競賽和項(xiàng)目驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐

李燕君 徐新黎

摘? 要： 針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段單一陳舊、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)偏多、創(chuàng)新性不足，不能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)發(fā)展等問題，以物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競賽和教師承擔(dān)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目為驅(qū)動，開展了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐。建設(shè)內(nèi)容包括創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺研發(fā)以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書撰寫。通過該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)和實(shí)踐，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，創(chuàng)新能力提升，表達(dá)和文檔撰寫能力也得到了鍛煉，能夠更好地在專業(yè)領(lǐng)域勝任物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等工作，適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞： 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn); 新工科; 競賽和項(xiàng)目驅(qū)動; 物聯(lián)網(wǎng)工程

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）12-117-04

Abstract： In view of the problems in the practice teaching of the Internet of Things （IoT） engineering specialty， such as single and obsolete experimental technique， overmuch confirmatory experiments， insufficient innovation， etc.， it cannot adapt to the IoT technology development. Driven by the IoT discipline competition and IoT-related projects undertaken by teachers， the construction and practice of innovative experiment adapting to the new technology of IoT are carried out. The construction contents include the design of innovative experiments， the research and development of experimental modules and platforms， and the writing of experimental instructions. For students majoring in IoT engineering， through the construction and practice of the innovative experiments， their study interests have been aroused， their innovation ability has been improved， the skills of presentation and document writing have been exercised and they can be better qualified for IoT technology application and other work in the professional field， so as to adapt to technological progress and the development needs of the IoT industry.

Key words： innovative experiment; Emerging Engineering Education; competition and project driven; IoT engineering

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在感知、通信組網(wǎng)、信息處理和應(yīng)用服務(wù)等方面都涌現(xiàn)了大量新技術(shù)和新方案[3]。例如，在感知方面，除了采用傳統(tǒng)的微傳感器采集感知數(shù)據(jù)，還出現(xiàn)了以RFID、Wi-Fi為終端的無源感知和智能多模態(tài)感知;在通信組網(wǎng)方面，傳統(tǒng)的短距離組網(wǎng)技術(shù)如Zigbee、藍(lán)牙等已逐漸被低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)如NB-IoT、LoRa[4]等取代;在信息處理方面，云平臺的普及、數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)存儲及處理帶來了新思路;在應(yīng)用服務(wù)方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉足的行業(yè)應(yīng)用越來越豐富。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)之一就是使學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域勝任物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等工作，能夠適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。在國家大力發(fā)展新工科、培養(yǎng)戰(zhàn)略人才的大背景下，高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)提出了更高的要求。實(shí)踐教學(xué)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，肩負(fù)著理論應(yīng)用與實(shí)踐的重要使命[5]。培養(yǎng)的學(xué)生能否適應(yīng)新形勢下市場對人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需求對實(shí)踐教學(xué)體系提出新的挑戰(zhàn)。在這種背景下，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)原有的實(shí)踐課程內(nèi)容已不能夠完全支撐培養(yǎng)目標(biāo)。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特色實(shí)踐課程主要有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合設(shè)計，課程內(nèi)容存在如下問題。

⑴ 實(shí)驗(yàn)涉及的技術(shù)手段較為單一，部分已較為陳舊

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計主要用Telosb節(jié)點(diǎn)進(jìn)行LED、無線通信模塊、傳感模塊、串口通信模塊、存儲模塊等組件和接口的操作，以及時間同步協(xié)議和遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的設(shè)計實(shí)現(xiàn)，該課程涉及的技術(shù)為低功耗短距離無線通信和組網(wǎng)技術(shù)，但是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已很少采用[6];物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合設(shè)計這門課程采用公司開發(fā)的實(shí)驗(yàn)工具箱，集成了無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、基站板、傳感器模塊、ARM 控制平臺、M2M 模塊等硬件，但是該工具箱購買時間較早，M2M模塊只支持GPRS通信，不能支持4G通信，無法將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，此外，工具箱中各個模塊都集成在底板上，對于一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)如節(jié)點(diǎn)定位、移動節(jié)點(diǎn)位置跟蹤等，不能很好地支持。

⑵ 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證型偏多，創(chuàng)新性不足，不能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)發(fā)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計共有40個學(xué)時，其中16個學(xué)時為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，24個學(xué)時為設(shè)計型實(shí)驗(yàn)，但是，由于Telosb節(jié)點(diǎn)平臺本身的限制，兩個設(shè)計型實(shí)驗(yàn)時間同步協(xié)議和遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的設(shè)計實(shí)現(xiàn)也相對簡單。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用綜合設(shè)計課程受限于實(shí)驗(yàn)工具箱，也多為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性不足。

學(xué)生通過這兩門專業(yè)實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)后，僅能掌握一些基本的物聯(lián)網(wǎng)感知、通信和組網(wǎng)技術(shù)，無法適應(yīng)多元化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。為此，我們以物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競賽和教師所承擔(dān)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目為驅(qū)動，依托創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐，旨在提高該專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)方案

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)方案包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺研發(fā)以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書撰寫三部分。

⑴ 競賽和項(xiàng)目為驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計是本項(xiàng)目的關(guān)鍵，需適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)發(fā)展。本項(xiàng)目從學(xué)科競賽和教師從事的科研項(xiàng)目中廣泛征集對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計。首先，全國高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽是面向全國高校開展的物聯(lián)網(wǎng)競賽活動，旨在培養(yǎng)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)方面的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和動手能力，為全國高校物聯(lián)網(wǎng)教育教學(xué)和研究創(chuàng)新成果提供一個集中展示的平臺。該競賽已成功舉辦了五屆，積累了大量賽題和案例，能夠反映物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的前沿技術(shù)應(yīng)用。我們借鑒近兩年的挑戰(zhàn)賽題目和創(chuàng)意賽獲獎案例，綜合考慮難易程度和硬件成本，歸納出適合作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目并進(jìn)行二次設(shè)計，針對不同層次的學(xué)生提出難易程度不同的實(shí)驗(yàn)要求。其次，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)相關(guān)教師的科研項(xiàng)目有不少是研究的物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)，例如基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制、無源感知、室內(nèi)定位、基于物聯(lián)網(wǎng)的指紋鎖等等，我們邀請相關(guān)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)教師從項(xiàng)目研究內(nèi)容中提取了合適的部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的規(guī)劃設(shè)計。最后，由系主任對所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行審核和統(tǒng)籌規(guī)劃。

⑵ 通用可擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺研發(fā)

通用可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺是本項(xiàng)目的保障。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室目前擁有RFID、物聯(lián)網(wǎng)等實(shí)訓(xùn)工具箱，工具箱集成了大量開發(fā)板和節(jié)點(diǎn)，但弊端是通用性和可擴(kuò)展性較差，使用方式也不夠靈活。隨著物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)工具箱不能滿足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需求，購置新的工具箱成本巨大、周期較長。目前搭建小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)常用的樹莓派、Arduino等開發(fā)板較為成熟，且支持較多模塊的擴(kuò)展，各種云平臺，如阿里云、百度云等租賃使用非常方便，我們通過購置、自主設(shè)計開發(fā)等方式為學(xué)生提供了若干通用可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺，例如智能移動小車平臺、AliOS Things Developer Kit平臺、基于天貓精靈的語音控制物聯(lián)網(wǎng)平臺、NB-IoT模組、LoRa模塊及網(wǎng)關(guān)等，基于這些通用可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和平臺，學(xué)生可以進(jìn)行二次開發(fā)，后續(xù)在這些平臺上還可以繼續(xù)擴(kuò)展其他創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，保障創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可持續(xù)地開展實(shí)施。

⑶ 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書撰寫

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在學(xué)生中推廣實(shí)施的參考資料。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書撰寫采用分工統(tǒng)籌的建設(shè)方法，先集中討論，為每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定一名指導(dǎo)老師，然后每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書由指導(dǎo)老師各自撰寫，最后由系主任統(tǒng)稿。由于我們的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書不會像一般驗(yàn)證型或操作型實(shí)驗(yàn)?zāi)菢犹峁┌床烤桶嗟牟襟E，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書主要介紹實(shí)驗(yàn)相關(guān)軟硬件平臺，涉及的相關(guān)技術(shù)、算法，電路圖，模塊接口使用方法、例程，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及難易分層的實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)以及從何處獲取相關(guān)資料。

經(jīng)過在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師的廣泛征集和討論，我們形成了如表1所示的14項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并撰寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了傳感網(wǎng)、RFID、AliOS物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、阿里物聯(lián)網(wǎng)云平臺、LoRa通信技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、室內(nèi)定位、語音控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、邊緣智能、軟路由、深度學(xué)習(xí)、3D打印等多項(xiàng)前沿技術(shù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)踐

3.1 實(shí)施方法

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)方法以任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)為主。“任務(wù)驅(qū)動”是建立在建構(gòu)主義和人本主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)生對知識的主動探索、主動發(fā)現(xiàn)和對所學(xué)知識意義的主動建構(gòu)的過程。它強(qiáng)調(diào)該過程中學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)和背景非常重要，這是因?yàn)橹R來源于每個人的經(jīng)驗(yàn)和理解。例如學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到了實(shí)際問題，利用已有知識和教師的指導(dǎo)點(diǎn)撥使問題得以解決，學(xué)生同時構(gòu)筑了自己的知識框架。人本主義強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自我完善，要求教學(xué)活動的重點(diǎn)放在學(xué)生的身上，尊重學(xué)生們的意愿和情感以及在學(xué)習(xí)過程中地位的主體性，主張學(xué)生掌握正確的學(xué)習(xí)方法，從而進(jìn)行創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。采用“任務(wù)驅(qū)動”法設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在學(xué)生完成任務(wù)的過程中提取理論知識點(diǎn)，經(jīng)教師點(diǎn)撥和學(xué)生自主/合作學(xué)習(xí)，共同建構(gòu)其物聯(lián)網(wǎng)的知識體系。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在物聯(lián)網(wǎng)工程16級學(xué)生中發(fā)布，學(xué)生與指導(dǎo)老師充分溝通、自由組隊(duì)后，進(jìn)行自主設(shè)計和開發(fā)。教師向?qū)W生提供解決任務(wù)問題的有關(guān)線索，如提供開發(fā)板、芯片參數(shù)手冊、網(wǎng)絡(luò)資料、參考教材、撰寫研究報告可以查閱的數(shù)據(jù)庫等。學(xué)生與教師進(jìn)行定期會面，檢查項(xiàng)目進(jìn)度，解決疑難問題。同組學(xué)生分工協(xié)作，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由系主任和指導(dǎo)老師組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收，主要考核實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案講解、實(shí)驗(yàn)演示及回答問題，實(shí)驗(yàn)報告撰寫等，根據(jù)最終成績，學(xué)生將獲得相應(yīng)的創(chuàng)新分。

3.2 實(shí)施效果

⑴ 學(xué)生自學(xué)能力提升，學(xué)習(xí)熱情提高

實(shí)施本項(xiàng)目以來，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情很高，與老師討論活躍，遇到問題能積極主動地通過自主查閱資料、向老師請教、向公司人員請教等各種途徑獲得解決方案，自學(xué)能力和解決實(shí)際問題的能力都得到很好提升。

⑵ 學(xué)生創(chuàng)新能力提升

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以教師演示、學(xué)生跟做為主，導(dǎo)致學(xué)生只會按部就班地操作，缺乏自己的思考。實(shí)施本項(xiàng)目以來，學(xué)生能根據(jù)老師提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，靈活運(yùn)用所學(xué)知識，同時吸收新的技術(shù)，結(jié)合自己的創(chuàng)意設(shè)計和開發(fā)系統(tǒng)，創(chuàng)新能力得到很大提升。

⑶ 答辯效果較好，實(shí)驗(yàn)報告質(zhì)量提升

學(xué)生在答辯中能夠清晰表達(dá)自己的設(shè)計思路，多人協(xié)作完成作品展示。實(shí)驗(yàn)報告中都是自己的設(shè)計思路、自主編寫的代碼，記錄實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，撰寫實(shí)驗(yàn)體會。圖1（a）-（e）是答辯現(xiàn)場圖片和部分作品展示。一些作品經(jīng)學(xué)生持續(xù)改進(jìn)，還被用來作為“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽、互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的參賽作品。

4 結(jié)束語

以物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競賽和教師承擔(dān)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的項(xiàng)目為驅(qū)動，開展適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)與實(shí)踐，使得物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，創(chuàng)新能力提升，表達(dá)和文檔撰寫能力也得到了鍛煉，能夠更好地在專業(yè)領(lǐng)域勝任物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等工作，適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。未來將進(jìn)一步挖掘創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的素材，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，吸引更多優(yōu)秀教師參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和實(shí)踐。

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