電氣信息類專業物聯網應用實踐教學改革

陳波 李琦 趙建敏 王月明

摘 要：針對社會對物聯網人才需求的日益提高，結合電氣信息類專業實踐教學經驗，進行面向應用的物聯網實驗教學體系的改革與探索。通過研制綜合實驗系統，設計層次化實踐教學內容，完善實踐教學管理模式，改進實踐教學效果。實踐結果證明，通過實驗教學改革，有效調動了學生學習的積極性和創造性，提高了綜合運用物聯網的能力，拓寬了就業面，達到了應用型人才培養的要求。

關鍵詞：物聯網;實踐教學;實驗平臺;人才培養

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-0-04

0 引 言

物聯網指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡[1]。工業和信息化部《物聯網“十三五”發展規劃》中指出，“十三五”時期，我國經濟發展進入新常態，創新是引領發展的第一動力，促進物聯網、大數據等新技術、新業態廣泛應用，培育壯大新動能成為國家戰略[2]。物聯網是在計算機、電子信息、通信工程、傳感技術等相關學科基礎上發展起來的新興學科，具有知識結構復雜、跨學科領域多、新技術不斷涌現等特點。因此，針對物聯網核心技術和典型應用的研究開發成為各高校和相關企業的重要工作，也成為各高校相關專業教學和科研的新方向[3-4]。

物聯網技術具有綜合性強和應用面廣等特點，更加注重工程實踐能力、工程創新能力和綜合素質的培養，因此物聯網實踐教學環節在人才培養中起著至關重要的作用[5-6]。我校物聯網教學是在嵌入式系統相關課程基礎上逐漸發展起來的，并且隨著物聯網技術的飛速發展，教學過程中的諸多環節需要進一步探索與改進。由信息工程學院科研和教學經驗豐富的專業教師組成物聯網課程教學改革項目團隊，在總結以往實踐教學經驗的基礎上，將科研工作中的物聯網技術引入實踐教學，針對目前物聯網技術的發展和應用，在物聯網實驗平臺研制、實驗課程體系設計、實訓教學管理等多方面進行有益探索和嘗試。

1 物聯網綜合實驗平臺設計

目前，已有的實驗教學設備技術相對落后、功能單一，大多只針對一種技術或一種微處理器開展，無法滿足不同年級、不同層次學生需求多樣性的問題。物聯網技術涉及面廣，新技術層出不窮，工程項目中已廣泛使用各種有線和無線通信方式，如WiFi、以太網、ZigBee、藍牙、GPRS等。現有實驗設備缺乏相應內容，大多仍然停留在理論教學、概念認知的層面，并未在實踐教學中得以體現。立項之初實驗設備的更新換代便成為項目團隊首要解決的問題。

項目團隊前期進行了大量調研，走訪知名高校，同時了解相關廠家實驗產品情況。許多實驗平臺重點關注培養物聯網三層架構中感知層和網絡層的技術，較少涉及應用層數據處理和上層用戶接口，學生難以體會到完整的行業應用過程。高校中現有的物聯網實驗平臺主要是面向研究生的科研型平臺，面向本科生的實驗教學型平臺較少[3]。項目團隊成員具有豐富的理論和實踐教學經驗，近年來主持或參與過多項物聯網相關科研課題，積累了豐富的工程實踐經驗。通過反復論證，最終決定自行設計研制物聯網實驗教學平臺。經過近三年的研發，不斷改進與完善設計內容，物聯網綜合實驗系統現已研制成功并正式投入實踐教學。

物聯網綜合實驗系統由物聯網綜合實驗箱、服務器數據中心和手機客戶端三部分組成，整體結構如圖1所示。系統按照物聯網分層結構分為感知層、傳輸層和應用層[7-8]，物聯網綜合實驗箱涵蓋感知層和傳輸層，應用層由服務器數據中心和工作站以及手機客戶端組成。服務器數據中心提供數據存儲和數據服務功能，手機客戶端實現遠程數據訪問。

感知層由多種傳感器、遠程控制執行器、射頻識別讀寫器、二維碼掃碼槍、近場通信模塊和GPS/北斗定位模塊組成。

傳輸層支持以太網和GPRS遠程傳輸方式，以及WiFi、藍牙、ZigBee近程傳輸方式。

物聯網應用層在服務器上基于Nginx搭建數據中心，應用Flask框架[9]開發后臺服務，基于vue.js技術[10]開發手機端應用程序。

實驗系統采用可插拔模塊化設計，提供多達16路傳感器，設備資源可根據實驗場景需要自由組合。實驗箱提供STC15單片機、STM32微處理器和樹莓派三種主控制器以供選擇，解決不同年級、不同層次、不同專業學生對硬件處理器平臺熟悉程度不同，需求多樣性的問題。本文實驗系統特別針對現有實驗平臺通信模式單一的問題，在實驗系統中集成了目前實際工程中已被普遍應用的多種有線和無線通信解決方案，培養學生駕馭各種傳輸方式及通信協議的能力。與物聯網綜合實驗箱配套，實驗系統加入后臺服務器和手機客戶端等硬件資源構成完整的物聯網開發平臺，加強學生對物聯網應用中后臺服務器端軟件開發以及移動端應用開發內容的理解能力，幫助學生培養利用物聯網系統性解決問題的能力。物聯網綜合實驗系統基本涵蓋了物聯網應用的主流技術，可支持多種物聯網架構，滿足本科生基礎課程實驗、課程設計、綜合實訓和提供課外科技創新平臺的需求，同時也可作為研究生開展科研項目的原型設計研發平臺。

2 物聯網基礎實驗項目設計

物聯網綜合實驗系統融合了傳感器技術、嵌入式技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術[11-12]，面向信息工程學院自動化、測控技術與儀器、建筑電氣與智能化、通信工程、電子信息工程、計算機及電氣專業，服務于微型計算機原理、嵌入式系統、智能儀表、物聯網、智能家居、建筑智能環境學等相關課程。從物聯網工程應用的角度，對物聯網相關技術進行細致梳理，將可開展的實驗項目與對應的專業課程進行劃分。電氣信息類專業根據人才培養目標的不同在選擇實驗內容和實驗項目時可有所側重。

物聯網實驗內容既要按照不同技術層面設計分門別類的基礎實驗內容，又要重視學科之間、技術層面知識之間的內部邏輯聯系，設計層次化的實驗體系[13]，注重不同學科知識的融會貫通。物聯網實驗體系分為基礎實驗和專題實訓，其中基礎實驗項目見表1所列。

為便于學生掌握物聯網技術要點，理解物聯網工程實施過程，在具體組織物聯網相關實驗時打破原有課程體系，將物聯網實驗內容按照物聯網三層結構的邏輯關系重新劃分為感知識別實驗、網絡接入實驗和綜合應用實驗三部分[14]，對不同年級和專業的學生可分階段循序漸進地開展物聯網技術學習與訓練。

物聯網感知實驗包括微處理器基礎應用實驗及傳感器與感知實驗兩部分。在學生掌握微處理軟硬件開發技術的基礎上，加深對傳感器網絡的認識與理解，重點在于讓學生了解常見的傳感器原理，掌握傳感器網絡節點實現方法，能夠對采集數據進行處理、存儲與顯示，為后續應用打好基礎。

網絡接入實驗包括通過以太網、串口通信的有線接入實驗和通過WiFi，GPRS，藍牙，ZigBee等無線網絡接入與組網實驗，以及RFID和近場通信實驗。此部分內容重點讓學生理解無線和有線網絡通信原理、網絡協議及組網技術，學會靈活運用多種技術手段搭建物聯網系統，實現采集數據的有效傳輸。

綜合應用實驗包括數據中心服務器和手機端應用開發兩部分內容，具體包括服務器數據庫搭建實驗、后臺服務器程序設計實驗、上位機監控界面設計實驗、手機端APP開發、數據監控及遠程控制實驗。此部分實驗要綜合運用傳感器器件，構建無線或有線通信網絡，并開發上層應用軟件，模擬完成一個真實的物聯網應用系統。

3 物聯網專題實訓項目設計

實訓作為實踐教學系統中的重要一環，在電氣信息類各專業的人才培養中起著至關重要的作用。通過實訓，學生將所學理論知識與實際需求相結合，真正做到學以致用，實現對創造性思維與工程實踐能力的培養，提升教學系統的教學質量[15]。

3.1 專題實訓項目

物聯網實訓題目主要來源于教師科研項目，選取具有典型代表性的題目作為實訓內容，每個項目都能自成系統，而且涉及的技術要點能夠覆蓋物聯網感知層、網絡層和應用層，能夠體現物聯網課程教學內容。已投入實施的8個專題實訓項目見表2所列。

3.2 實訓過程管理

為保證實訓項目的有效實施，達到預期的教學效果，項目團隊在實訓教學過程管理模式方面也進行了探索。學生以小組為單位分配實訓題目，組內成員再分工合作共同完成實訓任務，這樣既可以讓小組中每個學生都得到鍛煉，而且大家都對物聯網工程項目有了整體認識與系統性理解。每個項目配備一名指導教師，負責項目過程的指導與監督。實訓題目在實訓驗收前兩個月布置，要求每周匯報一次進展情況。同時，指導教師定期進行指導與答疑，并通過微信群等形式及時與學生溝通，解答學生在實訓過程中遇到的問題。對實訓相關的開發技術分單元模塊進行培訓，并利用網上微課平臺分享課件與技術資料，提高學生的學習效率。最終實訓驗收環節以答辯形式進行，學生進行現場實物演示與設計內容介紹，通過問答環節考查每一名學生對物聯網技術內容的掌握情況。

通過加強實訓過程各環節的管理，師生之間通過多種途徑互動交流，學生的學習熱情被充分調動起來，經常利用課余時間自發組織小組內部討論，每次答疑學生都積極參加、踴躍提問。通過實訓過程的集中訓練，學生能夠完整地體驗物聯網項目的實施過程，從采集節點硬件搭建、無線網絡組網、服務器后臺程序設計到手機APP開發，物聯網主要技術內容都得到了較深入的學習實踐，對學生的工程實踐能力、綜合應用能力、團隊合作意識都是一次很好的提升。

4 結 語

本文結合電氣信息類專業特點，對如何開展物聯網應用實踐教學進行了有益的探索與嘗試，不但自行設計、研發了物聯網綜合實驗系統，完善、豐富了實驗教學條件，同時對涉及物聯網技術的課程內容進行了深入整理，提出層次化的實驗教學內容，尤其對專題實訓環節項目選題、過程管理等進行了深入探討。項目成果已在內蒙古科技大學信息工程學院自動化專業微型計算機技術應用實訓以及建筑電氣與智能化專業連續兩屆畢業設計中應用實施，取得了良好的教學效果。

參 考 文 獻

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