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摘要:根据2010年教育部通知,中国拟对物联网等重要战略性新兴产业设立本科相关专业。阐述物联网工程新专业的产生背景,在分析物联网四层技术体系的基础上,提出物联网工程专业的知识体系,进而给出物联网工程专业的课程体系。
关键词:物联网工程;课程体系;本科教育
作者简介:胡忠望(1965-),男,湖南常德人,肇庆学院计算机学院/软件学院副院长,教授,工学硕士,主要研究方向:计算机网络与安全、信息技术教育。(广东 肇庆 526061)
2009年初,美国总统奥巴马在和工商领袖举行的圆桌会议上,对包括物联网在内的智慧型基础设施(简称“智慧地球”)给予积极回应,将“新能源”和“物联网”列为振兴经济的两大武器,将“智慧地球”提升到美国的国家级发展战略的高度。目前,物联网掀起了继计算机、互联网和移动通信网之后的又一波世界信息产业新浪潮。物联网相关技术已成为各国竞争的焦点,它将成为未来经济发展、社会进步和科技创新的最重要的基础设施。
随着温家宝总理的“感知中国”战略构想的提出,我国政府已充分意识到物联网是信息技术变革的重大机遇。通过探索物联网的核心理论问题,发展享有自主产权的物联网技术,对推动我国在该领域的跨越式发展,具有十分重要的意义。
2010年3月9日教育部网站发出通知:我国拟针对互联网、绿色经济、低碳经济、环保技术、生物医药等国家决定大力发展的重要战略性新兴产业,在高校本科教育阶段设立相关专业。这其中就包括增设物联网专业,以期为重要战略性新兴产业——物联网相关产业培养高素质人才。
到目前为止,有关物联网专业的知识体系、课程体系、工程实践和人才培养等方面都还是一片空白。在此,笔者根据长期从事专业建设的经验及所具备的信息网络领域知识,认为物联网专业适宜办成“物联网工程”工科专业,并设计了“物联网工程”专业的课程体系,以期为各高校物联网相关专业的学科建设和课程规划抛砖引玉。
一、物联网的技术体系
物联网(Internet of Things,IoT)将人类生存的物理世界网络化、信息化,将分离的物理世界和信息空间互连整合,代表了未来网络的发展趋势。IBM认为,IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用到各行各业中,具体地说,就是把感应器嵌入和配置到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等设施中,并且被普遍连接,形成物联网。
物联网是一种非常复杂且形式多样的系统技术应用。在这个技术体系中,物联网的技术构成主要体现在感知层、传输层、支撑层和应用层四个层次上。[1]
1.感知层
感知层包括多种发展成熟度差异很大的技术。比如在物流管理方面得到大量应用的射频识别技术和新兴的传感器网络技术。传感器网络感知主要通过各种的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静、动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识,针对具体的感知任务,通常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算,并与网络中的其他单元共享资源进行交互与信息传输。
2.传输层
传输层的主要功能是直接通过现有的互联网或移动通信网(如GSM、TD-SCDMA)、无线接入网(WiMAX)、无线局域网(Wi-Fi)、卫星网等基础网络设施,对来自感知层的信息进行接入和传输。
3.支撑层
支撑层在高性能计算技术的支撑下,将网络内大量或海量的信息资源通过计算整合成一个可以互联互通的大型智能网络,为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠和可信的支撑技术平台。
4.应用层
应用层根据用户的需求可以构建面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台,并根据各种应用的特点集成相关的内容服务。
物联网各层次间既相对独立又紧密联系。为了实现整体系统的优化功能服务于某一具体应用,各层间资源需要协同分配与共享。以应用需求为导向的系统设计可以是千差万别的,也不一定所有层次的技术都需要采用。即使在同一个层次上,对可供选择的技术方案也可以进行按需配置。
二、物联网工程专业的知识体系
一个完整的专业课程体系应该包含三个方面:专业知识体系、专业课程体系、某一门课程的体系。本文从专业角度出发,故只讨论前两者。
就目前的物联网实用性而言,物联网中的无线部分一定是充当神经末梢,起信息采集和短距离传输的作用。起主要传输作用的是基础通信网,起信息处理作用的是通过基础通信网连接的数据处理中心。因此,物联网工程的专业课程必然涉及到三个大类:信息获取——传感器相关知识和信号检测相关知识;信息传输——无线通信、通信协议、通信电路设计;信息处理——数据融合、云计算等。涉及到的学科有:数学和物理公共学科、电子科学与技术、通信工程、计算机科学与技术、网络工程、信息安全。其专业知识跨度之大,远超过一般的电气信息类或电子类专业。
基于以上讨论,“物联网工程”专业的知识体系要能实现这样的培养目标,即学生德、智、体、美全面发展,具备电子技术、现代传感器和无线网络技术、物联网相关高频和微波技术,掌握有线和无线网络通信理论、信息处理、计算机技术、系统工程等基础理论,掌握物联网系统的感知层、传输层、支撑层和应用层关键设计等专门知识和技能,并具备在本专业领域跟踪新理论、新知识、新技术的能力以及较强的创新实践能力,成为能够从事物联网领域的系统设计、系统分析与科技开发及研究的高等工程技术人才。
“物联网工程”知识结构中的专业知识部分应体现其关键技术,包括:射频识别技术与无线传感器网络的技术、通信与网络技术、软件技术、硬件技术、数据处理技术和安全隐私。这些关键技术,可以以无线SoC和无线单片机为中心进行串联,核心技术是嵌入式软件技术。
三、物联网工程专业的课程体系
课程体系应尽可能多地覆盖专业的知识体系。围绕物联网工程专业涉及到的学科知识领域和知识点,该专业课程体系由五个模块组成:公共基础模块、学科基础模块、专业基础模块、专业课模块、实践教学模块。
1.公共基础模块
该模块为必修课,这些课程的设置有利于提高和培养学生的政治思想素质和职业道德,培养学生的辩证思维能力和外语应用能力,为创新思维和创新能力提供广阔的发展空间。主要是思想政治教育课程和通识教育课程。其中通识教育课程涵盖自然科学与数学、社会科学与文化、文学与艺术、语言与工具、体育与健康等。主要课程有:马克思主义基本原理、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想概论、思想道德修养和法律基础、大学语文、大学英语、大学计算机基础、体育、大学生心理健康教育、大学生职业发展与就业指导等。
2.学科基础模块
该模块为必修课,是物联网工程专业的科学技术平台,为专业课的学习提供坚实的基础。主要课程有:高等数学、线性代数、大学物理、概率论与数理统计、复变函数与积分变换、高级语言程序设计等。
3.专业基础模块
该模块为必修课,主要课程有:物联网技术导论、电路分析、电子技术、通信电子电路、信号与系统、通信原理、数据结构、操作系统、数据库原理、计算机网络、微机原理与接口技术等。
4.专业课模块
可以根据专业方向选择以下课程:高频电子线路、物联网射频技术、RFID基础技术、无线SoC基础、传感器设计基础、传感器网络、无线网络算法设计与分析、网络程序设计技术、单片机原理及应用、嵌入式系统原理与设计、DSP芯片应用技术、软件工程、物联网和蓝牙技术、物联网传输层技术(3G/GPRS/GSM以太网)、物联网网关设计技术、通信安全理论、信息安全、物联网应用层设计。
5.实践教学模块
实践教学模块有基础实践教学部分和专业实践教学部分。
基础实践教学部分由“基本技能—基础实验—综合设计—应用创新”四个层次组成,可以利用成熟的电气信息类专业公共实验教学平台进行教学。第一层主要培养学生的基本技能以电工电子实习和软件实习为主。通过电工电子实习使学生掌握元器件的辨别、使用,一些基本电工电子设备的安装、调试、测试方法等基本技能。同时通过软件实习了解常用仿真软件的基本应用,学习先进的实验手段,为专业课程的学习打下基础。第二层包括电路与电子技术课程实验、信号与系统实验、电子测量实验、传感与检测实验等。第三层主要包括各门课程的课程设计、电子综合设计以及先进设计工具EDA技术和DSP技术,旨在培养学生的综合设计能力、团队合作能力以及创新意识。第四层是应用创新层,主要是拓展教学时空,引导学生参加大学生电子设计竞赛、挑战杯作品大赛和科研项目等。
专业实践教学部分注重物联网的核心技术——嵌入式系统技术。通过开设硬件设计一条线课程(单片机、嵌入式、RFID技术、传感器网络设计)和软件设计一条线课程(C语言、面向对象程序设计、网络软件设计、嵌入式操作系统),使学生系统掌握嵌入式系统的硬件和软件设计技术,掌握物联网网络协议栈和实现物联网通信。
四、结语
截至2010年4月,最新的数据显示,全国已有近700所高等院校向教育部提交了增设物联网等相关专业的申请。教育部决定采取有效措施支持高校开展战略性新兴产业人才培养,凡经批准并具备招生条件的专业,争取列入2010年的招生计划正式招生。若因招生计划或其他原因不能列入2010年招生计划正式招生的,可从本校2010年招收的其他专业的学生,或本科二年级的在校生中,通过转专业的方式转入所批准的专业学习。
物联网工程是一个战略性新兴本科专业学科,这就决定了其课程体系具有发展变化的动态特性。因此,在制定其专业的教学计划时,要以与时俱进的专业培养目标为依据,这样才能设计出科学合理的、发展的课程体系,才能为国家战略性新兴产业发展所需高素质专门人才的培养做出更大贡献。
参考文献:
[1]崔莉,刘强,李栋.物联网系统及核心设备[J].中国计算机学会通讯,2010,6(4).
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:物联网工程;课程体系;本科教育
作者简介:胡忠望(1965-),男,湖南常德人,肇庆学院计算机学院/软件学院副院长,教授,工学硕士,主要研究方向:计算机网络与安全、信息技术教育。(广东 肇庆 526061)
2009年初,美国总统奥巴马在和工商领袖举行的圆桌会议上,对包括物联网在内的智慧型基础设施(简称“智慧地球”)给予积极回应,将“新能源”和“物联网”列为振兴经济的两大武器,将“智慧地球”提升到美国的国家级发展战略的高度。目前,物联网掀起了继计算机、互联网和移动通信网之后的又一波世界信息产业新浪潮。物联网相关技术已成为各国竞争的焦点,它将成为未来经济发展、社会进步和科技创新的最重要的基础设施。
随着温家宝总理的“感知中国”战略构想的提出,我国政府已充分意识到物联网是信息技术变革的重大机遇。通过探索物联网的核心理论问题,发展享有自主产权的物联网技术,对推动我国在该领域的跨越式发展,具有十分重要的意义。
2010年3月9日教育部网站发出通知:我国拟针对互联网、绿色经济、低碳经济、环保技术、生物医药等国家决定大力发展的重要战略性新兴产业,在高校本科教育阶段设立相关专业。这其中就包括增设物联网专业,以期为重要战略性新兴产业——物联网相关产业培养高素质人才。
到目前为止,有关物联网专业的知识体系、课程体系、工程实践和人才培养等方面都还是一片空白。在此,笔者根据长期从事专业建设的经验及所具备的信息网络领域知识,认为物联网专业适宜办成“物联网工程”工科专业,并设计了“物联网工程”专业的课程体系,以期为各高校物联网相关专业的学科建设和课程规划抛砖引玉。
一、物联网的技术体系
物联网(Internet of Things,IoT)将人类生存的物理世界网络化、信息化,将分离的物理世界和信息空间互连整合,代表了未来网络的发展趋势。IBM认为,IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用到各行各业中,具体地说,就是把感应器嵌入和配置到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等设施中,并且被普遍连接,形成物联网。
物联网是一种非常复杂且形式多样的系统技术应用。在这个技术体系中,物联网的技术构成主要体现在感知层、传输层、支撑层和应用层四个层次上。[1]
1.感知层
感知层包括多种发展成熟度差异很大的技术。比如在物流管理方面得到大量应用的射频识别技术和新兴的传感器网络技术。传感器网络感知主要通过各种的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静、动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识,针对具体的感知任务,通常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算,并与网络中的其他单元共享资源进行交互与信息传输。
2.传输层
传输层的主要功能是直接通过现有的互联网或移动通信网(如GSM、TD-SCDMA)、无线接入网(WiMAX)、无线局域网(Wi-Fi)、卫星网等基础网络设施,对来自感知层的信息进行接入和传输。
3.支撑层
支撑层在高性能计算技术的支撑下,将网络内大量或海量的信息资源通过计算整合成一个可以互联互通的大型智能网络,为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠和可信的支撑技术平台。
4.应用层
应用层根据用户的需求可以构建面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台,并根据各种应用的特点集成相关的内容服务。
物联网各层次间既相对独立又紧密联系。为了实现整体系统的优化功能服务于某一具体应用,各层间资源需要协同分配与共享。以应用需求为导向的系统设计可以是千差万别的,也不一定所有层次的技术都需要采用。即使在同一个层次上,对可供选择的技术方案也可以进行按需配置。
二、物联网工程专业的知识体系
一个完整的专业课程体系应该包含三个方面:专业知识体系、专业课程体系、某一门课程的体系。本文从专业角度出发,故只讨论前两者。
就目前的物联网实用性而言,物联网中的无线部分一定是充当神经末梢,起信息采集和短距离传输的作用。起主要传输作用的是基础通信网,起信息处理作用的是通过基础通信网连接的数据处理中心。因此,物联网工程的专业课程必然涉及到三个大类:信息获取——传感器相关知识和信号检测相关知识;信息传输——无线通信、通信协议、通信电路设计;信息处理——数据融合、云计算等。涉及到的学科有:数学和物理公共学科、电子科学与技术、通信工程、计算机科学与技术、网络工程、信息安全。其专业知识跨度之大,远超过一般的电气信息类或电子类专业。
基于以上讨论,“物联网工程”专业的知识体系要能实现这样的培养目标,即学生德、智、体、美全面发展,具备电子技术、现代传感器和无线网络技术、物联网相关高频和微波技术,掌握有线和无线网络通信理论、信息处理、计算机技术、系统工程等基础理论,掌握物联网系统的感知层、传输层、支撑层和应用层关键设计等专门知识和技能,并具备在本专业领域跟踪新理论、新知识、新技术的能力以及较强的创新实践能力,成为能够从事物联网领域的系统设计、系统分析与科技开发及研究的高等工程技术人才。
“物联网工程”知识结构中的专业知识部分应体现其关键技术,包括:射频识别技术与无线传感器网络的技术、通信与网络技术、软件技术、硬件技术、数据处理技术和安全隐私。这些关键技术,可以以无线SoC和无线单片机为中心进行串联,核心技术是嵌入式软件技术。
三、物联网工程专业的课程体系
课程体系应尽可能多地覆盖专业的知识体系。围绕物联网工程专业涉及到的学科知识领域和知识点,该专业课程体系由五个模块组成:公共基础模块、学科基础模块、专业基础模块、专业课模块、实践教学模块。
1.公共基础模块
该模块为必修课,这些课程的设置有利于提高和培养学生的政治思想素质和职业道德,培养学生的辩证思维能力和外语应用能力,为创新思维和创新能力提供广阔的发展空间。主要是思想政治教育课程和通识教育课程。其中通识教育课程涵盖自然科学与数学、社会科学与文化、文学与艺术、语言与工具、体育与健康等。主要课程有:马克思主义基本原理、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想概论、思想道德修养和法律基础、大学语文、大学英语、大学计算机基础、体育、大学生心理健康教育、大学生职业发展与就业指导等。
2.学科基础模块
该模块为必修课,是物联网工程专业的科学技术平台,为专业课的学习提供坚实的基础。主要课程有:高等数学、线性代数、大学物理、概率论与数理统计、复变函数与积分变换、高级语言程序设计等。
3.专业基础模块
该模块为必修课,主要课程有:物联网技术导论、电路分析、电子技术、通信电子电路、信号与系统、通信原理、数据结构、操作系统、数据库原理、计算机网络、微机原理与接口技术等。
4.专业课模块
可以根据专业方向选择以下课程:高频电子线路、物联网射频技术、RFID基础技术、无线SoC基础、传感器设计基础、传感器网络、无线网络算法设计与分析、网络程序设计技术、单片机原理及应用、嵌入式系统原理与设计、DSP芯片应用技术、软件工程、物联网和蓝牙技术、物联网传输层技术(3G/GPRS/GSM以太网)、物联网网关设计技术、通信安全理论、信息安全、物联网应用层设计。
5.实践教学模块
实践教学模块有基础实践教学部分和专业实践教学部分。
基础实践教学部分由“基本技能—基础实验—综合设计—应用创新”四个层次组成,可以利用成熟的电气信息类专业公共实验教学平台进行教学。第一层主要培养学生的基本技能以电工电子实习和软件实习为主。通过电工电子实习使学生掌握元器件的辨别、使用,一些基本电工电子设备的安装、调试、测试方法等基本技能。同时通过软件实习了解常用仿真软件的基本应用,学习先进的实验手段,为专业课程的学习打下基础。第二层包括电路与电子技术课程实验、信号与系统实验、电子测量实验、传感与检测实验等。第三层主要包括各门课程的课程设计、电子综合设计以及先进设计工具EDA技术和DSP技术,旨在培养学生的综合设计能力、团队合作能力以及创新意识。第四层是应用创新层,主要是拓展教学时空,引导学生参加大学生电子设计竞赛、挑战杯作品大赛和科研项目等。
专业实践教学部分注重物联网的核心技术——嵌入式系统技术。通过开设硬件设计一条线课程(单片机、嵌入式、RFID技术、传感器网络设计)和软件设计一条线课程(C语言、面向对象程序设计、网络软件设计、嵌入式操作系统),使学生系统掌握嵌入式系统的硬件和软件设计技术,掌握物联网网络协议栈和实现物联网通信。
四、结语
截至2010年4月,最新的数据显示,全国已有近700所高等院校向教育部提交了增设物联网等相关专业的申请。教育部决定采取有效措施支持高校开展战略性新兴产业人才培养,凡经批准并具备招生条件的专业,争取列入2010年的招生计划正式招生。若因招生计划或其他原因不能列入2010年招生计划正式招生的,可从本校2010年招收的其他专业的学生,或本科二年级的在校生中,通过转专业的方式转入所批准的专业学习。
物联网工程是一个战略性新兴本科专业学科,这就决定了其课程体系具有发展变化的动态特性。因此,在制定其专业的教学计划时,要以与时俱进的专业培养目标为依据,这样才能设计出科学合理的、发展的课程体系,才能为国家战略性新兴产业发展所需高素质专门人才的培养做出更大贡献。
参考文献:
[1]崔莉,刘强,李栋.物联网系统及核心设备[J].中国计算机学会通讯,2010,6(4).
(责任编辑:苏宇嵬)