多学科融合构建物联网工程专业课程体系的思考

摘 要：针对物联网工程新建专业尚未建立起完整学科体系的实际问题，剖析了与物联网产业与技术体系密切相关的支撑学科，从中抽取相应的支撑课程构建物联网工程专业的课程体系。同时分析了成因、内涵和特色，从而为制定符合规范的培养计划奠定基础。

关键词：多学科；物联网工程；课程体系；技术体系

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-0-03

0 引 言

物联网的概念由美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton教授于1991年首次提出，2005年在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上进一步确定了物联网的定义和范围，自此在美国、欧盟、日本、韩国和中国掀起一次新的信息发展浪潮[1]。物联网被认为是继计算机、互联网之后的第三次信息时代大革命，物联网作为一项战略性新兴信息产业，越来越多的企业把目光投向先进的物联网技术。

国家把物联网作为重点发展的战略性新兴产业之一，物联网的发展离不开人才的需要。从2010年起，在高校设立了物联网工程本科专业，到2015年全国共有340多所高校设立，已成为一个规模较大的本科专业[2]。物联网工程专业肩负了高层次人才的培养使命，但其高度综合交叉的专业特征决定了专业人才培养具有挑战性的特点，专业建设需要综合考虑IT技术发展、现实需求及已有基础等多个因素，以建立清晰的预期目标。但是各个学校设立专业的学科来源和基础各不相同，有电子科学与技术的，有通信工程的，有计算机科学与技术等，同时也说明物联网自身的学科体系还没建立起来。

一般地，任何新出现的专业学科都离不开相关成熟学科的支撑，通过学科交叉及其知识集成构成新专业新学科[3]。作为学科交叉极强的物联网工程新兴专业，如何构建其科学合理的课程体系成为该专业建设面临的首要课题[4]。因此，本文从物联网产业与技术体系的构成进行剖析，结合本校实际情况，分析其学科交叉内涵，从中抽取相应的支撑课程构建物联网工程专业的课程体系，为制定符合规范的培养计划奠定基础。

1 物联网产业与技术体系剖析

物联网是近几年出现的信息产业发展战略的新兴行业，目前还没形成体系完备的行业规模，处于发展初期。但受各国战略引领和市场推动，全球物联网应用呈现加速发展态势，物联网所带动的新型信息化与传统领域走向深度融合，物联网对行业和市场所带来的冲击与影响已经广受关注。物联网行业表现出以下两个基本特征：

（1）纳入物联网行业的产业庞杂，面广量大。涉及到芯片 （传感器、RFID、无线通信模块等）、终端设备（PC机、TV、手机等）、网络设备、系统集成、软件与应用、网络服务商（移动、联通等）、运营及服务提供商等。

（2）带动物联网应用的领域多、规模大。有智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境与安全检测、工业智能制造、医疗健康、精细农牧业、金融与服务业、国防军事十大重点领域。

目前，国内总共有超过2 000家相关物联网公司或者研究机构成立。其中，研究机构以研究设计、示范引导应用为主业，许多省市、行业都成立了一些研究机构，一些知名企业如华为、格力电器、联想、海尔、移动、联通等也将物联网作为新的增长点。国外主要集中在美、欧、日、韩等少数国家，IBM、英特尔、西门子、霍尼韦尔等大牌公司也在进军物联网产业。企业对从事物联网人才的要求主要有重点发展物联网技术，从事物联网相关产品的研发、设计和制造；大力培育物联网产业，在传统产业中通过物联网技术促进产品智能化水平，提高产品的市场竞争力；在新兴信息产业中，创新开发适应物联网市场需求的智能化产品，开拓新产品；全力推广物联网应用，在一些应用领域推动物联网技术的融合，带动物联网技术的应用，提高智慧化水平；努力搭建物联网平台，在网络平台嵌入物联网服务功能，拓展新业务。

由于物联网工程专业是新建立的，所以其知识结构和课程的学科体系还没有独立建立起来。但从技术和产业角度来看，其技术体系结构已经基本确定下来，物联网系统的构成很长，其体系构架大致可分为感知层、网络层、应用层三个层面，每个层面又涉及诸多细分领域[5]，图1所示为物联网技术的体系构架示意图。

感知层的功能主要是识别与获取信息，负责采集物理世界中发生的物理事件和数据，实现外部世界信息的感知和识别。包括传统的无线传感器网络、全球定位系统、射频识别、条码识读器等。这一层主要涉及两大类关键技术：传感技术和标识技术。传感器网络的感知主要通过各种类型的传感器对物体的物质属性（如温度、湿度、压力等）、环境状态、行为态势等信息进行大规模、分布式的信息获取与状态识别，它可用于环境监测、远程医疗、智能家居等领域。标识技术通过给每个物体分配一个唯一的识别编码，实现物联网中任何物体的互联。感知层的主要技术方向为新型传感器及其感知节点的研发技术。实现感知节点中的感知单元、处理单元、传输单元和电源单元的高度集成、高度智能，结合节点节能技术，数据融合技术，开发新结构、新原理、新工艺的传感器技术。

网络层主要是完成感知信息高可靠性、高安全性的传送和处理。从具体实现的角度，本层由下而上又分为接入网、核心网和业务网三层。

（1）接入网：主要完成各类设备的网络接入，强调各类接入方式，比如现有的蜂窝移动通信网、无线局域/城域网、卫星通信网、各类有线网络等。

（2）核心网：主要完成信息的远距离传输，目前依靠现有的互联网、电信网或电视网。随着三网融合的推进，核心网将朝全IP网络发展。

（3）业务网：是实现物联网业务能力和运营支撑能力的核心组成部分。

网络层的主要技术方向是感知节点组网与协同处理技术，多应用监测区域下的感知节点通信与组网技术，异构网融合技术，网络管理与安全技术。

应用层主要利用经过分析处理的感知数据，将物联网技术与个人、家庭和行业信息化需求相结合，可向用户提供丰富的服务内容，大大提高生产和生活的智能化程度，应用前景十分广阔。其应用可分为监控型（物流监控、污染监控、灾害监控）、查询型（智能检索、远程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路灯控制、远程医疗、绿色农业）、扫描型（手机钱包、ETC）等。应用层的主要技术方向是服务用户的应用软件及系统集成技术。满足用户的操作系统技术，存储和处理大数据的数据库技术、数据挖掘技术，适应物联网数据处理与使用的中间件软件技术，物联网系统设计与实现技术等。

由此可知，广义传感器在监测区域获取和采集各种信息后转化为数据形式，通过数据传输协议构成了从感知层、网络层到应用层的“数据流”。与物联网三层技术结构对应的知识结构支撑学科分别是电子信息类（电子科学与技术、仪器科学与技术等）、通信类（通信工程等）和计算机类（计算机科学与技术、软件工程、网络工程等）。因此，在制定物联网工程专业的人才培养计划时，需要考虑以下两个问题：

（1）物联网工程专业尚未建立起自身的学科体系，需要在多学科支撑下，逐步从各学科体系中收取相关内容，在工程实践中不断融合，才可形成自身的学科体系。因此制定计划时，需要从电子信息类、通信类和计算机类三大学科中提取与物联网直接相关的内容，确定主干和核心课程；

（2）物联网技术涉及的知识链较长、内容繁多，在大学4年中，很难做到“面面俱到、样样学到”。同时，如果所有物联网知识点都涉及的话，也会出现“样样了解样样松”的问题，无法做到“扎实掌握”的目的。而且在现代企业实际工作中，都是团队合作的模式，也不需要样样松的“全才式”毕业生。所以制定计划时，各校可以依据各自的基础，选择一部分课程，达到掌握程度；另一部分课程，达到了解程度即可。

从物联网产业群可知，其产业不仅长，而且庞大，将是下一个万亿级规模的产业。与之对应的人才能力要求也会因企业不同而各有不同，而且4年的大学教育也难以覆盖其全部内涵。因此，在物联网产业中，不同的岗位对毕业生的要求不同。

各学校应结合各自的条件和基础，制定出具有自身特色和自我优势的培养计划，以培养工程师工程设计和技术开发的能力为出发点，构筑工程师必备的知识体系、能力结构，重点加强工程技术等工程科学基础课程、信息大类专业基础课程、物联网专业技术课程群等工程应用类课程。实现相同专业的错位培养，满足物联网产业对各类人才的需求。

2 相关学科对物联网知识构建的支撑作用

虽然物联网工程专业是新出现的电子信息领域专业，可以认为是一个数据流过程，但本专业也是在其相关学科的技术积累集成而形成的。在物联网产生和发展的过程中，与之密切相关的支撑学科主要有仪器科学与技术、信息与通信工程和计算机科学与技术，从中抽取与物联网有关的知识点分别支撑着物联网技术体系的感知层、网络层和应用层。

从仪器科学与技术学科抽取“电子技术”、“微机原理”、“信号与系统”、“测控电路”、“传感技术”、“计算机控制技术与系统”、“数字信号分析与处理”、“误差理论与数据处理”等课程的部分内容，提供智能感知和控制仪器的知识和能力，解决物联网数据“测的准”的问题。从信息与通信工程学科抽取 “通信电子线路”、“通信原理”、“计算机通信网络”等课程的部分内容，提供数据接入、传输和下载的主干网（如互联网）的知识和能力，解决物联网数据“传的远”的问题。从计算机科学与技术学科抽取“计算机C语言”、“数据结构”、“计算机组成原理”、“软件工程”、“操作系统”、“算法设计与分析”、“Java语言”、“Linux系统应用”、“数据库技术与应用”等课程的部分内容，提供数据应用软硬件平台与数据算法的知识和能力，解决物联网数据“用的好”的问题。

由上述分析可知，3个支撑学科在构成物联网的三层技术结构的知识内容时，各层之间的关联性知识点还没有考虑进去，难以集成在一起。因此，必须结合与物联网有关的当今新出现的先进技术，在感知层与网络层之间构建无线通信、区域组网、融合、网关协议等知识，在网络层与应用层之间构建异构网络互联、数据挖掘、移动操作系统、物联网系统设计、应用管理等知识。

3 对课程体系构建的思考

综上所述，物联网工程专业的课程体系与产业对物联网技术的需求、三层物联网技术架构及支撑学科的作用是一致的。那么，如何解决在四年的大学本科教育活动中，既要让学生掌握专业知识，又让其知识体系符合认证标准呢？本文认为需要从以下两点考虑：

（1）物联网的最终目标是应用数据来提高社会的智慧信息化水平。因此可以认为，在物联网三层技术体系中，感知层技术是数据提供者，是专业建设的基础；应用层技术是数据的应用者，是专业建设的引领和推动者；这两层是专业建设的重点。

（2）网络层技术是数据通信的传输通道，可以认为网络层在专业建设中起桥梁作用，特别是核心网络中通信设备专用的、协议软件固化好的，因此网络层的知识了解即可。

综上所述，该学科应重点掌握物联网数据流中的数据采集与控制、数据的区域（短距离）传输与通信、数据的接入与异构互联、数据的存储与建仓、数据的计算、挖掘与应用等知识，基本掌握数据的公用网络传输、通信与管理知识等。所以，专业合理的定位为哑铃式线性课程结构，即重点掌握物联网两端的感知层和应用层知识，基本了解中段的网络层知识。图2所示为本文构建的课程体系。

从图2可见，该课程体系涵盖了物联网知识点，做到了与仪器科学与技术、信息与通信工程两大支撑学科的紧密融合，与计算机科学与技术支撑学科的深度交叉，突出了物联网“数据测量的准确”、“数据传送的遥远”、“数据应用”的专业能力和工程素养。

4 结 语

本文剖析了物联网产业对技术的要求，探讨了其体系构架的感知层、网络层、应用层三个层面的技术内容。分析了与物联网工程密切相关的仪器科学与技术、信息与通信工程和计算机科学与技术的支撑学科作用，从中与物联网有关的知识点分别支撑着物联网技术体系的感知层、网络层和应用层，为构建规范培养计划的课程体系奠定基础。

参考文献

[1]Kevin Ashton.That ‘Internet of Things’ hing In the real world， things matter more than ideas[J].RFID Journal， 2009（6）.

[2]张敬伟，张青，张会兵，等.物联网工程专业建设和人才培养模式探索[J].中国电力教育，2014（32）：111-112.

[3]马廷奇.高等教育如何适应新常态[J].高等教育研究，2015，3（36）：6-10.

[4]刘化君.物联网体系结构的构建[J].物联网技术，2015，5（1）：78-80.

[5]Ruckebusch P，DePoorter E，Fortuna C，et al.GITAR： Generic extension for internet-of-Things Architectures enabling dynamic updates network and application modules[J].AD HOC NETWORKS，2016，36（1）：127-151.