面向全栈人才培养的软件工程专业物联网课程教学改革与实践

张 策，吕为工，柏 军，李剑雄，何燕平，石代锋

（哈尔滨工业大学（威海） 计算机科学与技术学院，山东 威海 264209）

0 引 言

随着5G通讯的日益成熟，万物互联的物联网世界正在逐渐演进形成中，将会对整个社会和世界带来深刻的变革。作为信息技术的综合承载体和跨学科跨专业的交叉融合课程，物联网技术和物联网教学在广大高校中受到重视[1-4]，培养各类物联网人才成为共识。物联网教学中的难点主要表现在课程内容庞大而导致难以抓住清晰的教学主线，学生在理论学习和技术实践上容易产生困惑。对此，基于有关报道[5]，我们在教学中提出物联网全栈人才培养的目标和技术培养论线[6]，特别是在软件工程专业的教学中进行料实践。物联网课程教学是培养学生解决复杂工程问题能良的重要渠道，以全栈人才培养为目标导向就是这种能良培养的一种重要做法。

1 对物联网的再认识

1.1 对物联网的进一步认识

物联网囊括的内容异常庞大[7-8]，基于前期对物联网的剖析[9-10]，进一步给出一个较为完整的体现全栈人才培养的物联网架构，如图1所示。

物联网是在IT技术，尤其是“物端”“网端 ”和“云端”技术发展演进到一定程度后自然而然形成的，是IT技术的跃升。

图1 体现全栈人才培养的典型物联网架构

（1）“物端”包括RFID等芯片、各类传感器、MES（微机电系统）、智能公装置与仪器、其公带有控制器和驻留程序的嵌入式系统等。

（2）“网端”涵盖Zigbee、蓝牙、NFC等底层感知网，Wi-Fi等局域网，WiMAX城域网，3G/4G移动通信网以及互联网。

（3）“云端”体现在大数据、云计算、智能搜索、信息安全等技术。

在整个物联网系统中，网关发挥着“承上启下”的接收、转换、发送的联通作用，根据不同的应用场合，可以由专用嵌入式设备，甚至有时可用计算机、平板电脑、智能手机等实现。

由此可见，物联网是信息时代众多技术的聚集体，每个单项技术对经济和社会的促进作用都可以有效地汇集到物联网的架构中。

在IT技术发展的历程中，物联网受到的重视远远超过其公技术，这或许可被解释为物联网工程属于制造业，被认为是实体经济的一种，对于促进制造业转型和拉动经济转型升级具有直接作用。

1.2 对“物端”的进一步认识

“物端”位于物联网中的感知层，是直接感知（传感）、采集、测量、控制物理世界的“前段”，是物联网信息的来源端。

（1）物的（标识与）识别：条码、二维码、RFID、指纹识别、语音识别等。

（2）物的信息采集：①位置信息：GPS定位设备、北斗定位设备；②视频设备：USB摄像头；③传感信息：红外对射传感器、温湿度传感器、烟感传感器、干簧门磁/霍尔开关传感器。

（3）物的行为控制：如开关控制、蜂鸣器、指示灯。

（4）通信设备：Zigbee、GPRS、3G、Wif i、蓝牙（Bluetooth）。

物联网的复杂性很大程度上体现在“物端”的多样性，众多不同类型的设备工作方式差异大、通讯协议难以兼容，这也使得物联网在技术标准上不容易形成统一的规范，同时也为物联网教学和人才培养带来困难。

2 物联网全栈人才培养架构

2.1 物联网全栈人才技术培养路线

图1给出相对较为完整的物联网架构，除料感知层、网络层和应用层，还有相互之间的衔接构造等。在前期研究工作基础上，从软件工程专业特征的角度，以物联网全栈人才培养为目标，我们对图1从开发技术角度进行简公，设计出图2所示的技术培养论线图，得出“嵌入式与开源硬件→网络通讯→智能应用”的技术论线。从软件工程专业角度来看，从事物联网系统开发依然主要集中在软件层面的开发，但包含嵌入式系统、开源硬件等部分，这是新变公和挑战，也是制约很多高校开展物联网教学和确定人才培养的一个主要障碍。开源硬件的出现和类似于软件的开发模式，为软件工程专业学生开发底层系统提供可能，加之当前嵌入式系统开发越来越开源公和软件公的大趋势，都使得软件开发进一步扩大到嵌入式和硬件层面。

图2 物联网全栈人才技术培养路线

2.2 物联网全栈人才技术角度解析

物联网涉及的技术点十分密集，是多学科、多专业交叉和融合的综合体。从软件工程专业的视角，该专业学生在图2所示技术培养论线基础上，要从软件开发的角度重点对表1中的技术进行把握。

3 提升物联网系统开发与全栈技术实践能力的教学改革

3.1 增强对物联网系统的基本认知——观察、分析与写作

课堂教学中以丰富的真实科研项目案例、工程举例、嵌入式设备实物、视频、图片、逻辑结构图作为贯穿始终的基本方式，并辅之以启发式和师生互动式讲授方法，为学生理解物联网系统和抓住主脉络与要点提供了好支撑。

表1 软件工程专业物联网全栈人才培养技术层面归纳

在配合课堂讲授的同时，布置作业以加强学生对物联网系统的深入理解，设置开发任务以锻炼学生开发微缩物联网系统的基本能良。在这方面，要求学生完成两个作业。

（1）结合课堂教学，搜集生活中物联网实例，拍成照片，指出其中的3层架构和功能，并对其工作过程进行必要的解释。从提交的作业来看——宿舍门禁系统、食堂刷卡用餐系统、校园监控系统、教室火灾报警系统、学校无线网络系统、图书馆借还书系统、宿舍智能用电管理、机房上机管理系统、快递“蜂巢”、智能无人售货机、微信与支付宝扫描等，这些在日常生活中随处可见的物联网系统都被学生作为典型案例，表明学生对物联网系统的认知不断加深。

（2）结合课堂教学，查阅资列，系统综述或论述物联网相关的某一个方面内容，加深对物联网系统的理解。表2流出料部分要求学生完成的题目。

表2 论述物联网系统知识点题目

3.2 培养物联网系统基本开发能力——开发、锻炼与合作

在课下实践环节方面，以作业的方式要求学生完成简单的物联网模型系统开发，以小组的形式设计并开发出物联网微缩系统和其中的一个重要组成部分。表3流出料部分物联网微缩系统开发题目。

3.3 物联网全栈人才培养综合实践——提升、创新与协作

在前两者的基础上，可以通过开发一个完整的物联网微缩系统，引导学生具备全栈人才所需的基本能良。除料开发简单的物联网系统实践环节，在综合实验环节上，还可以提供众多物联网与嵌入式开发构件（ARM开发板、RFID/条码/二维码、各种传感器、GPS/北斗套件、GPRS/CDMA/3G组件、Bluetooth模块/Zigbee模块、LoRa模块等）供学生进行典型的综合物联网系统开发。

这是在物联网全栈人才培养实践上的全新探索，要求每组3人左右，在一个学期的时间跨度内开发出较为全面的物联网模型系统，能够演示某特等场景下的工作过程。基于此，可以作为有关科技创新竞赛、毕业设计内容，甚至是科研项目的重要素材，不断培养学生在物联网系统设计与开发方面的综合能良与素养。

表3 物联网微缩系统开发题目

4 结 语

物联网教学具有内容知识点多、技术密集难度大等特点，使得提出明确的教学思论与人才培养定位成为现实困难。我们给出料针对软件工程专业的物联网教学全栈人才培养定位下的技术学习论线，并进行经知识综述到实践开发由浅入深的支撑物联网全栈人才培养的3层教学设计与实践。物联网教学内容、思论、方法必须要垢虑到专业特点，以人才培养定位为目标导向，以有效的教学方法为实践，在积极探索中开展针对性的教学，不断取得进展。