以“學科競賽”促進物聯網工程教學

施趙媛，劉桂江，汪文明

(安慶師范大學計算機與信息學院，安徽安慶246133)

物聯網技術[1]即通過傳感器[2]、射頻識別[3]等技術采集各類實時數據，并利用各種無線（如WI-FI[4]、Zigbee[5]、藍牙[6]）或有線網絡對采集到的數據進行傳輸，最后在應用層通過數據分析處理，實現遠程監管、實時定位、智能控制等功能。2010年，物聯網技術被政府納入戰略性新興產業發展任務，2011年，物聯網工程專業正式進入高校，因國家戰略新興產業發展需要，該專業旨在培養具備物聯網相關知識和技能，尤其具備傳感技術、數據處理技術、網絡通信技術等領域的專業人才。近年來，為了適應新形勢下高等教育改革發展需要，推動以學科競賽為載體的第二課堂和第一課堂教學改革的良性互動，擴大學科競賽覆蓋面，各大高校都整合了已有競賽資源，強化競賽對學生實踐能力、工程能力、創新能力的培養，學科競賽無疑為物聯網專業的改革注入了新的血液。本文主要介紹學科競賽對物聯網工程專業教學的促進和發展起到的重要作用，并提出幾點相關建議。

1 物聯網工程專業相關學科競賽

近年來，隨著各高校的積極組織、宣傳及國家財政支持，很多高校都已形成了以學生為主體的國家、省、校三級競賽機制，學生競賽的種類和質量都在攀升，以安慶師范大學的物聯網工程專業為例，在校、院等各級單位的積極組織下，該專業學生每年參加省部級以上的學科競賽達到50人次以上，每年獲得的省部級以上獎項均超過40余項。物聯網工程專業學生可以參加的具體學科競賽項目如表1所示。大部分競賽不限定競賽平臺，只要指導教師和學生商定好競賽創意后，自行購置相關器材，對創意進行實現，完成相應的文檔、視頻、PPT資料，并現場答辯即可。如“互聯網+”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”全國大學生系列科技學術競賽、全國大學生物聯網設計競賽（TI杯）、安徽省高校物聯網應用創新大賽等，物聯網的學生參加這類競賽需要熟練掌握物聯網三層架構中的傳感器、組網、網絡傳輸協議、數據處理、智能算法、自動控制等一系列知識。

表1 物聯網工程專業可重點參加的學科競賽一覽表

還有一部分競賽，競賽主題明確或競賽平臺固定，如全國高校“創意創新創業”電子商務挑戰賽，主要是要求學生根據大賽主題設計電子商務相關系統，如2018年大賽主題包括三農電子商務、工業電子商務、跨境電子商務、電子商務物流、互聯網金融、移動電子商務、旅游電子商務、校園電子商務、其他類電子商務，此競賽需要學生具備Android或IOS平臺開發、網頁開發等專業基礎；安徽省單片機大賽是組委會直接命題，學生在規定時間內完成編程，評委根據實現效果現場打分，這需要學生具備扎實的單片機理論與實踐基礎；全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽，要求競賽隊伍能夠緊扣競賽主題完成競賽作品，作品包括實物制作（含模型）、軟件、設計和社會實踐調研報告等，體現新思想、新原理、新方法及新技術，這需要學生具備一定電路設計、節能原理、模型設計、自動控制等方面的知識。

2 經典競賽案例引入課堂教學

近年來，專業教師均有計劃、有目的地將大賽成果運用于專業教學，將學科競賽的作品搬上課堂，作為教學案例，實現“以賽促學”[7]。“紅綠色盲”交通控制燈系統的項目曾經參加過TI杯全國大學生物聯網設計競賽，該項目針對色盲人士開發，通過對傳統的交通信號燈進行改造，即在交通燈旁邊增加一位數碼管，通過它來顯示當前交通燈的狀態，并約定綠燈記為1、黃燈記為2、紅燈記為3，以此來幫助紅綠色盲患者清楚地識別出當前的交通燈狀態。系統中應用了單片機的“中斷”“定時器”“數碼管顯示”等重要知識點。在講解單片機課程中AT89C51系統的應用設計章節時，可將其作為案例進行教學。

首先，向學生介紹系統的整體結構，以系統中一個十字路口的一個方向為例，應用3個LED燈分別顯示紅、黃、綠3種交通燈，另外，使用3個數碼管，其中一個用于顯示當前交通燈的狀態，另外兩個用于顯示當前狀態的剩余時間。約定它們正常運行的流程及時間為綠燈亮20秒，黃燈閃爍3秒，紅燈亮23秒，綠燈亮20秒，然后引導學生思考：利用AT89C51為主控制器，該系統中如何設計和分配P2和P3口？系統中共需幾個中斷？是否需要定時器？若需要，定時器的工作方式、初始化及控制位如何設定？

學生進行思考和討論后，可自行設計實現該子系統，其后，將參加競賽作品的設計方法向同學們介紹。3個數碼管采用動態掃描實現，采用兩片鎖存器芯片74HC573保障顯示時間的兩個數碼管的正常運行，P2口的8位輸出作為兩位時間顯示的段選，P3口的8位輸出作為交通燈的狀態顯示的段選，它們的位選w1、w2和w3分別通過P1.3、P1.4和P1.3控制。控制時間的定時器采用定時器1的工作方式1，設置TMOD=0x10；給定時器賦初值即TH1=(65 536-50 000)/256;TL1=(65 536-50 000)%256，定時50 ms。

設計好系統后，要求學生運行Proteus軟件，新建“具有紅綠色盲患者使用功能的交通信號燈控制系統”設計文件；按照系統的需求，放置并編輯AT89C51CAPCRYSTAL RES 7SEG-MPX1-CC 7SEGMPX2-CC 74HC573等元器件；完成系統的電路設計后，進行電氣規則檢測，直至檢測成功。進行仿真運行，具體仿真效果如圖1所示。

圖1 系統Proteus軟件仿真結果

3 競賽促進教學改革

隨著國家、省、校三級聯動，建立了一系列獎勵機制，學科競賽規模和覆蓋面不斷擴大，實現了由階段性工作向常態性工作轉變，由少數師生參與向全體師生參與轉變，形成了良好的學科競賽氛圍，也帶動了一系列良性效應。

3.1 競賽促進物聯網工程專業培養方案完善

學科競賽給專業教師提供了走出去的機會，促進了與其他高校的交流及指導教師對競賽項目中熱門技術的了解和學習，通過歷年來競賽經驗和教學的積累和總結，我校物聯網工程專業的人才培養方案在不斷完善[8]。例如：智能控制是各種物聯網子系統中不可或缺的部分，智能家居中各種電器門窗的開閉控制、農業物聯網中各種設備的開啟控制等，在指導學生參加學科競賽的過程中，每當遇到物聯網控制問題，學生都需要花費大量的精力和時間，而且實現過程中經常會出現不穩定的狀況，多次遇到類似情況后，經教研室教師討論，并與其他高校進行交流發現，物聯網控制類的基礎課程確實需要開設，故在我校2018年的物聯網工程人才培養方案中，已經增設了該類課程。

3.2 競賽促進實驗設備升級優化

為鼓勵學生參加各類競賽，學校和學院投入了專項經費支持，給學科競賽提供了后期保障，更重要的是，各界對競賽的重視有效地提高了專業課程中實踐教學設備更新升級的速度。為了更好地鍛煉物聯網專業學生的綜合實踐能力，安慶師范大學為物聯網工程專業配備了物聯網實驗室，每個上課的學生都能有一個試驗箱，試驗箱中幾乎包含了搭建物聯網子系統需要的所有組件；另外，建設了物聯網綜合實訓實驗室，包括智能物流、智能倉儲、智能圖書館、智能交通等多個物聯網應用系統；學校還建設了一套占地20多平米的智能家居系統，良好的實驗設備配置是培養學生實踐能力的基礎保障。

4 總結

本文主要介紹了學科競賽對于物聯網工程專業教學的促進，學科競賽不但能夠促進學生將理論知識學以致用，不斷提高實踐操作技能，還可以將競賽作品返回課堂，讓實踐促進理論教學。另外，學科競賽在一定程度上促進了物聯網工程專業的人才培養方案的完善。

學科競賽的核心是學生和指導教師，經驗豐富的指導教師和專業優秀的學生能夠決定競賽作品的質量，然而，指導老師的進修、培訓機會的提供，競賽作品中設備的購置、競賽過程中產生的差旅費用等，都需要學校和學院提供保障。總之，學科競賽需要學校、學院、指導教師和學生多方的努力和協調。