基于國際合作項目的民族高校物聯網實驗課程之實踐探索

丁 昊 石鴻凌 孫美靜

（中南民族大學 湖北·武漢 430074）

1 課題的作用及意義

隨著以“互聯網+”為代表的新一輪產業革命快速發展，我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中將物聯網作為優先發展產業之一。中南民族大學電子信息工程學院開設的“物聯網技術”課程是在“新工科”建設和卓越工程師教育培養計劃2.0背景下，應運而生的一門新興課程。

為了響應教育部提出的重大教育改革措施，面向國家戰略性新興產業發展需求，滿足國際競爭新形勢和立德樹人新要求，我院提出當前工程教育的改革方向。其基本思想是，將本院相關專業學生培養成為能夠將所學的物聯網領域專業知識加以創新利用，并在實踐過程中積極與身邊的教師和同學合作探討，在解決實際問題中自主查閱本專業科技前沿信息，滿足經濟社會發展和企業技術創新需要的高素質復合型工程技術人才。

1.1 研究目標

物聯網課程開源教學軟件堅持以人為本、以應用為中心、以物聯網課程為基礎，為物聯網實驗室的硬件設施提供相應軟件資源。在物聯網課程實驗的開源教學軟件設備中，將計算機作為智能控制功能部分整合到教學軟件中去。它是整個教學軟件的控制中心，可以管理整個系統的信息處理部件和對學生友好的交互頁面。教學軟件被固化在嵌入式系統中，學生用戶一般不用重新編寫基礎程序，而是通過特殊的輸入輸出裝置與嵌入式系統進行交互。學生可以利用教師提供的開源代碼，根據教學內容編寫軟件程序。鼓勵學生發散思維，將自己的創新性思想實現出來。

1.2 中南民族大學與法國高校國際合作概況

我校電子信息工程學院與法國克萊蒙奧弗涅大學ISIMA學院建立物聯網國際教學和科研合作，以科研項目為抓手，以中外教師的學術互動交流為保障，緊密結合我校民族特色，在充分發揮辦學優勢的基礎上，推動發展高校國際性和開放性。我校與克萊蒙奧弗涅大學于2018年簽署了校級合作框架協議，教師團隊所在的電子信息工程學院與法方ISIMA學院簽署了教師科研和教學合作協議。目前實行研究生聯合培養項目，中方大學碩士生有一年的時間學習法方大學課程，并進行科學研究，凡是各科成績合格的學生，再順利通過碩士答辯就可以同時獲得克萊蒙奧弗涅大學和中南民族大學雙碩士學位。2020年項目正式開始實施，已有2位碩士研究生修滿法校學分并順利通過法方的碩士答辯，預期于2022年獲得雙方碩士學位。2021年，中方下一批3位碩士研究生已經選拔出來參加該項目。2022年法方也將有2位碩士研究生前往中南民族大學學習。雙方從科研合作為起點，逐步形成了研究生教學為節點，以雙方資源、信息交流為紐帶向本科教育滲透，努力探索一條有民族學校特色的課程國際化發展道路。

1.3 擬解決的主要問題

由于國外芯片商業化程度較高、擁有良好的開發環境、在經過多年使用后的物聯網嵌入式系統功能較為完善，物聯網課程實驗的教學軟件普遍基于國外芯片。雖然教育軟件采用的開源系統不涉及國家安全的領域，但是貿易戰的發生敦促教學團隊考慮自主開發教學設備。實現思路大致為，借鑒國外教學軟件的技術架構，根據受教用戶的需求和實際使用場景，采用具有中國自主知識產權的核心配件開發更適合我院學生的教學軟件。

目前的教育平臺采用的軟件普遍不具備開放性。教師團隊將采用開源資源研制開發教學軟件平臺，學生用戶可以根據自己的需求對軟件程序進行自由裁剪和配置，使得系統可以適應不同的用戶，體現學生在教學活動的中心地位。

力圖基于電子信息工程學院的本科生培養方案建設完善的本地化課程，使得面向物聯網課程的開源教學軟件可以為物聯網相關課程提供配套的軟件資源，將軟件資源和現有硬件教學資源緊密結合起來，利于教師開展更為完備的教學活動。

在自主開發的開源教學軟件基礎上，提供更符合當前物聯網技術發展潮流、更利于學生理解和吸收的實驗教程和相關程序，進行針對應用的實驗設計和實驗教學探索，編寫與學生能力相適應的實驗教案，將理論與實踐有機地結合起來，培養物聯網關鍵技術應用能力人才。

1.4 理論課程具體研究內容

正確定位國際化背景下物聯網課程，其教學需要在內容和模式上進行探索轉變，學生對知識的理解掌握才是國際化背景下物聯網課程教育教學根本，推動學生對整個學科在國際化背景下的科研和工程問題的解決才能真正實現新工科要求的復合應用型人才培養目標。

本課程旨在向學生系統、詳細地介紹物聯網的體系結構、關鍵技術、主要應用等。由于物聯網技術涉及的專業知識較廣，內容較豐富，且物聯網課程是一個軟件工程、網絡通信、電子工程多學科交融的與應用密切相關的交叉學科，跟其他技術聯系緊密。要改革教學模式，增加教學輔助材料，充分利用網絡在線資源，從中篩選出符合新工科發展要求、能夠提升學生工程實踐素養的內容，將它們引入到物聯網課堂教學中去。理論課程采用多媒體課件的方式進行講授，形式生動形象，可以激發學生的學習興趣，緩解課時緊張的問題。而解決實際應用問題的實驗課程與理論知識的講解課程相穿插，學生在學習到新知識后，馬上就可以自己動手解決融入了理論知識的應用實驗問題，加深對理論的理解。

1.5 實驗課程目標

物聯網課程是一門應用性極強的交叉學科，涉及知識更新較快，與實際應用聯系緊密，理論授課內容結合教科書和相關研究期刊歸納綜合，授課內容能夠反映本學科實際發展歷程。而課程實驗采用案例教學，結合工程實際問題講解物聯網的基本組成和工作原理，學習物聯網的基本設計方法與開發方法，培養學生的工程思維方式。教學案例將應用場景的工程實踐方案結合科學原理講解，引導學生應用基本理論知識對系統進行量化設計。

目前國內的物聯網課程教學存在缺陷，其中較為突出的就是缺老師、缺教具、缺教學資源的三缺問題，現擬從這三個方面推進我院物聯網課程教學模式的轉變，提高授課教師的能力，研制物聯網開源軟硬件教學平臺，補充與當前已有的硬件教學設備相配套的軟件教學平臺資源。

通過案例教學，學生能夠使用計算機等工具對物聯網相關問題進行仿真環境搭建與模擬研究，掌握階段性的模擬器和仿真器的設計能力，激發學生的學習興趣，鍛煉學生的工程思維方式，學習相關專業的研究方法，培養高質量的工程技術人才。

2 課程實驗方案設計

課程實驗基于一個服務物聯網課程實驗的開源教學軟件平臺。開源教學軟件將為物聯網課程理論和技術的研究工作提供支持，學生將通過實驗對物聯網在環境監測、智能農業、遠程醫療監測和智能交通等領域的應用積累技術基礎和經驗，掌握數字信號的理論和應用，保證理論學習的順利進行。教師團隊參與過物聯網節點和網絡協議的開發，這些經歷為教學軟件的順利開發提供了寶貴的經驗，可以高速準確的完成軟件的建構和性能驗證。具體教學案例如下：

2.1 空氣質量監測系統

基于教師團隊在歐盟H2020 Captor項目里開發的低成本空氣質量監測節點，實時監控大氣中CO、NO和NO2成分。學生通過學習貼近實際應用的實驗案例，深刻理解多核結構系統在戶外工作的惡劣環境下如何更可靠地持續運行，高度模塊化設計支持更多類型的傳感器數據，鼓勵學生使用節點采集的數據，開發自己的應用，提高學生對課程的學習興趣，發揮學生自主探求知識的主觀能動性。

2.2 智能灌溉系統

了解土壤粘土基本性質與電荷、離子交換、土壤結構的形成的相關信息。掌握土壤濕度的各種測量方法技術，學習土壤溫度和濕度傳感器的基本知識。構造土壤含水量和電荷電壓模型。利用物聯網與互聯網建立智能灌溉系統模型，學生通過ZigBee網絡將觀測數據上傳至遠程服務器，利用手機等智能設備訪問服務器查看相關數據和控制澆水，系統能夠實現實時監控與遠程人工干預的混合控制模式。

2.3 無源定位系統

針對單個或者多個無源目標，使用節點的無線通信信號觀測量對其進行定位和跟蹤，驗證節點所處多徑環境造成的系統可靠性以及復雜度之間的矛盾，基于反映各個傳輸路徑的影響因子的統計模型來描述目標的空間特性，探討目標運動狀態對接收無線信號的影響。該實驗結合物聯網提取出對應不同視覺問題所需的擾動信息，用圖像的形式顯示估計目標在區域內的位置信息，而在傳統的無線通信中，這些影響是被視為對傳輸性能不利，需要被抑制或消除的部分。

2.4 古建筑火災監測

基于2019年法國巴黎圣母院火災事件，針對中國現存的古建筑多是木結構或磚木結構，極易引起火災的特點，采用基于多傳感器信息融合的方法來監測古建筑火災，擬利用紅外熱成像儀和高清攝像機對古建筑內的火災高風險區域進行實時監測，同時擬集成空氣溫濕度、煙霧濃度和煙霧粒徑、設備溫度、剩余電流、電弧監測等各種傳感器并對這些多源異構的信息進行融合處理，進而及時發現各類火災隱患以及火災前期的各種特征信息，達到提前整改、預警和報警，降低火災事故的發生，幫助古建筑遠離火災的威脅目的。

3 項目總結

3.1 研究重點

將物聯網課程的理論教學內容與教師團隊開發完備的硬件平臺結合起來，在編寫課程實驗內容時，既要對應相關知識點、合理地設計實驗內容，又要密切跟蹤最新的科研和工業動態?；A實驗和拔高實驗相輔相成，基礎實驗夯實理論課程的基礎，拔高實驗提升學生對課程的興趣力，使課本的內容鮮活起來。

3.2 特色與創新

課程實驗的所有軟件開發都是基于工程教育認證體系要求，將工程教育認證體系下的物聯網專業課程的知識貼合適合學生學習的知識點，將課堂教學的理論知識與實踐相結合，讓學生基于物聯網課程實驗核心組件進行軟件開發，從而掌握實驗課程的整體流程，提高學生的動手能力，部分實驗考慮結合教師的研究項目內容，緊貼最前沿科研與工業成果，從而達到拔高優秀學生的目的。

3.3 作用與意義

課程實驗有利于培養工科學生在物聯網工程與實踐方面的專業素質和能力。實驗課程對接物聯網產業技術前沿，不僅提高學生在物聯網領域專業技術，還能培養學生對于復雜工程問題的分析能力和解決問題能力。構建基于線上和線下學習相結合的教學方法，增加引導學生開展基于工程實際的項目，以此提高學生的學習興趣，充分發揮學生的自主學習能力，提升其解決實際工程問題的能力。

開展物聯網實驗課程的國際化探索，有利于豐富教學資源，探索建立具有國際化特色的教學團隊建設，實施科研和教學交替的模式，彌補電子信息工程學院師資在課程教育上面的不足。