物联网产业的重视，物联网相关人才的培养显得日益紧迫，2010年7月，教育部正式公布了30所高校新设立的物联网工程专业。同时，更多院校利用网络工程等专业开始以物联网方向等形式进行招生。物联网专业作为一个涉及到计算机科学与技术、软件工程、通信工程、电子工程、网络工程等多专业学科的交叉专业，毕业学生可能从事传感器制造、网络融合、集成应用开发等多领域的工作，其涵盖学科的多样性、系统集成的复杂性都比较高，对学生的要求也相对较高。

二、存在问题

目前，在物联网专业的课程体系结构中，尽管各个高校不断创新，但依然存在着一系列问题：（1）学校的物联网教育跟不上企业现实的需求，太多的基础教育课时使得学生没有时间接触新技术。（2）教材落后于物联网的发展，课程讲授脱离物联网工程的实际，课程体系设计不是以职业化为导向，而是以专业学术发展和研究为导向。（3）缺乏同物联网专业相适应的培养方案和教学大纲；大纲同传统计算机网络方向基本一致，缺乏层次性、特色性与实用性。（4）培养出的学生脱离应用实际，学校过分的强调学习，掌握知识却忽略了实践，结果是培养出来的学生懂的理论知识多，但实际动手能力不强，普遍不熟悉国际物联网标准及相关国际规范。基于以上的原因，当前网络人才的培养偏重于学科性，而直接面向产业发展、适应企业需求且具有实际工程能力的人才缺失，这造成了学生进入企业需要一个“转型”过程，实际上造成了企业需要人才的“滞后”。目前社会上出现大量的继续教育机构，专门为企业培养具有较强工程实践能力、熟悉就业单位生产模式并具有扎实理论基础的专门人才，从中获得高额利益。这些机构的绝大部分生源来自于高校的高年级学生。一个从正规高校毕业的学生，竟然需要经过一个没有稳定师资和固定实验基地和场所的社会机构“再培养”才能被社会承认。正是在这样的背景下，大连理工大学作为首批设立物联网专业的学校，经过三年多的教学

实践摸索，以培养能力为导向，改革教学方式，注重实践环节，建立与工业界接触的渠道，从多方面培养物联网的“卓越人才”，力求解决课堂与实践相脱节的问题。特别是在教学内容方面，不断推动教学模式从传统的单一型内容向综合型内容的过渡。图1为自主开发的物联网实验平台。

三、教学模式探索

以物联网感知技术课程为例。在传统模式下，根据课程进度与课程体系将教学安排分成三部分：（1）感知节点的嵌入式与基础通信部分。该部分主要是从嵌入式基础入手，掌握I/O、中断、串口、定时器、“看门狗”等基础编程，并进一步理解无线通信协议栈的体系与配置方法。（2）不同类型感知节点的应用程序部分。该部分根据培养学生不同的感知节点，开发相应的应用层程序，使得感知节点可以正常采集数据，例如温湿度、光照、人体红外、干簧管、超声波等。（3）网关的嵌入式操作系统及软件部分。该部分主要培养学生在不同嵌入式操作系统下（linux＼Andriod＼WinCE），开发人机接口软件以及网关功能程序的能力。可见，如此之多的内容按照“目录式”教学进度执行，教学周期将非常长，而几部分之间的联系会变得松散、不紧密。而且在实际教学过程中，由于学时和进度的限制，很多时候不得不使得学生“被动”的在接纳，几乎无法调动学生自主学习的能力和积极性。因此，教学团队针对这些现实问题，大胆进行尝试，即在不讲授基础知识的情况下，直接设立综合型项目，以学生为主体进行开发。这也是借鉴国外顶级大学本科生教学的一些理念，“说明书中的内容不应该出现在课堂”。这样不仅能调动学生自主学习的积极性，也使得教学内容更为紧凑。我们设置了9个综合型实践内容：数字大棚、精确定位、公共安防、家庭医疗、智能交通、环境监测、智能控制、异构网络和云计算。在课程中，可以将学生分为团队，进行不同内容的系统开发。以数字大棚内容为例。首先由学生团队确定自行查找相关资料，了解什么是数字大棚以及智慧农业？该系统需要包含哪些组件？从而确定系统开发所涉及的硬件与软件。比如，经过某组学生的调研，他们的系统需要实现大棚温湿度数据、光照强度数据显示、入侵报警和远程控制等基本功能，并提供历史数据记录显示等功能。需要的硬件环境有：计算机、ARM11开发板、人体红外节点、光照节点、继电器节点、协调器节点。软件开发方面需要在ARM11开发板上使用Linux2.28+Qt4.7运行库作为网关系统的载体，并使用QtCreater开发及调试网关应用图形界面。传感器节点使用ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0协议栈，IAR作为开发环境。在确定开发的软硬件环境后，学生团队需要自行根据技术手册、参考书等进行每一阶段的开发。比如如何连接硬件、如何在ZStack协议栈中添加驱动，何如在协议栈中添加应用层代码，网关是如何采集到传感器数据的，如何设计出美观的Qt图形界面等。如图2。

再以公共安防为例。经过另一组学生的团队调研，该系统需要实现如燃气检测、红外检测、蜂鸣报警和短信报警的基本功能，并提供简单的日志记录服务。需要的硬件环境有：计算机、ARM11开发板、人体红外节点、GPRS节点、可燃气体节点、蜂鸣器节点、协调器节点。软件开发方面同样需要在ARM11开发板上使用Linux2.28+Qt4.7运行库作为网关系统的载体，并使用QtCreater开发及调试网关应用图形界面。传感器节点使用ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0协议栈，IAR作为开发环境。如图3。

可见两组综合实验在软件方面基本一致，而硬件只是在传感器类型上有所不同，因此在开发过程中两个团队会产生共性问题，这时需要指导教师针对共性问题进行统一讲解。而两个团队项目的不同之处，也会使得团队之间无法过多依赖，注入“水分”。

四、培养阶段性成果

经过3年来的教改探索，教学团队克服了学时受限且没有可参考成熟教学方案的不利条件，跨越式地提出了以综合工程模式为导向的教学体系；以最大限度调动本科生的自主学习能力，激发了他们探索和克服困难的精神；使学生具备软件、硬件开发的双能力以及整体方案设计的能力；在项目管理模式下，锻炼了学生的团队协作与领导能力。图4、

5、6，为本科生课程作品。多名物联网方向毕业生，通过综合工程的锻炼和实践，在已有成果的基础上，选择了通过大连理工大学软件学院的孵化基地创业，成果得到了广泛关注。

[1]宁焕生.RFID重大工程与国家物联网[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会.高等学校物联网工程专业——实践教学体系与规范[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会物联网工程专业教学研究专家组.高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]马洪连.物联网感知与控制技术[M].北京：清华大学出版社，2012.

G642.0

A

1674-9324（2014）13-0210-03

感谢大连理工大学教改重点项目“物联网专业课程体系建设与实践”（ZD201209）的支持。