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摘 要 ：随着物联网时代的到来, 越来越多的高校开设了物联网工程专业.为了让物联网工程专业适应物联网快速发展的形势,基于物联网的三层体系架构, 提出了物联网工程专业的理论课程体系,并从物联网的特点出发,提出了物联网的实践教学内容,以推动物联网工程专业教学体系的完善与发展.
关 键 词 ：物联网； 理论教学；实践教学
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2014）001017602
基金项目基金项目：西南民族大学教改项目（2013ZC60）；西南民族大学高校基本科研项目（13NZYTD02）
作者简介作者简介：刘韬（1978-）,男,西南民族大学计算机科学与技术学院副教授,研究方向为无线传感器网络.
0 引言
物联网是一个覆盖面大、产业链长、应用范围广的产业.从全国来看,物联网产业正在逐步成为各地战略性新兴产业发展的重要领域.物联网产业规模比互联网产业大20倍以上,而物联网技术领域每年的人才需求量也将达到百万人的量级,然而高素质的物联网专门人才的极度短缺成为制约我国物联网产业发展的瓶颈.近年来,全国许多高校都设立了物联网工程专业,但是由于物联网本身就是一门新兴的学科,其理论和应用实践都在发展和变化中.因此,针对该行业发展的高校物联网工程专业也就处于初步的探索期,其课程体系设置、实践环节等也在统一和完善中.本文结合教学与科研实践,针对物联网的理论教学及实践教学进行探讨.
1.物联网工程专业理论教学内容
物联网是典型的交叉学科,涉及电子专业、计算机专业、通信专业、自动化专业和管理专业等领域,现在的综合性大学基本上都设置有这些专业学科,但是专业人才的单一培养模式不能适应物联网发展的需要,多个专业的简单组合也不能满足培养物联网专门人才的需要.物联网工程专业应当是多专业的有机融合,需要多专业课程的汇聚.它以应用为中心,以社会需求为目的,理论与实践紧密结合.为培养高素质、全面了解物联网建设运行、管理及产业链各环节的复合型专业人才,需要对物联网工程专业的理论教学与实践教学进行合理的顶层设计.
1.1 物联网专业知识体系
物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1].物联网的架构分为3个层次：感知层、网络层和应用层.
感知层是物联网的“皮肤”和“五官”,用于识别物体,采集信息.感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等.
网络层由互联网和云计算平台等组成,从感知层获得的数据信息通过这些网络相互融合,并传递给应用层.
应用层通过由网络层传输来的数据信息,进行信息处理,如：环境监控、现场监视、智能家居等应用,实现物联网的应用功能.
1.2 物联网工程专业理论课程体系
结合物联网的知识体系,物联网工程专业的课程体系分为4部分,如图1所示,包括基础类课程模块、感知层课程模块、网络层课程模块与应用层课程模块.其中,基础类课程模块又分为公共基础课程模块与专业基础课程模块.
图1 物联网工程专业课程模块设置
公共基础模块,主要是思想政治教育课程和通识教育课程,包括思想和中国特色社会主义理论体系概论、大学英语、体育等课程.而专业基础模块要为物联网专业课程服务,涉及电子、计算机、通信等专业相关的基础课程,具体包括：C语言程序设计、数据结构、单片机及原理、电路分析基础、模拟电子技术、数字电路、数字信号处理、通信原理、计算机网络等.该类模块课程在高校中普及程度较高,有现成的师资力量,易做课程安排.
与物联网的体系结构中三个层次对应的分别是感知层课程模块、网络层课程模块与应用层课程模块.
感知层课程模块的课程包括：RFID原理与技术、传感器原理、短距离无线通信技术、ZIGBEE无线传感器网络技术、嵌入式系统等,这个模块主要是让学生掌握物联网的节点感知技术及相关硬件知识.
网络层课程模块包括：无线自组网技术、无线传感器网络实用教程、Zigbee协议栈的设计与实践、无线网络安全等等,其目的是让学生掌握物联网的网络层知识,并具备网络协议栈开发的基本能力.
应用层课程模块包括：物联网应用设计、云计算基础、移动平台开发等,该模块课程主要培养学生应用物联网技术解决实际问题的能力.
2.物联网工程专业实践教学
由于物联网工程专业与应用联系紧密,因而实践教学在物联网工程专业的教学中占据了重要地位,直接关系到物联网工程专业的教学质量.
可利用现有的实验室资源,建设物联网工程专业所需要的实验室,其基本的实验室包括：软件实验室、硬件实验室、嵌入式计算机系统实验室、通信实验室、RFID系统实验室与物联网实验室.
2.1 物联网工程专业实践教学体系
物联网实践教学,需要建立本科生、研究生和教师“三位一体”、以及科研与实验教学相结合的实践教学体系.如图2所示,物联网工程专业实践教学体系的基础是本科生的实验课程教学,该实验课程与物联网工程专业理论课程紧密结合.另外,根据物联网的特点,需要鼓励本科生利用所学相关知识进行科技创新,并积极参加物联网领域的计算机作品赛,这对于培养学生在物联网这一新领域的创新能力,完善知识结构都具有重要作用.
图2 物联网实践教学体系
学生在开展科技创新的过程中往往会受到自身能力的制约,这就要求把学生开展科技创新的过程与研究生和专业教师的科研项目相结合,可以让部分本科生在研究生的带领下参与物联网专业教师的科研项目,并从中衍生出学生自己的科技创新作品.如教师从事物流跟踪的项目,可以让学生进行部分RFID编程.只有这样,才能深化学生的知识掌握程度,并加强创新能力的培养. 2.2 物联网工程专业实践教学内容
图3中罗列了物联网工程专业的实践教学内容及其所属的实验室.图3中的程序设计实践、数据结构实践和单片机设计实践是专业基础课的实践内容,相对应的实验室一般是高校现成的实验室,不需要重新建设.
图3 物联网专业的实践教学内容
嵌入式系统设计实践是在完成嵌入式系统课程的基础上开设的基于嵌入式软件设计的实践,要求学生能够利用嵌入式Linux构建一个小型嵌入式系统,掌握利用嵌入式Linux和ARM平台进行嵌入式系统设计的能力.
RFID系统设计实践结合单片机技术,要求学生利用所学的RFID技术实现短距离通信,设计具有写卡与读卡功能的单片机,无源应答器和阅读器,完成设计报告.无线传感器网络设计实践要求学生运用所学知识,结合无线传感器网络的实验平台,实现经典的无线传感器网络协议, 进而对协议进行优化.
小型物联网综合设计与实现安排在第7学期,要求学生利用IEEE802.15.4标准、ZigBee协议或其它的传感网协议,综合以前所学知识,组建简单的物联网并实现相关的系统应用,如环境监测、地下停车场寻车、物流跟踪等小型物联网系统.该实践教学综合性较强,要求学生利用前面所学知识,大胆思考、积极创新,不断创造出物联网的新应用.
3.结语
物联网是一个新兴产业,物联网工程专业也是一个新兴专业.物联网交叉性和实用性的特点决定了物联网工程
专业是多学科的有机融合与提升,应高度重视学生工程能力的培养,通过多种实践环节培养学生的动手能力、协作能力与创新意识.
在物联网工程专业教学中要不断累积经验,完善该专业的理论与实践教学体系,并紧跟业界发展趋势,随时调整教学与实践内容,培养基础知识扎实、专业能力强且具有创新精神的物联网专门人才.