张 策，吕为工
（哈尔滨工业大学（威海）计算机科学与技术学院，山东威海 264209）
随着信息与通讯技术的快速发展，特别是5G 网络的推进，以物联网等为代表的第三次信息化浪潮给社会经济发展带来巨大推动力。物联网是可以在任何时间、任何地点实现物和物、物和人、人和物互联互通的网络，融合了多方面技术，成为培养计算机、电子信息通信类等方向研究生综合设计、分析和实现复杂计算系统，以及解决复杂信息化工程问题能力的重要学科。
近年来，物联网课程教学改革与研究主要聚焦在教学模式与方法、课程体系建设、实践改革和学生综合能力培养等方面。例如，文献［4］采用SPOC+雨课堂的方式构建线上线下混合式教学模式，创新物联网技术课程改革；
文献［5］以提升学生综合能力为导向，注重对物联网行业岗位核心能力的培养，从课程设计、资源开发、实践条件、考核评价等方面建设物联网专业课程体系；
文献［6］提出应注重应用型物联网人才解决复杂工程问题能力的培养，强化综合训练与实践，向工程教育专业认证方向靠拢；
文献［7］提出新工科背景下的物联网工程自适应实践教学综合模式，对配套教学方案、教学资源和育人机制等进行了完善；
文献［8］提出应强化案例资源模块化开发，打通实验课程之间的壁垒，注重利用课外校外丰富的课程资源，促进物联网实验教学效果提升；
文献［9］面向工程教育认证，综合改造物联网工程专业实践教学体系，创建了人才培养成效评价、质量监控、跟踪反馈机制。此外，还有许多学者围绕物联网实验教学方法改革、PBL 教学法创新应用、多学科融合方法运用以及工程实践技术课程进行了探索，有效促进了物联网学科建设。
由于物联网知识体系庞大，涉及理论与技术较为广泛，如何科学、合理、清晰、严密地规划课程教学体系，制定并实施多种教学方法集成创优，对于提升课程教学质量与学生学习成效至关重要，是物联网课程教学改革发展至今亟待解决的问题。迄今为止尚未有文献对物联网知识与内容体系进行全面、完整的设计，对教学方法的集成式创新运用也缺乏全面、深刻的论述。在前续教学改革与研究的基础上，本文针对如何开展计算机类专业硕士研究生物联网课程教学，如何创新教学方法以实现更有效的知识传授、能力培养等问题进行探讨，以期为更好地开展物联网课程教学提供有益借鉴。
1.1 教学内容整体规划
考虑到计算机类专业硕士生已经具备较为系统的知识基础和较强的认知能力，教学中将每一章节作为独立专题，集成物联网某一方面的知识。围绕课程内容编排了12章24学时的教学内容，具体见表1。
与本科生教学相比，研究生物联网教学更加注重内容的系统性、关联性和逻辑性，强调基本理论与技术内涵的阐释，将技术应用与项目开发作为重要着力点，启发、引导和培养学生设计与开发物联网系统的思维与创新能力，提高其在复杂计算系统需求分析、整体设计、项目开发、应用部署过程中解决复杂问题的能力。
1.2 知识体系构建
基于表1 的知识点脉络能建立起完整的物联网架构与技术体系。以物联网的三层架构为基础，测量采集物理世界信息的感知层、网络层（传输层或通信层）、应用层，采用以嵌入式系统或微机电系统为核心的软硬件综合体，以连接和传输为核心的网络层和上层应用软件综合构建出物联网系统的知识体系。同时，限于课时并考虑到对已讲授内容的留白，有些教学内容没有讲授，通过课下网络共享的方式留给学生自主学习。
1.3 教学路线规划
课程教学内容围绕以下几个路线进行讲解：①以数据的生命周期为线索进行讲解，包括数据的产生、传感/测量、汇聚、融合、传输、存储、加工、展示等；
②以物联网的基本架构（即体系结构）为线索进行讲解，着重指出虽然物联网至今没有统一的架构、组成和协议等，但在某些细分领域或行业内，物联网有相对一致的规范；
③以不断深化对物联网的形态认识为线索进行讲解，例如WSN、RFID、M2M 均为物联网，要着力把握物联网系统的本质；
④以工程案例或真实项目为牵引，注重引导学生加深对物联网在生产生活中应用的认知，增强其对这一复杂计算系统的开发能力。以上路线基本形成了物联网系统工作的全过程。
2.1 对比性教学方法
互联网信息主要通过人工采集后录入到计算机系统中，物联网则直接感知物理世界，实现信息的自动采集、传输、处理。由于物联网是在信息与通讯技术发展到较高程度后被学术界和产业界提出，支撑物联网3 层架构的技术众多，实现相同模块或系统功能的技术也相对丰富，这使得在教学中使用对比性方法讲解多种同类技术成为自然之选（见表2）。
2.1.1 物联网的起源场景与表现形式
物联网是典型的、复杂的计算机综合系统，教学中将其概括为由感知层、网络层与应用层构成的整体架构。为了帮助学生更好地理解物联网内涵，采用对比性教学方法对3 种典型的物联网系统进行类比讲解。图1 展示了以WSN、RFID 和M2M 为例进行对比讲解的思路，有助于学生快速理解物联网的起源场景，对于掌握物联网形态演进具有重要启发作用。
感知层是物联网的前端，代表着设备（Device），可以抽象为“端”；
网络层（通信层）是物联网的中部，代表着连接（Connection），可以抽象为“网”；
应用层是物联网的后端，代表着管理（Management），通常部署在云平台上，可以抽象为“云”。如此便可得到若干个从不同角度对物联网进行概括或总结的词汇，分别为物联网、IoT、WSN、RFID、M2M、DCM、云网端，从而深化学生对物联网内涵的认识。
2.1.2 物联网感知层技术
感知层是物联网直接与物理世界进行交流的部分，主要用于传感物理世界信息和控制硬件结构工作。感知层中的设备通常采用无线方式连接，由于具有短距离、低速度、低功耗、低成本、低复杂度等特征而被称为无线个域网，即线低速网络。不同机构先后研发了一系列无线个域网的同类技术，通常包括蓝牙Bluetooth（包括低功耗蓝牙BLE）、紫蜂ZigBee、红外通讯技术IrDA、近距离通信技术NFC、超宽带UWB、HomeRF、Z-wave、Thread 8 种无线通信方式。
基于此，教学中要向学生特别指出，感知层内部通常采用上述无线通信方式实现模块之间的连接与信息传输，因此感知层内部是有网络的。物联网的体系结构中存在网络层或传输层，网络层在物联网中承担的是连接与通信功能，准确地讲，这种基本功能跨越物联网的感知层与网络层。感知层中的网络主要为无线个域网，用于连接底层的各种设备。相比之下，网络层中的网络在覆盖范围、通信速度、功耗和成本方面比感知层更高，主要负责将数据传输至应用层接受处理，其网络功能覆盖了物联网的底部两层，但在功能上有所不同。在此基础上，对无线个域网、无线局域网（Wi-Fi）、无线城域网（WiMAX）、无线广域网/移动通信网/移动互联网/M2M、互联网进行概要性比较讲解。表2 列出了采用对比法讲授的教学内容及重点关注点。采用对比性教学方法配合具体实例进行讲解，可以帮助学生更好地掌握多种技术之间的区别与联系。
2.2 启发式教学方法
启发式教学方法能激发学生的学习兴趣，调动其探索问题的积极性和主动性。例如，在M2M 这种特殊的物联网系统教学中，可以启发学生思考能否将中间的云细化为云计算中的PaaS 和SaaS；
能否将其与具体业务，如智慧农业、智慧环保结合起来，形成智慧物联网云服务平台；
能否用形式化方法进行建模，提出相应的通信、调度等算法和公式，继而开发出演示系统或验证系统。
Fig.1 Explaining the origin scenario of the Internet of things by comparison图1 以对比性教学方法讲解物联网起源场景
再以Google 的搜索服务讲解为例，采用启发式教学法能较好地对分布式文件系统、分布式数据存储和处理技术进行讲解。首先从Google 的搜索引擎业务需要对海量数据进行处理这一现实出发，自然引申出要有一套分布式文件系统对网页文件等数据信息进行管理，由此提出Google文件系统GFS（其对应Hadoop 的文件系统HDFS）；
然后在GFS 的基础上，需要对庞大、多样化的非结构化海量数据进行存储，进而引申出分布式数据存储系统BigTable（类似于非关系型数据库，对应Hadoop 的HBase）；
最后需要对这些海量数据进行快速加工处理，但现有基于传统关系型数据库的处理技术无法适用，进而引申出数据处理模型MapReduce（对应Hadoop 的MapReduce）。
Table 1 Arrangement of teaching contents表1 教学内容编排情况
Table 2 Teaching contents taught by comparative method表2 采用对比性教学法讲授的教学内容及重点关注点
Table 3 Real Internet of Things engineering cases taught by case teaching method表3 采用案例式教学法讲授的真实物联网工程案例
Table 4 Relevance teaching content表4 关联性教学内容
Table 5 Teaching clue planning表5 教学线索规划
在此过程中，以主流大数据处理平台Hadoop 的由来、构成和特征等进行了对比性和案例性讲解，实现了多种教学方法的融合。在此基础上，教学内容不断向前延伸至大数据、云计算、并行计算、分布式计算等范畴，将多个技术有效串联起来进行教学，可帮助学生理清技术内在的区别与联系，激发其求解应用问题的意识，促进物联网思维方式养成。
2.3 案例式教学方法
物联网是典型的应用系统，挖掘生产生活中的典型案例作为教学资源是提升学生认知、强化思维、拓展其开发能力的重要途径。教学中，一方面将生活中常接触到的物联网系统作为案例进行概要性讲解，对其架构进行剖析；
另一方面，将本课题组负责开发的真实物联网工程项目引入到课堂教学中，对需求分析、设计方案、开发过程、项目管理、汇报答辩、结题验收等环节进行讲解，帮助学生树立物联网系统开发的整体意识，为增强其物联网项目开发能力奠定基础。表3 列出了采用案例式教学法讲授的真实物联网工程案例。这些案例采用的均为物联网系统，但受限于当时认知，没有明确标示出物联网系统字样。事实上，物联网系统早已被应用于实际生产生活中，但是经过后期理论认识和实践拓展才形成了物联网这一明确概念。因此，在教学过程中要向学生强调物联网的形态和应用是伴随着理论、技术与工程的不断深化而普及开来的。
3.1 注重知识点之间的关联
物联网涵盖的内容十分广泛，因此形成了多种技术与物联网并存的局面。理清其间的内在联系，将包含的知识点梳理清楚，提升学生对技术之间的区别性认识，对于物联网课程教学尤为重要。表4 为对关联性教学内容的举例分析。以下以云计算和物联网的关联为例进行说明：①云计算是在分布式计算、并行计算和网格计算发展到一定程度后集成演进而成的综合技术；
②物联网是在信息感知与采集技术、计算机技术、网络技术和应用开发技术发展到一定程度后集成的综合技术。云计算与物联网可以进行深度融合，云计算可作为物联网对外提供服务的重要形式，物联网可成为云计算数据来源的重要支撑。
3.2 注重教学线索规划
物联网知识点之间不仅具有较强的关联性，还具有明确的内在线索，教学过程中要敏锐抓住内容之间隐藏的知识脉络，以此串联形成统一的教学专题集合。表5 为对教学线索的规划。可以看出，表4、表5 是对表1 中第6-8 章内容之间的关联与线索进行融合性讲解，旨在清晰阐释物联网内在技术体系的深刻关系。在教学中应引导和鼓励学生混合使用MongDB（可以用于物联网系统的非关系型数据库）与Hadoop（开源的大数据处理平台）开展课下创新能力训练，以增强实践开发能力。
通过合理规划教学内容形成了以专题课为主要形式的内容整合与编排，体现了物联网体系结构与运行特征的知识结构，构建了逻辑清晰、线索严密、布局合理、前后贯通的课程教学体系，尤其是规划出既相互联系又有所区别的多条教学路线，能够加深学生对物联网理论与技术的认知，为其更好地理解、认识、研究、开发、实现、评价物联网赋能。综合运用对比性、启发式和案例式教学方法不仅增强了学生对计算机与网络体系结构融合的认识，也加深了其对物联网本质的理解，更提升了其认知和设计多种形态的物联网系统，以及解决各种计算系统下复杂工程问题的能力。
物联网涉及到的技术栈至今尚未有统一协议和公认标准，边缘计算、区块链、人工智能等技术也在加速与物联网进行融合，不断产生新的学科领域。从这一点来看，物联网教学需要持续改进。在后续教学中，应注重物联网领域新理论、新技术的及时更新，丰富真实项目案例集，开展分组式教学，考核中增加物联网微缩系统开发等选项，持续推进课程教学改革深入。