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《物联网应用系统设计》课程建设的探索与实践

徐向军1,周赟山2 (1.杭州科技职业技术学院信息工程学院,浙江杭州311402;2.浙江工商职业技术学院网络与多媒体中心,浙江宁波315012) 摘要:通过对学习物联网应用系统设计课程的学生进行分析,同时对物联网相关企业招聘人才专业技术知识和能力的需求分析,运用项目驱动的形式作为课程载体,整合以智能家居为项目实例的典型物联网应用项目,融合物联网相关技术和知识,如Zigbee协议栈、无线传感网、云计算等等,构建课程教学元素,采用课堂教学做一体化等方法,加强培养学生实战创新的能力,试图探索出一条学生在学习过该课程后,其物联网专业知识和技能接近或达到物联网相关企业专业技术人才目标岗位的能力需求标准。 教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 :物联网(IOT);Zigbee;无线传感网(WSN);课程建设
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)49-0140-05 一、引言 《物联网系统应用设计》是高职物联网专业或应用电子技术(物联网方向)专业开设的一门专业核心课程。它是在学生学习电工原理、模拟电子电路、数字电子线路、电子线路CAD设计、C语言程序设计、单片机应用技术、嵌入式应用技术、传感器应用技术、RFID无线射频识别技术与应用等课程后开设的。为了衔接现有高职学生的专业知识结构和专业技能,克服物联网信息量广,知识跨度大的问题,加上现有高职学生学业时间短,专业基础知识不扎实等因素,力求以将专业知识传授和专业动手技能相结合的原则,依据物联网企业对人才能力的需求,通过该课程设计作为引领,在完成该课程及实训标准后,通过课程设计及实施,努力打造出一门让专业教师能够上手教学与操作的,让学生能够掌握的,学生毕业后其能力可以满足目标人才市场IOT知识和技能需求的课程。 二、物联网企业目标岗位人才需求与学情教情分析 (一)学情、教情分析 《物联网应用系统设计》是本校信息工程学院应用电子专业(物联网方向)专业培育方案中一门核心课程,也是一门新的课程。培养物联网企业目标岗位人才,课程建设显得尤为重要,必须探索与时俱进的、有代表性的、实施有效的教学内容和教学方法。 从教师团队来看,本项目具有宽泛的知识体系结构,没有合适的参照物,如何从一望无垠的物联网知识海洋中提炼出企业需求的必要的知识体系结构对我们的团队是一个巨大的挑战,同时,内容的选用、项目的应用以及软硬件的实现,在时间短,要求高的前提下,我们面临的是能力资本、时间资本、资金成本的多重挑战,如何走好每一步是我们必须面对的。 从学生层面来看,学生在校期间,掌握系统知识学生的比例并不高,不同的学生偏科较为明显,想学的就多学点,不想学的几乎根本不学习,这将导致学生整体知识构架的不平衡,知识内容掌握的不够稳固,从而导致基础差,兴趣低的恶性循环在整个学生团体中蔓延,努力改善教学模式或方法,加强对学生的正确引导,提升学生的专业基础知识和专业能力及兴趣是我们毋庸置疑的使命。 (二)物联网企业目标岗位人才需求分析 随着国家对物联网行业的大力投入,物联网相关企业如雨后春笋般的不断涌现壮大,相关的社会需求也不断的提高,但从现有的渠道来看,真正运用到实处的,即落地的项目相对偏少,原因如下:物联网应用系统的成本相对较高,有需求的地方,如果不是具备较高实力的或利润率较高的企业或单位是无法实施的,即使它有这个需求;此外,物联网的应用,在技术门槛上得到了充分的体现,它的技术环节从软件到硬件,从单一产品到系统集成,从单次的销售完结到系统集成后长期的技术服务支持等等注定对物联网应用系统企业的财力和技术能力要求变得异常的高。而其他物联网相对单一产品的企业,因为没有能力赢得最终用户的物联网系统应用订单,而使得物联网应用市场的发展在规模上受到限制。 因此,物联网企业可以粗粗地分为两类,请参见表1。第一类,A类企业是有物联网系统集成的企业(大中型企业),具有系统集成所必要的资质,当然系统的集成应用开发及代表产品研发能力都是必须具备的,企业的资金、人才、资产等都是大规模的。第二类,B类企业是产品单一研发生产企业(中小型企业),也没有足够能力和资质去做系统集成工作,无论是资金、资产还是人才等方面都是捉襟见肘的。 目前,A类企业则是物联网系统应用的主导单位,研发能力、系统能力、市场能力都非常有规模,企业员工的学历要求、能力要求都比较高,高职类毕业生短时间内难以进入,此类企业相对B类企业的数量所占的比例是少的,存在的问题就是小的项目不愿做,也没有精力去做,只是承接国家的或其他大的物联网项目,这样给中小物联网企业市场应用环境构成相对薄弱状态,即形成IOT人才和技术大基数的需求。而B类企业具有专项产品或技术的研发,此类企业更具有灵活性和创新能力,是整个物联网市场的有生力量,尽管他们没有能力独立完成整个物联网系统应用的项目,更多的时候,把自己造就成A类企业的某个或某类产品的供应商,B类企业面临的挑战是产品、市场、资金、人才及技术流动等。这里,为我们高职毕业生进驻物联网企业各个目标岗位,特别是研发岗位提供了良好的空间。 按照分布的模式,预计市场上A类巨型企业的数量小于20%,B类中小企业的数量大于80%以上,物联网市场需求,大项目的基数小于整个份额的15%或更少,小项目将大于85%或更多。因此,只要我们的学生有足够的IOT技术知识和技术开发运用能力,是可以从容地走向物联网企业的。 根据上述的分析,我们可以清楚地知道我们的学生直接走进企业的目标岗位有如下几种:首先是众多的中小物联网相关企业,即B类企业,企业人数在150人左右或以下,这些企业所需要的核心岗位就是研发岗位,非核心的岗位有销售岗位、质量以及生产岗位,这些岗位存在着大量的市场需求,而且由于人员不足等原因,要求进入企业的员工具备多工种的能力,就是希望所招收的员工在专业能力上既要有广度,又要有深度。其次才是A类企业,这类企业的构建比较完整,分工比较精细,只要求你有深度就行,广度要求相对偏弱。因此,我们的学生能够面向的岗位仅有市场及营销岗位、系统集成施工及相关技术支持或技术服务等岗位,这类企业中的研发岗几乎都是被博士和硕士研究生所垄断,本科毕业生作为研发人员都相对比较少。结论就是我们物联网专业的毕业生走向社会,能够走进的物联网目标岗位包括:研发岗,市场及营销岗、生产岗、质量岗、系统集成及监理岗、技术支持或技术服务岗。 (三)课程设计的阶梯教学效果与核心目标岗位思路形成 按照物联网专业技术的能力要求将上述目标岗位分为3类,第一类甲类:研发或研发助理岗;第二类乙类:技术支持和技术服务岗;第三类丙类:市场营销或其他岗。所以,《物联网应用系统设计》课程的设计的宗旨在于适应物联网企业社会市场的需求,满足上述阐述的典型的甲、乙、丙三类目标岗位。本课程的开发,既侧重于基础的衔接,又尽可能地做到有典型性和针对性地体现了物联网应用系统的硬件设计、软件设计、系统集成设计的核心要素,简约而不简单。在相对短暂的时间里,努力使同学们能够通过自己的实践,构建出物联网应用系统的原型,掌握核心的专业技能,以满足市场对物联网专业人才的需求。 根据同学们先前的基础情况、学习态度、学习能力和以往的经验,同样的课程教学方法和实训锻炼其完成后的结果是不一样的,请参见图1.学生专业学习状态分析,一个班级大于30%的同学(优秀同学GS1)能够掌握目标课程的80%或更多的课程内容;大于40%的同学(良好同学GS2)能够掌握60%以上的课程内容,小于30%的同学(合格同学GS3)所掌握的课程内容将小于60%或更少的课程内容。在同样的教学环境下,形成了阶梯状的教学效果,即优秀同学其目标岗位可以是甲乙丙三种岗位的物联网相关企业,良好同学选择目标岗位可以是乙和丙类岗位的物联网相关企业,合格的同学则目标岗位或许只能丙类的物联网相关企业,请参阅表1.所示。 因此,本课程的核心目标是使的优秀的同学能够进入B类物联网相关企业的研发岗或研发助理岗,学习的稍微弱一些的同学可以进入A或B类物联网相关企业的技术支持或技术服务岗位,对于仅仅学习到物联网的影响概念或知识体系比较薄弱的同学,则可以进入A或B类物联网相关企业的市场和营销岗或其他岗位。综上所述,本课程设计目标岗位的核心是:研发助理岗或研发岗,此核心岗位可以包含或兼容本专业几乎所有的技术岗位,是关键要素,即解决学生就业和IOT企业人才需求等问题的主要矛盾。 三、课程设计的原则与目标 (一)课程设计原则 注意衔接。课程的安排是使学生承接以往的知识并加以扩展,尽可能使学生的知识结构形成一步一个脚印,避免跳跃或根本无法逾越的尴尬局面产生,同时,保证专业学习的要求。 点面结合。从传感器到传感节点,再从传感节点的两点通信到网络通信,从有线模式扩展为有线加无线的模式,从简单的控制系统到数据库应用系统。提升兴趣。以实战项目为主线,将相关知识节点加以提炼,应用于项目的具体环节,使学生明白项目需求,强化学生们的动手能力,相对系统地完成课程内部相关项目,最大限度提升学生们的学习兴趣。 提高课程实施的性价比。课程部分内容采用仿真加软件的模式,在不影响教学质量的前提下,较大空间地降低成本。此外,关键部分内容,采用实物模块学习,具体项目的构建及模块及系统应用软件的实现等。 面向岗位。企业的生命力在于创新和研发,本课程的教学方法侧重于培养学生们进入企业后的产品项目开发的基础能力,使其毕业后,自然适应企业的需求,并且部分优秀学生初步具有产品项目研发的基础能力。 强化基础。课程设计注重基础知识的学习和巩固,不仅仅是硬件,还包括软件、协议、系统、测试等等相关要素,一切从基础着手,最大限度强化基础训练。融合知识。对课程的设计考虑到综合复习和提升学生们已经学习过的多方面专业知识,包括传感器、单片机、嵌入式、电子线路CAD、无线射频技术及应用等等课程众多知识的融合应用,系统引入新的知识,如Zigbee、WSN、WIFI、GPRS、蓝牙、云计算、数据安全、数据融合等等。 (二)课程建设目标 通过课程教学,在专业能力上努力使学生达到:了解物联网关键技术和新技术,如物联网安全技术、数据融合技术,云计算技术等;理解物联网近程通信相关技术,如Bluetooth蓝牙技术、WiFi技术、Zigbee技术等;初步掌握物联网系统的体系结构和基本概念;能够理解和应用物联网无线传感网技术;能够理解物联网系统各产品的结构、参数及生产质量标准;熟练使用物联网应用系统软件项目开发工具IAR、Keil等;可初步承担边缘产品的辅助设计、参数测试或检测等相关能力;能够策划、设计并实现基础的物联网应用系统。 通过课程教学,在方法能力上,则培养学生具有自我完善、自主学习新知识的能力。能够通过各种渠道,获得所需知识的能力;培养学生收集技术资料能力、撰写技术报告、独立工作的能力;初步培养学生计划、组织、实施、评价的能力;培养学生科学思维、协作,创新,以适应学生职业生涯发展需要的能力。通过课程教学,在社会能力上,则努力要求学生做到良好的与人沟通和团队协作的能力;培养个体的自信心、进取心和责任心;能够满足客户需求、按时完成项目的能力;学会计划、组织、领导和控制能力;养成守时、自强、坚韧、创新和务实的作风。 四、课程设计最大限度满足企业人才知识技能需求并且注重与学生现有知识和能力的衔接 从物联网相关企业人才需求的调研及分析中,我们不难发现,企业需要的是具有一定电子及物联网专业技术知识和专业能力的、同时具有较强自主学习能力的、肯钻研而且肯付出敢于突破企业瓶颈的员工。高职学生进入学校进行专业学习的时间最多也就是4~5个学期。要把他们从入校时对电子专业及物联网技术一无所知到走出校门时培养成为能够满足物联网及电子类相关企业需求的专业技术人才,这无论是对于专业建设和课程建设都是一个挑战。为此,如何能够寻找出一条学生可以接受,教学上可以实施,学生所学的知识和能力又被企业认可的关键知识和技能路径,将成为我校应用电子专业(物联网方向)办学成功的标志。 按照这种思路,采用倒推的办法,在第一学年就完成了基础专业知识的教学,它们包括:《电子技术与实践》、《C 语言程序设计》、《电子线路CAD》、《单片机应用技术》等。而第三学期则学习完《传感器技术与应用》、《嵌入式技术与应用》、《无线射频识别技术》等物联网相关课程以后,在第四学期引入《物联网应用系统设计》课程。此时的学生对单片机、传感器和嵌入式系统应用有一定的了解和实践,对串口通信也有基础锻炼,但学生平均专业知识和技能的掌握相对而言不够巩固,运用点对点和点对多点的有线通信、扩展到无线通信、路由功能以及Zigbee协议栈的无线传感网络(WSN),使学生有一种登梯而上、循序渐进的知识和能力的成长过程,学习兴趣和效果得到体现。 此外,物联网技术运用的实质是将传感器的数据通过有线和无线通信将数据传输给后台,后台根据应用策略,进行分析、判断和控制等手段对收到的传感器数据进行响应。在此之前,传感器和后台数据库都已经属于成熟的技术范畴,系统难度最大的相对而言就是数据的无差错通信。数据通信是物联网能够形成的唯一桥梁,也是物联网相关企业在这方面的技术力量相对薄弱的地方,所以,拥有各种数据通信的技术能力的企业,在市场运营中,就会有非常强的竞争性,因此,有线无线数据通信技术是企业渴望自己的技术员工所拥有的核心技术能力之一。 《物联网应用系统设计》课程设计正是出于考虑到学生现有能力和企业核心竞争能力的无缝衔接,从有线到无线到网络通信的构架展开的。本课程是物联网应用系统技术的综合体现,也是对学生入校以来所学物联网知识及技能的检验和提升。在实际的课程建设和教学实施过程中,我们采用的是温故而知新的策略以求达到完美衔接的效果。尽管学生现有的专业知识和专业能力能够达到岗位专业基本要求的比例通常比较低,可喜的是,随着学校层面、老师及学生等各方面积极因素的不懈努力,学生们综合的专业知识和技能的平均水平正逐年向好。 五、课程、实训和教学方法的选择与构建 课程内容和实训内容的选择源于企业具体的实践项目,也是按照技术的演进自然而然形成的。基本思路如下:从有线到无线;从近程到远距;从仿真实现到软硬件实战;从独立的点到点对点连成的线,再从线与线的连接形成到面,最后从不同的面构成立体的信息采集、通信网络传输、智能监控的物联网模式。此外考虑到本专业是从电子类背景走向物联网,因此课程的重点放在了传感节点,近程有线和无线传输,包括传感器网络的数据通信上,而对于后台远端的应用层及数据库设计基本上就没有涉及,所以,课程的项目应用重心在培养学生们对传感器硬件的底层驱动、传感网络的数据传输,数据通信协议应用等。 由于现在的传感器件、模拟器件、数字器件的驱动都是需要通过编程序才能完成,因此,电子类的学生需要掌握的不再仅仅是模拟数字电路了,如果软件编程能力不行,对个人就业能力来讲,就显得格外单薄,几乎很难找到理想的工作岗位,软件已经成为应用电子技术专业(物联网方向)学生不可或缺的重要专业技能之一,所以,本课程的实践或实训内容的前几个模块,如节点对节点有线或无线数据通信,节点对PC机串口有线或无线数据通信等,就是有针对性的锻炼和提升学生们的逻辑思维和软硬件应用开发能力的,总之就是培养和训练电子(或物联网相关)类学生做到“硬件须更好,软件也不差”的理想境界。 (一)以实战应用系统为主线,展开课程 为了培养学生理论应用于实践的能力,课程设计以实战应用系统为主线,展开教学,目前主要设计了三个应用系统,表2给出了物联网应用系统设计课程的教学内容设计。 基于总线模式的智能家居监控系统。利用学生对单片机应用技术、嵌入式应用技术、无线射频识别技术与应用、传感器技术与应用课程的基础学习,以Keil系统集成应用为工具,引导学生进行项目编程;完成串口点对多点通信技术;完成基于485总线的点对多点通信技术;进行通信协议设计;深入理解物联网体系架构以及物联网应用系统开发环境。 基于无线模式的智能家居监控系统。通过学习以nRF24L01为主导的无线通信芯片,学会SPI总线的编程与数据通信;理解无线路由协议;理解无线通信协议;了解Bluetooth蓝牙技术、WiFi技术和GPRS技术。基于Zigbee模式的智能家居监控系统。使用Zigbee无线硬件平台;运用IAR系统集成开发工具完成Zigbee无线软件应用;利用物联网传感器及检测技术;理解Zigbee协议栈结构及原理;通过学习CC2530原理及应用;构建物联网智能家居监控系统;了解物联网数据安全、云计算和融合技术等。 (二)以项目团队为抓手,提升动手实践能力,展开实训 通过本院物联网研究所、本专业教研团队和物联网企业专家等构成的团队对课程设计进行专门的分析和论证,构建出以下的实训内容: 基于TI公司的Zigbee无线传感网芯片,运用IAR开发工具,训练学生进行物联网芯片内部的关键功能的驱动编程,如定时、中断、通信、低功耗等等; 学习并分析Zigbee协议栈,训练学生构建基础的无线传感网络的数据通信应用实践,完成基于Zigbee的点对点和点对多点的数据通信; 最后,给出一个简易智能家居监控系统,训练学生团队完成一个相对真实的物联网应用系统环境,包括传感采集、无线传输和控制执行系统。 按照上述的分析和论证,如表3所示,给出了物联网应用实训课程的具体内容。 (三)以检查—反馈为主导的教学方法和手段以项目驱动为依托,将知识点穿插其中进行学习,在完成项目的过程中,自然而然地将知识点的内容学习和吸收。项目驱动法是将项目任务进行分解,抓住关键的、核心的任务进行讲解、分析、引导、演示、讨论、互动,引领学生完成复杂的项目任务,并且拓展相关子任务让学生自主完成,然后核查完成的结果。应用多媒体将课件、录像、动画等教学资源和教学内容生动地展示给学生。激发了学生的兴趣,也极大地有助于学生对知识的理解和掌握,更加加深对知识点的理解、记忆和运用。 运用课堂五步教学法,即“讲解”、“跟进”、“核查”、“巩固”、“提高”五个步骤,实现教、学、做一体化。在此过程中,运用理论和实践相结合的理念,手把手地引导学生完成核心项目任务;添加巩固知识、能力锻炼的任务,要求学生个体自主完成项目分支任务,将教、学、做有机结合,使学生在教学过程中,既要动脑又要动手,不断认知,完成了知识和技能在不断的教学实践中,逐渐地完成从感性认识到理性认识的升华。 六、课程建设成效 学生经过本课程118个学时(68课时学习+50课时实训)的实际学习训练,采用项目驱动的方式,个体学习操作配合团队合作学习操作的模式,将教、学、做三位一体且集教学和学生能力培养相融合的模式,最大化地增强学生的学习能力与学习效果,努力将应用电子技术(物联网方向)专业学生中不小于40%或更多的同学初步具备物联网系统基础构建模式的能力,能够独立理解互联网络的原理实现和实施部分或大部分相关辅助开发的工作,初步学会使用模块化编程的方法等多种知识和技能。学生的专业学习兴趣的提高,专业知识和专业能力初步满足物联网市场人才招聘的要求,其中10%左右的同学就业于物联网研发岗或研发辅助岗,企业用人单位对学生的评价和用人需求越来越好,教师团队和教师教学水平也得到充分提高,教学资源、教学网站等已初步构建。 通过不断的努力课程建设逐步系统和完善,主要的成果有:课程实战项目;用于实训的应用项目基本完成过半;课件也在不断更新完善之中;课程教案基本成型;课堂教学效果正不断改善,实训内容已经趋于成熟,建设了教学题库,学生的学习兴趣和实践能力也随之增加,已经有部分优秀毕业生进入物联网企业的研发岗位,还有一些同学进入技术支持以及服务岗位。与此同时,初步建设了课程教学指导应用[本文来自于www.jyQkw.cOm]网站。当然[本文来自于www.JyqkW.com],由于此门课程设计的知识和能力要求都比较高,教师团队也是在不断学习、不断摸索和不断的成长过程中。特别是在项目编程实践软硬件实现上,常常遇到这样或那样的问题,一些看起来微乎其微的小问题,到最后真正解决问题时,仍然耗费教师巨大的精力和时间成本。 《物联网应用系统设计》课程还是处在起步和发展阶段,后续要做的工作非常多,最关键的工作就是每一个项目的设计、仿真、编程、软硬件联合调试、系统应用实现;还有课程课件的精细化设计安排;技术知识模块的深入学习与消化;课程视频的拍摄与上网等等,未来之路仍然是任重而道远。 七、结束语 本文根据物联网企业人才招聘目标岗位技术需求与学情、教情分析,构建物联网应用系统设计课程的设计原则和目标,通过对专业知识、专业能力、专业目标岗位进行分析,课程设计的内容最大限度地注重学生现有知识技能水平与课程需求知识技能水平的衔接,构建出以项目为载体的课程内容和实训内容。运用不断改进的教学手段和方法,力求使学生在完成本课程的教学实践后,其知识和能力水平接近或达到中小物联网相关企业专业技术人才岗位需求的标准。 教育期刊网 http://www.jyqkw.com
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