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作者簡介:吳韶波(1970-),女,江蘇常熟人,北京信息科技大學信息與通信工程學院,副教授;文江川(1977-),男,江西永新人,北京信息科技大學信息與通信工程學院,講師。(北京 100101)
基金項目:本文系北京信息科技大學重點教改項目(項目編號:2012JGZD04)的研究成果。
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2014)02-0111-01
導論課程是為了幫助剛剛進入大學的新生,在進行專業知識學習之前,使其了解所學專業、解讀所就讀的專業是什么,包括哪些專業課程、如何學習和運用專業知識、就業及考研去向等方面的問題,幫助其順利完成學業的一門專業基礎課程。目的在于通過導論課程的學習,使學生對所學習的專業有整體認識,對專業技術領域有一個初步的了解,明確各門專業課之間的聯系,為學生后續四年的知識學習、能力提高、素質培養以及畢業后從事科學研究、技術開發或經營管理等工作打下堅實基礎,是培養學生專業興趣、激發學習的動力、引導學習的方法、規劃學習計劃和未來就業十分有效的方式和重要的手段。
一、導論課程教學中存在的問題
物聯網工程專業是自2010年才陸續開設的新專業,涉及多領域技術,學科交叉,具有深厚的理論與廣泛的實踐相結合的特征。“物聯網工程導論”是物聯網工程專業的入門課程,從物聯網的應用、技術、服務、知識體系等角度闡述本專業包括的內容。在該課程的教學過程中發現存在著以下問題:
1.課程內容多,技術廣,綜合性強
物聯網被譽為信息產業的第三次浪潮,涉及計算機科學與技術、電子科學與技術、通信工程、自動化、智能科學與技術等多領域、綜合叉學科,被廣泛應用于智能交通、智慧城市、智慧醫療、工業監測、物流等方面。由于物聯網工程專業的教學內容涉及內容多,技術廣,對教學內容的有效綜合和整體優化勢在必行。
2.學生有興趣,熱情高,基礎缺乏
“物聯網工程導論”課程在大學一年級新生入學后開設,學生對新知識、新技術具有強烈的好奇心。通過對北京信息科技大學2013級物聯網工程專業新生進行統計,96.8%的學生對物聯網技術有前期調研,但對物聯網工程專業的具體教學內容了解較少,實踐動手能力普遍欠缺。教師綜合運用教學手段,突出物聯網工程專業課程體系知識脈絡,引導學生采用正確的學習方法開展專業課程的學習,培養其職業素養和職業道德,將為學生今后的學習與工作打下良好基礎。
3.專業領域新,對師資隊伍要求高
物聯網技術作為新興的研究領域,高校在新辦物聯網工程專業的過程中存在著涉及的專業知識廣,交叉性強;課程體系尚處在摸索階段,有待不斷完善;學科建設不成熟;全面掌握物聯網技術實踐教學的師資隊伍嚴重缺乏等問題。這對任課教師提出了更高要求,教師需不斷更新專業認知,擴充知識結構,并加強工程實踐能力培養。
4.教學方法單一,考評方式片面
“物聯網工程導論”課程涉及知識內容豐富,對各部分知識點的要求掌握的程度各不相同。導論課程面向一年級新生開設,學生的基礎和知識掌握程度參差不齊,若采用單一授課的方式,可能達不到預期教學效果。再者,若考評只采用傳統的“期末考試成績+平時成績”進行考量的方式,很難全面體現學生對新知識的掌握程度和相關能力的提高,或將束縛學生的思維,使學生對后續課程產生為難情緒或消極的負面影響,甚至厭學。
二、導論課程教學的幾點思考
針對以上在“物聯網工程導論”課程的教學中存在的問題,對物聯網技術本身特點以及物聯網專業新生特點進行分析總結和實際授課情況,建議從以下幾方面進行改進:
1.解析專業知識框架,優化教學內容
“物聯網工程導論”課程應從宏觀上介紹了物聯網工程領域的相關知識內容,綜合性較強。通過對物聯網基本概念、知識體系進行整體介紹,使學生既對涉及到的廣泛技術有了解、有興趣,又不會被龐大的眾多學科內容嚇倒,形成對“物聯網工程”基本模型和基本問題的初步且宏觀的科學認識。目前,絕大多數的物聯網導論書籍對于物聯網專有的RFID技術、無線傳感器網絡以及M2M等技術介紹比較詳細,其他必須的計算機、通信和控制方面的內容則很少提及。因此,應貫穿“全局指導局部”的方針構建基本知識框架,對教學內容進行整體的優化,保證后續教學能圍繞物聯網的需求進行;剖析物聯網技術與相關學科之間相互交叉、互相作用、互相促進的關系,引導學生采用正確的學習方法開展專業課程的學習,強調基礎知識,注重技術應用,讓學生了解物聯網技術發展的前沿技術和巨大的創新機遇以及極其廣闊的發展空間。
2.教學方式多樣化,鼓勵創新思維
物聯網技術發展迅速,正不斷應用于很多領域中,因此,導論課程的教學可以采用多樣化的教學方式融于整個授課過程中。
作為實踐性很強的工科學科,感性認識可以加深對物聯網工程理論知識的理解。采用案例式教學,如:在介紹物聯網與傳感器采集數據的關系時,教室可以帶領學生參觀智能家居的樣板間,讓學生親身感受如何采集溫度、濕度、光照等信息,如何傳輸這些數據并對家電進一步控制。也可以綜合考慮課程側重內容以及學生的興趣點,歸納提煉出研究的方向,采用研究式教學,啟發學生思考,鼓勵學生通過查閱資料、對比分析等方式來解決問題和提出自己的想法,以達到培養學生分析和解決實際問題的能力和創新思維的目的。最后,課程也可以不局限于課內教學,教師可充分利用網絡教學資源進行教學輔助,突破傳統導論課教學在時間與空間上的局限性。
3.強化實踐教學,緊跟領域前沿研究新技術
“物聯網工程導論”課程內容多,除了介紹計算機、電子、通信、控制等有關專業基礎外,還涉及到大量全新而復雜的新技術。對于剛進入該專業的新生來說,從書本中很難明確自己今后的學習和研究方向,也很難將抽象的書面知識與實際應用相結合。因此,教師應適當輔以實踐教學環節,并通過參觀與專業相關的實驗室、物聯網應用樣板間、開展物聯網技術現場教學與實踐活動,拉近學生與物聯網技術應用之間的距離。注重實際應用,幫助學生理解抽象的概念,讓學生既能提升對課程的興趣,又可及時掌握技術發展的最新動態。這樣有利于學生從技術層面整體把握物聯網,對其后續專業課程的學習和理解起到較好的引導作用。通過進入實驗室體驗學術研究的過程,也能激發學生對高水平研究與應用的熱情。
4.建立綜合考評體系,考評方式全面靈活
導論課程的考評可分為期末考試、實踐報告、研究報告等多個組成部分。期末考試可采用開卷形式,基于課程內容涉及的基本理論、基礎知識進行測試,同時也避免了學生死記硬背。研究報告可以小組形式進行提交,根據選定的研究方向從查閱文獻、自主思考、組織討論到形成結果、匯報總結,明確小組中每名學生的工作與貢獻。實踐報告指學生通過參觀與實踐,對物聯網新技術應用的進一步理解,包括基本的原理、實踐操作、方案改進等,培養學生系統獲得新知識、新技術的能力,擴展知識面,鼓勵創新思維。
三、結束語
“物聯網工程導論”課程肩負著引導物聯網工程專業新生了解專業技術發展,激發專業課程學習興趣,掌握自主獲取知識方法,引導正確學習方法的重任。本文首先根據物聯網技術及專業新生的特點,討論了“物聯網工程導論”教學中存在的若干問題,從教學模式、實踐教學、考評機制等三個方面給出了對于本課程教學的有關新思考,力爭提高學生的學習興趣,指導后續課程的學習,培養出具有自主學習、創新思維和較強實踐能力的物聯網工程專業人才。
參考文獻:
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關鍵詞信息技術 創新 跨學科 應用
1信息技術發展的背景及現狀
1.1信息技術發展背景
信息技術是InformationTechnology的縮寫,是管理以及處理信息的過程中所采用的技術的綜合,該技術主要是以計算機技術以及通信技術為理論基礎來設計、開發相應的信息管理以及信息處理系統,所以一般也將該技術稱為是信息和通信技術。在各行業中或多或少都有一些數據或者是信息需要處理,所以信息技術在各個領域得到了非常廣泛的應用,尤其是在科學研究領域及工程實踐領域。
1.2信息技術發展現狀
相較于傳統的基礎科學領域的研究來講,當前很多科學領域研究均面臨著較為復雜的研究問題,現代跨學科研究涉及更大的跨越難度、類型復雜、規模巨大,在學科之間,學科界限越來越模糊,專一學科所涉及的內容增多,這不得不使得跨學科研究開展跨國合作,并越來越成為合作的趨勢。因此,跨學科研究是社會科學研究的新模式,特別是當前信息技術的飛速發展為我們的社會經濟文化帶來了巨大的變化,社會各行業的發展使得信息技術領域成為跨學科研究的多樣化特征,它的科技創新主要是結合不同的學科和不同領域的聯系點上,因而滋生出了一部分前沿的新興跨學科,例如當前較為火爆的生物信息工程學、醫學信息學等,總之多數是在信息學基礎之上加入其它學科的名稱,演變成新的跨學科。
2信息技術與不同學科的交叉應用
2.1內交叉
物聯網利用復雜的通信技術將一系列的物品和人員通過一種方式將彼此聯系起來,使得人物、物物能夠相聯,從而實現網絡通過遠程控制進行管理,讓網絡管理更加智能化。然而,物聯網能夠兼容所有互聯網中的應用,但比互聯網更具私人化和個性化。世界各國都重視對物聯網的應用開發,我國將物聯網規劃入新興戰略發展產業,由于其帶來的經濟性和科技性的變革,使得物聯網成為世界第三信息產業革命。物聯網技術囊括了通信、軟件、感知及信息處理等技術,具有較大的融合性。如今,物聯網研究正迅速發展中,其作為世界戰略性新興產業的新增長點,市場潛力和效益巨大,根據《2014-2018年中國物聯網行業應用領域市場需求與投資預測分析報告》顯示,物聯網產業在2010年的中國市場規模總量為1330億,次年為2600多億,就在今年,物聯網市場規模將超5000億。2014年,我國的物聯網電視電話會議召開,馬凱主席強調,著力將物聯網應用于各行業,加強對工、農業、商貿、能源環保、交通、生產、城市管理等領域進行物聯網的示范性應用,推動物聯網產業鏈的發展格局,加強對物聯網相關法制建設,培養健全的多樣化的人才機制。這些舉措加快了物聯網這類新興學科發展進步。
2.2信息領域與生命學科的交叉
當前,醫療電子和生物特征識別技術正被普遍應用于人們的生活中。隨著物質生活的提高,世界各國都遇到同樣的人口老齡化問題,傳統醫療不能滿足所有地區的醫療需求,新興醫療電子為醫療帶來變革,醫療電子走進千家萬戶,成為家用化的電子設備,對偏遠地區的病例診斷帶來極大的方便,有利于偏遠地區、老人、重大疾病的醫療服務需求。現代醫療電子種類較多,例如助聽器、血糖儀、脈沖儀、胰島素注射筆、CT掃描儀等,很多微小型儀器已經家用化,成為家庭醫療護理設備。在生物識別方面,現在的識別技術種類較多,有指紋、語音、面部等特征的識別技術,由于這些識別技術為工作生活帶來極大的方便,因而被廣泛應用于安保、鑒別等需求。
2.3信息與工程應用的交叉
當前很多重大工程如建筑工程、航空航天工程、核技術、機械工程、電力工程等,其計算設計和應用等都建立在計算機基礎上,進行模擬操作,從而形成了一批新興的IT交叉學科,使得以計算機技術為基礎的研究推動著各行業大型工程的迅速發展。對汽車電子行業來講,如今已經進入智能、網絡化的計算領域,早期汽車是偏向機械的技術,隨著計算機信息技術的發展,各工程領域進入了機電化時代,汽車就是一個較為明顯的機電化領域,早期汽車修理是依據純經驗,現在的汽車修理較為復雜化,但修理較為簡單,均是靠機械智能化的修理,汽車內部有多個電子元部件組成,汽車線路的修理由各部門分工協調合作完成。因此,早期汽車主要與能量轉換有關,現今汽車主要是對整體電子元件的控制。例如汽車的點火裝置,在較早的時候,汽車點燃是根據電磁感應原理,發明了將線圈制作的變壓器進行電壓點火,而這一技術原理仍用于現代汽車,然而現在已經變為多個電子元件組裝構成。點火裝置首先依據傳感器所傳送的數據作一個運算和分析判斷,再次是點火和調節,最大限度地節省燃料,達到環保。另外,在最新型的發動機的電控裝置中還有智能化的控制和診斷操作功能,有的發動機電子技術還能對其排出的廢氣進行搜集和循環利用,在怠速過程中進行節能控制,對多個汽車元件進行功能的自我診斷,從而發出警報和提示。在交通工程方面,鐵路運輸已進入了電氣化時代,例如現代的地鐵、高鐵等工程的應用。
2.4信息與環境地學的交叉
地理信息系統利用當前先進的衛星和移動通信技術的定位應用,通過發送信息,以定位終端設備用戶確切的方位和經緯度數據,為用戶提供定位需求服務。當前全球定位系統共由24顆衛星構成,分別位于6條不同的軌道上,以確保定位需求,該定位技術具有低成本、高效的特點,并且定位精確,具有良好的價值應用功能。各大通訊運營公司利用衛星定位技術的便捷,為移動用戶增加了更多的增值服務,方便用戶的生活出行。例如GPS定位查詢、導航服務、智能交通服務、廣告服務等。對于無線傳感器來講,其低消耗、微小的體積是最大的優點,利用無線通訊原理自組網絡,能有效地探測多種數據,例如收集和探測地質信息、地下礦井和水文環境數據,為相關監管部門提供監測數據,以減少環境災害對人類的危害。
2.5信息與人文社會科學的交叉
信息技術的應用領域廣泛,而與人文社科和教育等進行交叉更是平常,在生活工作和學習中隨處可見,例如于管理、教育、經濟等領域的交叉,形成信息管理學、信息教育、經濟信息等領域的新興學科,使得各基礎學科之間的交叉更加聯系緊密,各跨學科學習和研究更加平凡。就社會信息這一新興學科來講,是對社會上的信息問題進行研究分析,并歸納總結的一門學科,它基于社會發展的計算機化為對象,將計算機與信息政策、社會學等的部分理論聯合,尋求共通之處結合成的新興跨學科。
3信息技術在跨學科中應用存在的問題
3.1認識上存在差距
信息技術在跨學科領域中的應用最大的障礙就是認識上的問題,由于不論是從事信息技術領域的學者或者是工程技術人員,還是從事和信息技術領域交叉學科的相關的技術人員,在很大程度上都只是針對自己所從事的領域比較熟悉,而對于不屬于自己認識的領域卻存在著很大認識上的問題。一般來講信息技術是一種處理其他領域中信息和數據的工具,利用這些信息技術對信息的處理能夠得到一般規律性的東西,但是如果信息技術掌握不好或者是所要跨的學科掌握不好的話就會存在很大應用上的問題。
3.2應用上存在差距
正是由于上述存在的對于自身不熟悉學科認識上的差距,所以才導致了信息技術在跨學科領域中的應用存在諸多方面的不足。在很多的領域都有信息技術的應用,但是受到其他領域人員對于信息技術掌握制約以及信息技術領域人員對于其他行業知識的不了解最終導致了信息技術在各個行業中的應用并不是很深入。
3.3基礎設施和運行機制不夠完善
在各個行業中對信息技術的應用不到位還受到基礎設施以及運行機制的制約。在各個行業中由于資金問題或者是相關部門領導的思想認識問題,使得很多學科中的信息技術的基礎設施建設存在著很大的問題,很多單位沒有認識到信息技術對于自身學科的作用,所以沒有進行信息技術基礎設施的建設,并且在其他學科中也沒有設置相關的信息技術管理部門,這都是信息技術其他學科沒有得到充分利用的關鍵因素。
3.4人力不足
信息技術在新型跨學科領域中的應用所有的問題都可以歸結為人才的問題,也就是缺乏既具有信息技術能力又具有行業背景知識的人才。只有充分具備這兩個方面的技能才能夠使得信息技術在跨學科領域中得到比較充分的應用。
4促進信息技術與不同學科領域交叉融合的建議
如果要實現信息技術和不同學科領域之間的交叉和融合,最為關鍵的是在培養人才的過程中要考慮到信息技術的應用領域。首先,比如對于信息技術領域中的學生來講,可以根據學生自己的研究興趣選擇相應的研究方向,并將信息技術領域應用于自己所感興趣的研究方向。其次,對于其他新興學科的學生培養來講,可以在培養計劃中設置信息技術相關的課程或輔修信息技術相關的第二專業,促成信息技術在本學科領域中的應用。第三,對于高校來講,可進一步優化學科專業結構,拓展學科專業,加強專業群建設,努力推進與企業的融合發展。第四,對于企業來講,可以結合實際工作開展的需要采取相應的措施對工程技術人員進行信息技術的培訓,使得信息技術能夠在各行業開花結果。
5結語
社會在不斷發展進步,需要不斷地進行科學技術的開發和探索,而跨學科領域正好能填補一些空白科技領域,為其提供科學的理論依據,以加強不同學科領域之間的聯系,從而開辟新的學科領域,為社會進步發展服務。科研創新研究只有將更多的學科領域連接在一起,才能探索更多有價值的問題。
參考文獻
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關鍵詞 農業;物聯網技術;應用現狀;發展對策;江蘇姜堰
中圖分類號 F323.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739(2012)22-0337-02
當前,物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第3次浪潮。隨著智能農業、精準農業的發展,智能感知芯片、移動嵌入式系統等物聯網技術在現代農業中的應用逐步拓寬,通過使用無線傳感器網絡可以有效降低人力消耗和對農業生產環境的影響,為動、植物生活、生產提供相對可控制甚至最適宜的溫度、濕度、光照、水肥等環境條件,可以在一定程度上擺脫對自然環境的依賴進行有效生產,實現科學監測、科學種養,極大地促進了現代農業發展方式的轉變。
1 姜堰市農業物聯網技術應用現狀
1.1 農業物聯網技術應用具有良好的基礎
一是農業信息化基礎設施初具規模。目前,全市16個鄉鎮(區)所轄262個行政村全部實現光纖有線電視網、互聯網“村村通”,寬帶覆蓋率達到100%,計算機、電話、手機等信息工具逐步普及,計算機網絡、有線電視和有線廣播已成為主要的信息網絡。二是農業信息化服務體系不斷完善。全市已形成“市有信息中心、鎮有信息服務站、村有信息服務點”的3級信息服務體系和“電腦有網站、電視有影像、電臺有聲音、電話有應答”的“四電合一”農業信息網絡服務平臺,農業信息化已成為全市現代農業發展的助推器[1]。
1.2 農業物聯網技術試點應用取得初步成效
物聯網在高效設施栽培、畜禽養殖、大田作物精細栽培、農產品質量控制和可追溯體系的建立等方面都有極其廣泛的應用前景。近年來,姜堰市在積極推進全市農業現代化發展進程中,不斷創新農技推廣新方式,積極研制引進信息新技術,推廣信息化新成果,開展物聯網技術應用試點工作。一是農業物聯網技術在設施蔬菜生產中得到應用。2011年,市水鄉蔬菜種植專業合作社投資60多萬元,建立了泰州市首個設施蔬菜農業物聯網系統,實現了信息技術與現代農業發展相結合。該系統通過傳感設備實時采集溫室(大棚)內的空氣溫度、空氣濕度、光照等數據,由技術專家進行分析處理,可以實現遠程自動控制濕簾風機、側窗、遮陽設備等。二是專家系統在大田作物生產管理上得到應用。2004—2010年,姜堰市農業信息中心與北京中科院合作研制開發了“綠色稻米生產管理智能化專家系統”。該系統融合了人工智能技術、WEB技術、數據庫技術,實現了規則庫的規則全面與重點相結合、水稻生產中技術難點與普通管理技術相結合。該系統的研制與推廣實現了全市信息技術在大田作物生產上的新突破,取得了新成效,目前累計示范推廣面積達到6 666.67 hm2,實現增效10%左右。三是自動化節水灌溉技術在設施農業中得到應用。大倫綠色家園葡萄種植基地,采用現代化設施栽培方式種植優質葡萄,新建避雨保溫聯體雙層鋼架大棚14萬m2,安裝相應的滴灌配套設施500套,實現水、肥、藥全自動化控制。四是智能化視頻監控系統在養殖業上得到應用。江蘇萬維養豬場6幢1.3萬m2標準豬舍,視頻監控到每個豬舍、每頭豬,實現豬場生產管理智能化。興泰鎮之春鴿業合作社建立了養殖、加工全過程視頻監控系統,實現生產管理信息化、遠程化和自動化。溱湖龍蝦養殖基地、恒隆生豬養殖場等規模基地都已建立養殖環境視頻監控系統。養殖環境視頻監控系統的應用,不僅提高了全市規模養殖基地的管理水平,也為進一步推進物聯網技術應用奠定了基礎。五是農產品質量安全追溯系統框架已經建立。2011年,姜堰市率先建成農產品質量安全監測網。該監測網實現了全市各鎮農產品質量安全監測站、農貿批發市場、“三品”生產企業(基地)等單位農產品質量安全監測數據聯網和數據自動化統計匯總工作。監測網建成后,有效提升了全市農產品質量安全監測監管能力,提高了農產品質量安全水平和市場競爭力,同時也為全市農產品質量追溯系統的應用架設了框架[2]。
2 姜堰市農業物聯網技術應用存在的主要問題
目前,物聯網技術正在逐步被全社會認知、認可,農業物聯網技術在實現農業集約、高產、優質等方面發揮著積極作用。姜堰市物聯網技術在農業領域中應用剛剛起步,面臨著諸多困難和挑戰。一是廣大基層農戶、企業負責人以及基層農技人員對物聯網技術認識程度不夠,有的還停留在模糊概念上,對物聯網在現代農業發展中的作用認識不足。二是物聯網產業基礎薄弱,物聯網技術研究力量不足,財政性產業研發和技術應用資金投入不足。全市雖有極個別IT企業能夠實施物聯網技術項目,但是不具備自我研發能力。三是缺少起點高、輻射面廣、帶動作用大的物聯網技術公共服務平臺和高效的綜合管理平臺,信息資源共享不夠,物聯網成熟技術的先行先試推廣應用比較困難。四是基層專職從事信息化技術服務人員匱乏,尤其物聯網技術等新型信息技術適用人才更加缺乏。五是物聯網技術平臺后期技術、硬件維護成本較高,設備更新速度較快,后續資金投入較大[3]。
3 發展對策
3.1 加強組織領導
建設農業物聯網技術應用示范工程是一項全局性的系統工程,也是推進全市農業現代化建設的一項重點工程。信息產業、科技、農口等涉及部門,要建立工作責任體系,明確相應的責任科室和業務機構,加強領導,統籌規劃,分步分級實施,確保應用示范工程扎實推進。
3.2 落實資金保障
積極鼓勵、支持互聯網運行商參與實施物聯網技術應用示范工程,實行“以獎代補”等形式鼓勵農業企業、種養基地引進物聯網應用技術;同時積極爭取上級部門政策和資金的支持,依靠外力、外智、外資共同建設全市農業物聯網技術應用示范工程[4]。
3.3 開展典型示范
分行業選擇基礎條件優越、智能化程度較高的規模種養基地開展物聯網技術應用試點。
3.4 普及物聯網知識
加大農業物聯網技術宣傳力度,通過電視、網絡等媒體,采取多形式、多手段宣傳和普及農業物聯網知識,積極營造物聯網技術的濃厚氛圍。
3.5 強化隊伍建設
圍繞全市農業增效、農民增收的總體目標,培養一批基層農業信息員和物聯網技術隊伍,指導和協調全市農業物聯網技術應用工作。
4 參考文獻
[1] 李文清,郭宗良.物聯網的成長與發展綜述[J].網絡與信息,2010(2):27.
[2] 戴起偉,凡燕,曹靜,等.物聯網技術與江蘇智能農業產業發展[J].江蘇農業科學,2011(5):1-3.
關鍵詞:物聯網技術導論;實驗教學;實驗考核
中圖分類號:TP393;G642 文獻標識碼:A 文章編號:2095-1302(2014)03-0091-02
0 引 言
物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后的第三次信息浪潮。2009年8月總理在無錫考察傳感網產業發展時提出“感知中國”后,物聯網的探索逐漸成為國家戰略。2010年3月底,教育部批準30所高校第一批開設物聯網工程專業,沒有物聯網專業的學校也相繼開設了物聯網相關的課程。我校于2010年招生時就將物聯網及相關課程加入了計算機科學技術、網絡工程專業的培養方案,并于本學期首次開設了《物聯網技術導論》課程。本課程的特點是理論性強,通過實驗課加強學生對于物聯網理論內容的理解,才能很好地培養學生分析問題、解決問題的能力和專業實踐能力,加強實踐教學是培養應用型人才的重要途徑。研究《物聯網技術導論》課程的實驗內容,對培養物聯網應用人才具有重大的意義。
1 研究現狀及存在問題
《物聯網技術導論》是本學期為2010級計算機科學技術專業新開設的一門專業任選課。課程的目標是使學生可以對物聯網技術的相關知識有一個全面、系統的認識;具備規劃設計與構建出一些簡單的物聯網應用系統的能力;具備運用理論知識解決實際問題的基本素質。
現在開設物聯網課程的學校很多,主要從理論上講解物聯網中的無線傳感器網絡、RFID(射頻識別)技術等,項目組對市面上的物聯網技術課程及實驗的教材及幾個學校的實驗教學做了調查,主要發現有以下幾個問題:
1.1 課程內容差異很大,實驗內容不統一
物聯網是一個相對比較新的技術,很多理論還沒有完全沉淀下來,形成非常統一的理論體系。不同的學校不同的教材講授的內容有很大差異,相對于實驗內容也就有不同的安排。
1.2 開設的專業不同,實驗內容的重點不一
物聯網技術是一個綜合性比較強的新技術,涉及到計算機技術、通信技術、自動控制技術等,造成了不同專業都開物聯網課程的現狀。通信技術相關專業講解的重點在于物聯網通信傳輸、通信協議分析等,自動控制相關專業講解的重點在于物聯網芯片的研究設計等。計算機相關專業講解的重點在于物聯網相關算法、應用開發等。開設專業的不同,導致了實驗內容的重點不一。如北京科技術大學王志良教授出版的實訓教程[1]有大量的硬件設計指導等。
1.3 不同學校配備的實驗箱不同,實驗操作不一致
對于物聯網課程的實驗大部分都是基于實驗箱進行操作的,不同的學校配備的實驗箱基本都不同。每種實驗箱都有不同的核心板,不同的程序,操作起來都有自己的步驟[2]。本系關于物聯網的實驗箱共有3套,即使是同一種類型的實驗,軟硬件環境,實驗效果也都不同,這也給實驗的選擇、融合帶來一定的難度。
1.4 學生層次不同,實驗內容的難易度設置問題
物聯網實驗需要大量的硬件編程基礎,這些基礎都是通過以前課程的學習積累的。有的學生基礎好些,如果實驗內容過淺,就不能滿足學生對知識的渴望,設置過難又使基礎不好的學生失去信心。
基于以上問題的分析,我們在實驗內容的選擇上要以符合專業需求為主要方向,找出實驗教學的重點,體現實驗的層次性等,為培養物聯網方向的應用人才奠定基礎。
2 實驗內容研究
主要研究《物聯網技術導論》課程的基礎實驗與應用實驗內容,以符合專業需求為導向,整合現有實驗箱實驗的基礎上,在各個實驗中擬設置選學內容,以滿足不同層次學生的要求,同時為學生深入學習物聯網相關課程打下堅實基礎。
擬選取以下6組實驗:
(1)建立實驗環鏡
實驗為1學時,主要是認識實驗設備,安裝配置IAR、KeilC開發環境。
(2)數據感知實驗
實驗為3學時,主要物聯網感知層的實驗,包括溫濕度傳感器、超聲波傳感器、酒精傳感器的實驗,使學生通過各種傳感器感知信號及編程方法。選學內容設置為光電傳感器、壓力傳感器。
(3)ZigBee組網實驗
實驗為4學時,主要是讓學生熟悉ZigBee協議棧原理、工作流程,掌握點對點、星狀網通信原理及相關程序應用分析。選學內容為樹狀通信實驗等。
(4)網關通信實驗
實驗為2學時,使學生掌握網關上各種通信接口如串口,網口、GPRS的使用及程序分析修改。
(5)認識RFID系統實驗
實驗為2學時,使學生掌握RFID 的基本原理,學會RFID 模塊的使用方法及相關程序分析。選學內容為超高頻RFID模塊分析等。
(6)物聯網應用實驗
實驗為4學時,是物聯網應用層的實驗,主要是對智能家居系統、智能超市系統和智能倉儲系統從系統功能、架構、原理上進行分析,并通過各種模擬系統進行實際分析等。選學內容為智能農業等。
實驗的總學時為16學時,我們的重點放在無線傳感器網和物聯網應用上。
3 實驗教學方法與手段
3.1 啟發式教學
為了培養學生的創新能力,激發學生學習興趣,改變以往填鴨式教學方法,在實驗中,先講解實驗內容和實驗要求等基本內容后,再將本次實驗的結果展示出來,然后引導學生觀察、發現問題,由教師以點撥、提問和探討的方式加以解決。實驗中根據學生的實際情況,這種變學生被動為主動參與的教學方法在調動學生的學習主動性及創新能力的培養上均收到了良好的效果。
3.2 層次教學
根據實驗教學的進度和實驗深度要求的不同,把實驗分成不同的層次,有助于引導學生由淺入深地學習。在物聯網實驗教學中分成兩個方面的層次。
第一個層次,是從必學到選學將實驗內容分成必學和選學,必學是所有學生都要學習的內容。選學內容是對本實驗更有興趣的學生學習的內容。
第二個層次,是將必修實驗再分為使用、驗證分析、綜合設計3個層次。
在教學前期適合于做一些使用層次要求的實驗,如建立實驗環鏡、傳感器和ZigBee網等, 通過全面使用物聯網系統使學生對傳感器、ZigBee等操作有全面的感性認識。 在有一定的操作和理論基礎時可做驗證分析層次的實驗,從外部觀察驗證傳感器、ZigBee的原理、編程、實現過程。如學完進程就可通過在實際的操作系統上編程使用系統調用來觀察操作系統的進程調度結果,并根據結果分析不同的調度策略。 在驗證分析的基礎上就可做設計實現層次的實驗,要求學生在模擬操作系統上自己編程實現操作系統的功能模塊,并觀察自己所設計的功能模塊的工作情況。讓學生對物聯網功能有一個使用、探索驗證、自己設計逐步深入的學習過程。
4 實驗考核
考試是引導學生學習、了解教師教學效果的一個重要方法。許多高校計算機科學技術專業硬件課程實驗教學和課堂教學的比例超過20%,但學生的成績僅憑試卷考試來確定,忽略了實驗教學成績,這是不全面的。因此需要完善學生成績評定,充分調動學生對實驗教學的積極性,達到學生實驗動手能力的成績在總評成績中占一定比例。在平時的實驗教學中,應該告知學生實驗成績在總評成績中的比例,要求學生重視實驗報告,啟發學生創新思維,鼓勵學生認真總結實驗經驗,杜絕抄襲他人現象。幾年來在計算機科學技術專業硬件實驗教學成績占課程總評成績的20%~30%是比較恰當的。
5 結 語
本文對《物聯網技術導論》實驗課程的內容、實驗教學方法與手段、實驗考核等方面所作的分析,可為高校建設物聯網技術導論課程提供一些參考。物聯網技術導論的實驗教學是培養實用性和創新性的高素質物聯網技術人才的重要途徑和手段。因此,實驗教學是當前需要認真研究和探討的問題。
參 考 文 獻
[1]王志良,王新平. 物聯網工程實訓教程:實驗案例和習題解答[M].北京:機械工業出版社,2011.
[2]魏曉寧. 物聯網實驗教學初探[J]. 計算機時代, 2011(10):49-53.
[3]劉云浩. 物聯網導論[M].北京:科學出版社, 2010.
[4]吳功宜. 物聯網工程導論[M].北京:機械工業出版社,2012.
[5]徐勇軍. 物聯網實驗教程[M].北京:機械工業出版社,2011.
關鍵詞:物聯網技術與應用 教學目標 知識體系 內容安排 教學方法
中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)01(a)-0162-03
物聯網(Internet of Things,IoT)概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出,隨著技術和應用的發展,物聯網內涵不斷擴展[1]。目前業界普遍認為:物聯網是通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸,它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別,通過網絡傳輸互聯,進行計算、處理和知識挖掘,實現人與物、物與物信息交互和無縫鏈接,達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的[2-5]。
物聯網可以廣泛應用于經濟社會發展的各個領域,引發和帶動生產力、生產方式和生活方式的深刻變革,成為經濟社會綠色、智能、可持續發展的關鍵基礎和重要引擎[6]。近年來,在“兩化融合”和“感知中國”等國家戰略背景下,物聯網發展受到了我國政府、科研、教育、產業界的高度關注。我國經濟社會各領域蘊含巨大的物聯網應用潛能,眾多行業對物聯網技術人才需求旺盛[7]。為此,中國傳媒大學于2012年通過教育部審批,依托理工學部信息工程學院網絡工程系開辦物聯網專業方向,成為全國較早面向本科生開設物聯網專業方向的高校之一。
1 課程教學目標
《物聯網技術與應用》是網絡工程系物聯網技術專業方向學生學習的第一門專業課,其主要目的是使學生了解物聯網的基本概念和相關技術,對物聯網在各個領域的典型應用有所認識,在此基礎上了解物聯網系統的整體框架,明確物聯網工程各個專業課程的意義和課程之間的關系,為后續的學習打好基礎,同時激發學生的學習興趣[8]。因此,《物聯網技術與應用》課程的講授成功與否關系到物聯網人才培養的質量,進而影響到我國物聯網技術發展的進程[9]。
2 課程知識體系及內容安排
2.1 知識體系
物聯網的架構分為3個層次:感知層、網絡層和應用層,如圖1所示[1]。
感知層是物聯網的“皮膚”和“五官”,用于識別物體、采集信息,是聯系物理世界與虛擬信息世界的紐帶。感知層中的自動感知設備包括:RFID標簽與讀寫設備、傳感器、GPS、智能家用電器、智能測控設備等;感知層中的人工生成信息設備包括:智能手機、智能機器人等。
網絡層分為接入層、匯聚層與核心交換層。接入層通過各種接入技術連接最終的用戶設備。匯聚層的功能為:匯接接入層的用戶流量,進行數據分組傳輸的匯聚、轉發與交換;根據接入層的用戶流量,進行本地路由、過濾、流量均衡、優先級管理,以及安全控制、地址轉換、流量整形等處理;根據處理結果把用戶流量轉發到核心交換層或在本地進行路由處理。核心交換層為物聯網提供一個高速、安全與保證服務質量的數據傳輸環境。匯聚層與核心交換層的網絡通信設備與通信線路構成了傳輸網。
應用層可以進一步分為管理服務層和行業應用層。管理服務層通過中間件軟件實現了感知硬件與應用軟件物理的隔離與邏輯的無縫連接,提供海量數據的高效、可靠地匯聚、整合與存儲,通過數據挖掘、智能數據處理與智能決策計算,為行業應用層提供安全的網絡管理與智能服務。行業應用層由多樣化、規模化的行業應用系統構成,包括:智能電網、智能環保、智能交通、智能醫療等。
此外,涉及感知層、網絡層與應用層的共性技術包括信息安全、網絡管理、對象名字服務與服務質量保證等。
2.2 內容安排
《物聯網技g與應用》課程的內容安排[10-12]如圖2所示,其中,各部分包含的主要內容有[1-6]以下幾方面。
物聯網概論:物聯網發展的社會背景、技術背景;物聯網的定義與主要技術特征;物聯網體系結構;物聯網關鍵技術與產業發展。
RFID技術:自動識別技術的發展背景、條形碼簡介、磁卡與IC卡的應用、RFID、RFID應用系統結構與組成、RFID標簽編碼標準。
傳感器技術:傳感器;智能傳感器與無線傳感器;無線傳感器網絡;無線傳感器網絡通信協議與標準。
嵌入式技術:智能設備的研究與發展;集成電路;嵌入式技術的研究與發展;RFID讀寫器與中間件軟件設計;無線傳感器網絡節點設計;可穿戴計算研究及其在物聯網中的應用;智能機器人研究及其在物聯網中的應用。
移動通信技術:通信技術的發展;移動通信技術的研究與發展;3G技術與移動互聯網應用的發展。
定位技術:位置信息與位置服務;物聯網中的位置服務;定位系統;移動通信定位技術、基于無線局域網的定位技術、基于RFID的定位技術、無線傳感器網絡定位技術。
數據處理技術:物聯網數據處理技術的基本概念;海量數據存儲技術;物聯網海量數據存儲與云計算;物聯網數據融合技術;物聯網中的智能決策。
信息安全技術:物聯網信息安全中的四個重要關系問題;物聯網信息安全技術研究;RFID安全與隱私保護研究。
物聯網的應用:智能電網;智能交通;智能醫療;智能物流。
3 課程教學方法
自2014年春季學期《物聯網技術與應用》課程首輪授課起至今,筆者已從以下幾方面做了有益嘗試,取得了良好的效果。
3.1 采用“翻轉課堂”模式將課堂內外相結合
翻轉課堂譯自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”,是指重新調整課堂內外的時間,將學習的決定權從教師轉移給學生。該教學模式需要學生在課后完成自主學習,即自主規劃學習內容、節奏、風格和呈現知識的方式,可以通過看視頻講座、聽播客、廣泛閱讀各種書籍、與其他同學討論等方式進行。教師則采用講授法和協作法來滿足學生的需要和促成他們的個性化學習,其目標是為了讓學生通過實踐獲得更真實的學習體驗。翻轉課堂是對傳統課堂教學結構與教學流程的徹底顛覆。
在該課程的講授方式上,筆者嘗試引入“翻轉課堂”模式,轉變以往授課過程中教師“滿堂灌”、學生只是被動接受的傳統教學模式,利用教學實踐中小班授課、學生人數較少的優勢,使每位同學都有機會走上講臺,輪流充當“教師”的角色,過一把“教師癮”,從而充分調動學生的學習積極性和主動性。具體的實施過程為:首先,請每名學生選取物聯網學科中自己較為感興趣的一項具體技術作為自己的講授對象,通過廣泛查閱書籍文獻資料、上網搜索最新科技資訊等方式了解該項技術的來龍去脈、前世今生及發展前沿。然后,請學生自制課件,通過文字、圖片、視頻等方式形象生動地向大家講解艱澀枯燥的具體技術內容。其間,其他同學可以隨時提問,形成良好的互動效果,極大地活躍了課堂氣氛,同時也鍛煉了學生的邏輯思維能力和語言表達能力。最后,由教師點評學生的表現,指出其講解的優缺點,并補充完善知識點內容。學生的個人表現很大程度上決定了該門課程的個人結課成績。通過3年來具體的實踐,筆者發現學生們搜集資料的深度和廣度都遠遠超出了筆者的預期。作為老師,在授課的同時也收獲了很多新知識,達到了教學相長的目的。
3.2 教學與科研相結合
教師授課過程中應避免簡單生硬地照本宣科,而應以自身的科研經歷和科研體會現身說法,以激發學生的學習興趣。物聯網作為一門新興學科,發展日新月異。每輪備課時都要加入新的科技進展,對于教師來講,在科研方面需要不斷地關注科技前沿動態,及時更新知識,極具挑戰性。就筆者而言,由于一直從事數據挖掘領域的研究,在講授第八章《物聯網數據處理技術》時,就結合目前正在進行的有關電視節目受眾收視情況的數據挖掘研究課題,以實驗中具體的數據、模型為例,為學生講解數據挖掘技術的具體流程和其中的關鍵步驟,從而進一步加深學生對該技術的理解程度。
3.3 “走出去”與“引進來”相結合
“走出去”是指教師應當經常參加國內外相關教研機構組織的高校物聯網專業建設的培訓班、研討會等,廣結同行,吸取其他兄弟院校專業建設、課程改革的成功經驗,達到“它山之石可以攻玉”的目的。此外,還可以與國內一些專業從事物聯網技術的企業建立良好的合作關系,建立學生實習、實訓基地。學生可以到企業實地參觀相應的產品生產線,以便與課堂中學到的知識點概念、原理聯系起來,獲得感性認識,從而加深理解。同時,學生可以利用寒暑假時間到企業實習或選派學生到企業進行畢業設計,不但使學生掌握了物聯網技術、熟悉了企業的運行模式,還可以為企業提供專業的人才,拓展學生的就業渠道[13]。
“引進來”是指教師應當定期邀請國內外物聯網專業的權威教授、相關技術人員走進課堂、走上講臺,為學生帶來最新的行業發展信息。此外,在教材選擇方面,教師應當不局限于國內出版的一些經典教材,還應當廣泛引進國外的外文教材,追蹤國際領先的前沿技術[14]。
綜上所述,文章從“物聯網技術與應用”課程的教學目標、知識體系及內容安排、教學方法等方面進行了探討。由于物聯網技術是近年來的新興技術,該課程也是中國傳媒大學理工學部信息工程學院網絡工程系自2014年首次引入的新課程,一切還在逐步摸索過程中,因此,探尋一套適合本專業學生的課程教學方案任重道遠。
4 結語
此文是筆者近3年來參加物聯網專業建設研討班培訓、備課、授課的心得體會。由于筆者的驗有限,考慮問題難免有失偏頗,望與各位讀者共同探討。作為一名青年教師,筆者未來仍然需要逐步沉淀,不斷思考、總結、實踐,為培養出社會需要的物聯網專業人才貢獻力量。
參考文獻
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[12] 桂小林.物聯網技術專業課程體系探索[J].計算機教育,2010(16):1-3.
1.1實驗室建設
因為物聯網工程專業是一門多學科交叉的專業,在實驗室建設方面應整合校內校外優質資源,大力推進校企聯合實驗室、企業實訓實習基地等的建設,使實驗教學和企業生產緊密結合,進一步豐富實驗教學體系,改善實驗教學環境,鍛煉和提升學生的綜合實踐能力和工程創新能力,充分利用校內實訓基地和校外實訓基地的一體化平臺建設,形成物聯網專業人才從校園至企業的無縫對接;依據物聯網及其相關專業的實驗教學體系,及培養創新型、應用型人才的目標。物聯網實驗室應該分成四個層次:基礎型實驗室、專業型實驗室、創新型實驗室、崗位實驗室。1基礎實驗室包括軟件實驗室、數據庫實驗室、組成原理實驗室等.2專業實驗室包括RFID實驗室、無線網絡技術實驗室、傳感網絡實驗室、單片機實驗室、嵌入式實驗室等.3創新實驗室主要包括智能家居創新應用和地方行業創新應用兩大類。4崗位實訓室,崗位實訓室旨在培養學生從事相關行業所必備的素質和能力。崗位方向物聯網系統設計架構師、物聯網系統管理員、網絡應用系統管理員、物聯網應用系統開發工程師等核心職業崗位以及物聯網設備技術支持與營銷等相關職業崗位。
1.2實驗教學方法與手段
從對學生自主學習和多樣化發展的適應性和實踐能力培養目標出發,各門實驗課程的授課教師對本門實驗課程中各個實驗項目進行認真研究,對綜合性、設計性實驗進行準確認定。結合物聯網工程類實驗教學的特征,針對不同專業的學科特點選擇實驗項目,仍然保留部分傳統的手工操作實驗技術,如電路理論、電子技術等傳統實驗和實訓項目,讓學生通過傳統的操作方式完成,便于教師在教學中以手把手的方式進行輔導。同時積極采用現代化信息技術,更新先進的計算機和網絡設備,實現先進的計算機仿真模擬操作和網絡化管理的實驗環境。目前,實驗教學中心大多數專業實驗項目通過計算機進行仿真或模擬操作,在Internet網絡環境下進行,各專業課程的演示實驗也均可以多媒體技術、電子幻燈、電子顯示屏系統等現代信息技術進行。
1.3實驗隊伍建設
隊伍建設包括課程梯隊建設、教師進修與培養建設、教師科研與教學能力培養建設。教學隊伍教學建設措施如下:1加強教學梯隊的建設,注重提高青年教師的理論素養和實踐能力。2以老帶新,老教師指導年輕新教師。改善其教學方法,提高其教學技能。3不斷引進高級人才和IT企業工程技術人員,提升專業教學師資。4依托校企同盟,建立引進與派出雙向培養機制,快速提升校內專職教師的雙師素質。
1.4學生創新體系建設
充分利用物聯網工程大學生創新實踐基地的資源,通過建立完善大學生科技創新實踐培養體系,優化大學生科技創新實踐開放和激勵機制,促進各專業實驗室向學生科技創新活動開放,鼓勵老師科學研究與項目開發開放,組織大學生參與教師科研項目的研究和各類學科科技競賽,構筑“參研、立項、創新”一體化的自主性創新實踐新平臺;充分利用省國際服務外包人才培訓基地等中心資源,主動融入地方經濟發展,在承擔校內本科培養的工程實踐教學和綜合創新訓練的同時,將實現校內外相關專業人才培養的資源共享,并逐步建設成為地方企事業單位物聯網人才的實踐培訓基地,為開展面向社會的物聯網技術培訓提供綜合性、創新性訓練支撐;努力開拓和建設適應大學生綜合實踐和工程創新的新平臺,逐漸形成“中心、企業、社會”共建共享的多元化運行機制。
2結論
北京市農業局相關負責人坦言,過去北京設施蔬菜生產以人力為主,勞動強度大,溫室年平均用時達3600 h/667m2以上,人均管理面積僅相當于日本的1/3、西歐的1/5和美國的1/10。蔬菜病蟲害防治仍主要依賴化學農藥防治,廣大農戶對病蟲害發生規律及防治技術認識不夠,盲目用藥現象比較突出。
但是,農業物聯網技術的應用促成了上述問題的解決。實時自動采集溫室內環境參數和生物信息參數,通過物聯網智能灌溉控制系統進行灌溉控制;通過智能化施藥系統,提高藥液的附著,減少損失和污染;通過智能施肥系統,實現水肥一體精準施入,提高肥料利用率,實現對土壤水分的精確控制……這便是農業物聯網技術在北京夏黎城設施農業生產合作社的應用,這里也是北京市設施農業物聯網應用示范工程核心區示范基地之一。
北京市設施農業物聯網應用示范工程以設施蔬菜生產綜合管理與病蟲害防控為切入點,集中示范應用了一批具有自主知識產權的物聯網技術產品,初步建設了5000 畝(333 公頃)設施農業物聯網技術核心應用示范區、兩萬畝直接帶動示范區和5 萬畝(3333 公頃)輻射帶動區,建設了基地、市兩級設施農業物聯網應用服務體系。設施農業物聯網應用示范項目的實施,為京郊設施農業生產基地帶來了可觀的效益。
據測算,通過物聯網技術的應用,核心示范區蔬菜產量平均提高約10%,5000 畝(333 公頃)核心區基地每年增收1600 萬元以上,節約投入人工成本1250 萬元,肥、水、藥等節支顯著。
在病蟲害防治方面,項目實施后可實現早期預警,通過配套的防控技術與系統支持,實現事前防治,對病蟲害的防治由被動治療轉為主動預防,大量減少農藥的使用次數與使用量,用藥效果顯著。與常規防治相比,在防治效果差異不顯著的情況下,一個生長季可以節省用藥3 次以上,核心基地平均可以減少農藥使用量50%以上,5000 畝(333 公頃)核心基地約減少投入300萬元左右。
物聯網工程專業培養的是工程應用型人才,必須高度重視與理論教學相輔相成的實驗教學環境建設。物聯網專業核心課程RFID的實踐教學是掌握RFID系統設計和開發的保證。我們在教學實踐中發現,本課程的教學難度較大且不易達到良好的教學效果,尤其是在課程內容的選擇上,存在兩方面的問題,一是課程內容較多地涉及電子學科的內容,專業跨度較大,而目前本三批次計算機相關專業的學生硬件基礎較為薄弱,導致學生學習困難。針對這個問題,教師應首先明確RFID應用系統的本質是一個嵌入式系統,是軟件與硬件的綜合體,是軟件、硬件協同設計的工程,應該在一個整體的框架內協調工作,同時認識到計算機硬件研究與開發也是本專業不可或缺的組成部分,具有軟件開發不可替代的地位和廣闊的應用前景;其次,應根據物聯網專業的特點適當刪減部分偏電子的內容,突出課程重點。射頻識別技術本身類型很多,實驗內容幾乎涉及所有類型的RFID技術,而實驗課時偏少,導致學生無法抓住重點,不能深入學習。針對這一問題,課程教學應選擇當前應用最普遍的高頻ISO14443協議下的RFID技術為對象,力求通過對該類RFID系統的學習設計,使學生掌握RFID技術的基本概念、理論、方法,從而對RFID技術有一個總體、系統的了解和掌握。同時,教師可結合學習方法論進行教學,培養學生舉一反三、靈活運用知識的能力,鼓勵學生通過自主學習了解和掌握其他類的RFID技術。
2物聯網專業實踐硬件平臺
目前,市場上的RFID實驗設備都比較封閉,大多僅能完成驗證性實驗。為滿足實踐教學的需要,我們設計了專業實驗平臺,在設計硬件時遵循模塊化的設計思想,以保證系統的通用性和可擴展性。實驗平臺設計為三大部分:主控MCU、射頻控制模塊、天線及匹配電路。主控MCU模塊是整個系統的核心,采用蘇州大學飛思卡爾嵌入式中心開發的SD-FSL-KL25-EVB開發板,MCU采用MKL25Z128VLK4芯片,其工作頻率為48MHz,性能達到0.93DMIPS/MHz。該板是KL25MCU的最小系統,所有I/O引腳引出,可外擴多種外設并提供豐富的再擴展接口,為接入超高頻及低頻RFID電路提供便利。射頻控制模塊主要提供對射頻讀寫芯片的控制操作,天線及匹配電路為RFID卡提供電源并在讀寫模塊與RFID卡之間傳送信息。采用模塊化設計為系統保留了較多的操作空間,學生通過查看原理圖可以快速掌握各模塊的功能和原理,對射頻控制模塊及天線電路進行電路焊接并方便地完成讀寫器的制作與調試。
3物聯網專業實踐教學創新
1)實踐平臺創新。為提供系統可擴展的創新實驗環境,減少重復的開發勞動,我們針對實驗平臺設計了在線編程功能,可將用戶的應用程序在線寫入MCU的Flash存儲區的用戶程序空間,支持用戶的二次開發。Flash存儲空間就被分成了兩個部分,平臺在首次使用時,將讀寫模塊軟件燒寫并駐留在MCU的Flash存儲區中。駐留的讀寫模塊軟件占用部分存儲空間,剩余的存儲空間可供用戶的應用程序使用。讀寫模塊軟件由3部分組成:MCU監控程序、讀寫卡操作API接口以及與標簽通信的底層通信函數。監控程序可以實現用戶應用程序的在線寫入,每次系統復位后首先運行駐留的監控程序,判斷用戶存儲空間是否有用戶程序,若有則轉入用戶程序執行,否則等待。按照與標簽的通信流程,將底層通信操作使用函數的形式封裝起來,就形成了讀寫模塊的底層通信函數(或稱低級函數)。在此基礎上,將對標簽的操作按統一的接口形式封裝起來,構成高級函數,作為API接口提供給用戶,形成應用系統與標簽之間數據交換的接口。應用系統只需要向讀寫模塊發送操作命令,由讀寫模塊完成對標簽的讀、寫等操作。非接觸通信的所有具體操作細節則由底層通信函數完成。平臺支持學生模塊化地完成各類實驗,最終實現并部署一個實際的應用系統。
2)實踐活動創新。創新性實踐活動是培養學生的創新能力和提高專業素質的基礎。學校鼓勵學有余力的學生在課余時間進行與物聯網RFID相關的應用系統開發,鍛煉其對相關知識與技能的綜合運用能力。學生可自主選擇實踐活動或參加教師的工程項目、科研課題,指導教師則為學生提供良好的開發環境。通過實踐,學生能夠逐步實現從應用模擬到創新設計的轉變。
4物聯網專業校外實訓基地建設
隨著物聯網技術的迅速發展,物聯網已形成了龐大的產業鏈。有針對性地培養具有不同專業背景和實踐技能的高素質人才,對行業發展具有重要意義,也是應用型本科院校教學培養的重要目標,為此,學校應主動與物聯網、RFID相關企業共建校外實訓基地,為物聯網工程及相關專業學生提供實習機會。學校應結合企業的實際需求,協商制訂相應的實習計劃與方案,使學生將理論知識與具體項目實踐相結合,在實習中掌握最新的物聯網應用技術,深入體會企業文化,獲得相應的工程和開發經驗,提高自身的就業競爭力。蘇州是經濟發達地區,相關企業眾多,目前蘇州大學計算機科學與技術學院已與多家企業合作建立了實訓基地,且這些基地已投入使用。為建立穩定長效的合作關系,蘇州大學計算機科學與技術學院制定了比較完善的合作方案。首先,校外實訓工作在學院直屬的對外合作辦公室領導下統一進行,既有利于學生的組織與管理,又有利于加強與企業的溝通,及時發現并解決合作中出現的矛盾與問題。其次,關心企業需求,將企業需求融入學生培養過程。實訓一般由企業提供項目課題,以企業技術人員為主導、以學生為主體完成項目開發,所得成果為企業與學生共有;同時積極吸引企業參與學生培養過程,通過講座、就業培訓等活動,提高學生的專業綜合素質,培養其溝通交流和團隊合作精神,使學生更好地滿足企業的人才需求。再次,加強實訓期的教學管理。校外實訓一般都在最后1~2個學期進行,對學生教學管理較為松散,為此,學院推行全員導師制,由一名教師指導幾個學生共同參與實訓,加強對學生的教學管理。教師在對學生實習活動進行管理的同時,還需熟悉企業的運作模式與前沿技術的應用情況,了解企業實際需求,通過反饋總結,調整教學內容與方式,從而提高教學的針對性和教學質量。
5結語
2010年,江蘇煙草物流建設初步形成了中國煙草物聯網的雛形,對各地開展現代物流向物聯網時代邁進發揮了很大的啟示作用。2010年5月,國家煙草專賣局召開局長辦公會,明確提出在現代煙草物流的基礎上,要打造中國煙草的物聯網,努力實現中國煙草物流的不可替代性。同月,全國煙草行業現代物流建設工作會議在江蘇召開,煙草行業掀起了發展現代物流、共繪煙草物聯網藍圖的熱潮。為了更多了解煙草物聯網建設的路徑與方向,本刊專訪了北京市煙草專賣局、中國煙草總公司北京市公司副總工程師金澗先生。
記者:近幾年物聯網的概念很熱,全國很多行業都掀起了建設物聯網的熱潮,煙草行業更是走在前面。但是說起物聯網,大家的理解各異。你認為煙草行業的物聯網應該怎樣去界定?
金澗:煙草行業要發展物聯網,首先定義物聯網,明確什么是物聯網,建立行業統一的認識坐標。我們在規劃探討物聯網的建設時,發現關于物聯網有多種定義和解釋。比如,煙草行業現在使用的二維碼屬不屬于物聯網識別技術?有專家認為,只要通過自動識別技術把物品的信息、狀態數據采集上來都是物聯網的一種。要是這樣認定的話,那么現在煙草行業已經全行業實現了物聯網建設,還用得著再談什么物聯網嗎?
所以,在規劃建設物聯網前,非常有必要界定清楚物聯網的概念、技術和范圍。否則,認識不統一,行業就無法建設完整統一的中國煙草物聯網。
物聯網英文為“The Internet of things”,在我國也稱為傳感網,我國的定義為“物物相連的互聯網”,是借助各種信息傳感設備通過互聯網把物品與物品結合起來而形成的一個巨大網絡。在企業層面,物聯網就是采用傳感識別和網絡技術將各種產品或者資產聯系起來,自動進行識別、數據交互和智能化管控。過去,業界理解物聯網更多的是數據采集,現在強調更多的是一種互動實時的狀態。
在目前的理解中,物聯網很容易被混淆為監控系統。很多的所謂物聯網應用模式都是信息采集后人對物的監控管理,而非物與物之間的自主互動。這只能認定為采用了先進技術的監控系統,而不適合稱之為物聯網。
在辨析目前的各種物聯網應用模式時,需要分清物聯網、物聯網技術與物聯網相關技術的區別。條碼技術的應用以及目前很多RFID技術應用模式,絕大多數其實只能稱之為物聯網技術的應用模式,而非物聯網應用模式。
舉例來講,目前煙盒上使用的條碼,是一種物品識別技術,可以稱之為物聯網相關技術,但不屬于物聯網應用范疇,而煙草行業的托盤安裝RF JD標簽,是物聯網應用的一種模式。這樣認定的理由在于,前者不能實現自動尋址定位,需要人力尋找,人找到產品后才能夠讀取條碼再獲得物品信息,而后者是物體自身通過射頻標簽和傳感設備主動進行物品信息交互,無須人為干預。因此,是否物聯網應用的重要界限就在于,物品或商品是否是能夠實現自動尋址,通信和智能化管理。
記者:目前出現了各種物聯網的應用模式,你認為煙草行業要建設物聯網,并由此產生實質的影響,應該如何建設?
金澗:在物聯網建設提出之前,煙草行業已經完成了與物聯網緊密相關的國家一號工程,即煙草行業卷煙生產經營決策管理系統。該系統是煙草行業近年來最大的一個行業一體化信息化工程項目,實現行業內信息系統的互聯互通、信息共享,為行業生產經營決策提供更多信息支持。該工程中的物聯網因素體現為全國煙草行業將近有80萬個托盤安裝了RFID標簽。
近年來,各地煙草企業紛紛探索物聯網建設的模式。其中,江西南昌市煙草公司在物聯網技術應用上做的比較好,領先行業。據悉,南昌市煙草公司物流中心按物聯網概念設計卷煙物流體系,在主要工藝和業務環節均采用了RFID標簽,基本構成物聯網技術體系,并且運用得成熟充分。比如利用RFID標簽進行貨物定位、叉車讀寫器自動尋址、配送緩存區發貨信息實時交互反饋以及配送車輛跟蹤、在途庫存監控等等。
根據此前的信息化建設成果和各地的物聯網建設探索,可以說,煙草行業具備了良好的物聯網建設的基礎條件。
2010年5月,國家煙草專賣局局長姜成康到江蘇煙草調研時提出:要把卷煙物流建設作為煙草行業的核心業務,建設不可替代的煙草物流體系,打造中國煙草物聯網等三項任務,促進卷煙行業上水平,使全行業面對未來具有不可替代的核心競爭力。
現在,煙草行業進行物聯網建設毋庸置疑,需要探討的是如何建設?從何處著手建設?
物聯網最適用的領域是物流和零售領域,建設中國煙草物聯網應首先從流通環節、從建設中國煙草卷煙物聯網入手。目前,中國煙草行業在卷煙流通環節有大約500萬家零售商戶,有年4700萬箱的卷煙市場。但是目前,行業對市場需求、變化趨勢的并不能及時把握,從零售商戶反饋回來的供銷存數據不完全準確。而銷售終端的各種銷售數據將直接影響物流與生產環節的資源配置效率。如果可以通過物聯網掌握各個商戶的銷量、庫存量,加強對煙草銷售終端的管理,把它和中間物流、前端生產連接成一條完成的供應鏈的話,煙草行業的整個行業生產銷售都將形成巨大的競爭力和市場控制力。
這樣的中國煙草卷煙物聯網建設一定要自上而下地進行。任何一種區域性建設的網絡效果都會打折扣,充其量只是一種技術應用模式。以煙草物聯網來講,必須要全國全行業整體進行規劃才行,否則難以產生效果,但是如果成功運作的話將獲得絕大的效益。
試想,把全國500萬零售商戶的庫存、銷售的實時信息采集回收并整理,然后卷煙生產廠和銷售公司再根據此數據擬定生產計劃、銷售計劃,進行生產經營決策,將會大大提高行業效率和生產經營水平。
中國煙草卷煙物聯網的網絡終端連接不但有零售商店,還應擴展到零售戶倉庫貨架和香煙銷售柜臺,還要橫向連接大型商場、超市,如果采用物流外包,還要和第三方物流公司連接。這將徹底改變煙草行業的整體運營模式和縱向思維方式。鑒于物聯網的建設會對行業產生巨大的影響,因此,必須整體規劃而后積極謹慎地推廣實施。
記者:物聯網技術很先進,但是目前應用還不廣泛,還需要解決很多在實際應用中出現的技術問題。請問目前在煙草行業的應用中,物聯網技術有哪些主要的技術問題亟待解決?
金澗:要通過物聯網準確掌握市場的信息,物品傳感覆蓋范圍就必須精確到卷煙小盒,這是卷煙銷售的最小銷售單元。卷煙銷售單元實物形態還有條、件,都要覆蓋住,物聯網才能產生功效。如果顧慮成本不覆蓋到小盒,起碼有60%的零售銷量控制
不準,那么社會庫存、實時銷量等信息也不會準確。要精確到盒就意味著要為每盒香煙植入RFID標簽。而給每盒香煙植入RFID標簽成本較高,需要統籌考慮,也需要技術進步帶動成本減低。
但目前還存在一些技術瓶頸需要突破。
首先是RFID標簽的抗金屬干擾能力很差,對有金屬包裝的卷煙產品,RFID應用效果不好,數據讀取成功率低,數據交互耗時長,效率低。實際應用可靠性有待提高。
其次是RFID在卷煙包裝的植入問題。RFID芯片部分是金屬的,非金屬芯片產品還沒有產生,植入煙盒包裝后,盒皮局部厚度會發生增厚,影響包裝效率,并非任何煙盒都能植入。據了解,目前國際上RFID芯片的最高制作技術只能達到厚度90微米,國內技術最高水平的工藝可以達到厚度160微米,在實際生產中上下可能浮動90微米。在這種條件下,被植入RFID的載體至少需要350微米左右的厚度,才不影響載體效果,否則會對載體影響較大。而煙盒目前有硬盒軟盒之分,部分軟盒盒皮的厚度植入RFID標簽后會產生較大變形。
第三,RFID技術本身一對多識別的功能尚不穩定,受包裝、環境等因素影響較大。根據目前RFID的使用測試報告看,RFID在一對多信息讀取過程中,受到環境的干擾很明顯,尤其是同時讀取大量RFID標簽時。當然,任何先進的技術都不是完美無瑕的,都會有程度深淺的誤差,但在卷煙物流和銷售環節實際應用中,如果不能保證100%讀取正確率的話,RFID就失去了應用的價值。