物联网应用系统设计课程教学探讨

苏博妮　化希耀

摘要：该文针对物联网应用系统设计课程教学中存在的知识繁杂、学时紧张，导致的教学和学习效果差的现状，提出结合市场需求和自身实际，精简课程知识，在教学中以硬件平台为辅、侧重上位机应用开发，采用任务驱动式教学的教学思路和方法，并给出了基于任务驱动的教学应用思路。

关键词：物联网应用系统；任务驱动；项目驱动；教学改革；教学方法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）10-0140-03

Teaching Discussion on Designing System of Internet of Things

SU Bo-ni1， HUA Xi-yao1，2

（1.School of Intelligent Manufacturing， Sichuan University of Arts and Science， Dazhou 635000， China； 2.Institute of Dazhou Intelligent Manufacturing Technology， Sichuan University of Arts and Science， Dazhou 635000， China）

Abstract： This article aims at the current situation that the teaching of Internet of Things application system design course is complicated and the time is tense， which leads to the poor teaching and learning effect. It puts forward that combining the market demand and own reality， streamlining the course knowledge， supplemented by the hardware platform in teaching， focusing on PC application development， the use of task-driven teaching of teaching ideas and methods， and gives a task-driven teaching ideas.

Key words： Internet of Things applications system； task-driven；Project driven；teaching reform； teaching methods

一个完整的物联网应用系统分为三个层次：感知层、网络层和应用层，感知层主要用于识别物体和采集信息，核心的技术即传感器技术和RFID技术，涉及的自动感知设备主要有RFID标签和读写器、传感器；网络层主要将感知层获取的信息进行传输，核心技术有网络通信技术；应用层主要面向用户，是物联网与用户的接口，是各种面向企业行业的智能应用，一般用于展示感知层获取的信息或者对底层设备进行远程启动和控制，核心技术涉及各种软件开发技术，比如Android应用开发、javaweb开发技术等，其中以面向移动终端的安卓应用系统最为普遍[1-2]。从数据感知、传输处理再到控制，完成一个物联网应用系统所需要的知识涉及电子、通信、计算机等多个学科，因此要学习的专业课程和内容远远多于其他专业，要在有限的学时内，使学生掌握物联网系统概念和理论知识，具有物联网应用开发能力，其难度可以想象，《物联网应用系统设计》课程正是承载着这一任务，对于学生专业知识和技能水平的综合应用和提高意义重大。

1 课程教学目标及现状

《物联网应用系统设计》课程作为该专业的一门关键性的实践课程，以综合应用专业知识和技能，开发和设计物联网应用系统为目标，该课程一般在大三下學期开设，在学生系统地学习了电子电路、程序设计、单片机技术及应用、传感器技术、无线传感网络技术等课程后，通过该门课程使学生综合应用所学的知识和技能，能够设计完成包括感知层、网络层和应用层的物联网应用系统[3]。通过课程的学习，要求学生能熟练掌握使用软硬件开发工具进行物联网应用系统的设计与开发，能够熟悉物联网系统开发设计的流程。该课程的学习对于培养学生综合应用知识、提高实践应用技能都具有非常重要的作用，也为学生走上工作岗位打下良好的专业基础。

课程开设初期的定位是综合应用学科知识，通过完成一个完整的物联网应用系统，全面检验和提升学生的专业知识和技能，初衷是值得肯定的，但在课程具体实施的过程中，却发现要完成这样一个目标，无论是对任课教师还是学生来说，都是一个巨大的挑战。从学生层面来说，课程的学习目标是要完成一个完整的物联网应用系统，从学生掌握知识的角度来说，有三个层面的知识要求，首先需要学生在硬件方面掌握一定的电路设计和分析能力，具有较为熟练的单片机编程水平和技能[4]，其次要将感知层的数据传输到应用层，若采用wifi，ZigBee等无线传输的方式，因此学生必须掌握无线通信协议，路由协议及相关网络编程技术等，最后应用层如果要设计移动应用客户端，以广泛使用的Android系统为例，都要求掌握java编程语言和eclipse开发环境，要掌握UI布局，熟悉Android的通信机制、activity、service的生命周期等[5-6]。显然这是一个复杂繁重的学习过程，涉及的专业课程从软件到硬件，如果有哪一门课程不过关，都有可能导致学习过程难以继续，项目无法顺利完成，最终可能是囫囵吞枣，没有任何收获。从教师层面来说，大多数教师都有自己相对稳定的研究领域和专长，而该门课程涉及知识点跨越软件和硬件两个层面，涉及的课程更是包括了物联网工程专业的几乎所有的核心专业课程，这对于任课教师来说，很难面面俱到，无疑增大了授课难度，高校教师相对实践应用设计开发经验不足，这也极大的限制课程的实施方式，影响了教学效果，事实上，在实际的教学过程，这种定位的弊端越来越明显，教师授课难度大，学生学习吃力，学习效果差，意见多，导致课程排课困难，学生怨声载道，课程的教学改革迫在眉睫。

2 教学内容和教学方法的探讨

2.1教學内容的探讨

通过对物联网应用系统课程的分析，我们发现，初期设置时定位目标完成一个物联网应用系统在具体实施时困难重重，课程涉及知识点多，实践要求高，无论是学生还是教师都难以承受。综上，我们开始思考如何改革这门课程，首先就是从教学内容方面进行分解，确立一个相对稳定的研究方向，使得课程的学习和项目设计有所侧重，鉴于物联网专业的实践性、应用型较强，要确定一个合适的研究方向，使得学生和教师在教学和学习中有所侧重，从而减轻负担，提高实际的应用能力，而不是面面俱到，敷衍了事，因此我们进行了一系列的企业和市场调研，根据企业实训的项目特点和历届毕业生的就业方向和岗位进行和分析和调研，调研发现，毕业生的就业方向主要有有两大类型，即嵌入式应用开发和移动互联网应用开发，前者主要侧重硬件开发，从知识层次来说，要求掌握单片机技术、模拟和数字电路、计算机网络、汇编语言或者c语言等相关课程知识。后者主要是基于Android系统的应用开发，包括Android客户端开发和游戏开发。一般要求熟悉Android Framework，掌握UI布局，以及熟悉Android 的 Broadcast Receiver，Intent 等通信机制和 Activity、Service 的生命周期等内容，另外要求掌握JSP、ASP和java script等脚本编程语言，熟悉数据传输HTTP协议，至少掌握一种数据库的操作[7]。事实上，这两方面正是将我们初期对物联网应用系统课程的目标定位根据软硬件模块划分为了两部分。

鉴于我校的物联网工程专业是从计算机专业发展而来，教师的专业和能力擅长主要在软件方面，因此最后我们决定将物联网应用系统设计课程的项目方向以移动应用开发为主，硬件为辅。课程的教学内容主要以开发移动客户端为主，侧重学习Android应用开发技能，数据库的操作，数据传输协议等内容，考虑到较大数据库的存储和传输处理的需要，同时还介绍Web应用开发知识，比如javaweb、Apache Tomcat 服务器，My SQL 数据库等满足网络应用的需求。在实际的课程实施过程中，学院通过引进物联网实验平台，借助已有的硬件系统和平台，进行移动应用开发，通过这一改进，极大地降低了课程的难度，同时也发挥了教师的特长，学生既可以通过实验平台对物联网应用系统有一个完整的认识，又可以有所侧重，发挥软件特长，完成移动应用开发，摆脱了以往面面俱到的尴尬境地。确立了这样一个课程方向和目标之后，接下来就是要讨论具体的教学方法了。

2.2项目驱动式物联网应用系统设计课程教学方法

物联网工程专业的定位是实践应用型，因此学生实践能力的培养至关重要，而项目驱动式的教学模式正是长期从事这一领域的专家学者达成的共识。而且我校作为应用型本科，学生的基础底子差，因此培养和提高学生的实践技能也是教学的重点。而传统的教学模式，侧重理论或者由于学时的限制，导致实践机会被压缩，项目驱动式教学既可以满足学时的需要，而且通过项目演示教学，在具体的项目过程中参插进知识点，学生以任务为驱动，通过完成项目的阶段性任务，直观地看到任务的成果，学生有了成就感，积极性得到提高，学习效果也会更加明显。

项目驱动式教学的关键是要选择有实际应用价值的项目，因此教师进行项目设计时，要紧密联系实际，加强与企业的合作和交流沟通，对项目进行精心设计，比如环境监控，智能家居物联网行业的典型应用，要对整个项目的功能进行划分，根据功能模块的实现为目的进行教学，要实现这一功能模块需要什么技术和方法有针对性教学，教师教学对应相应的知识点，进行操作和讲解，学生以现有技术为基础完成功能模块，在完成过程中通过相互交流，上网查资料查书籍等方法进行学习，随着项目的完成和学习的深入，学生的学习兴趣和自信心就不断增强，在实践中学习，学习中实践，不仅使学生主动性增强，而且教学效果也显著提高[8]。

2.3基于项目驱动的教学过程

学院配置了物联网综合应用实验箱，项目涉及智能停车场，智能门窗，智能家居照明系统，室内环境监测等应用场景，硬件平台已经事先搭建好，可进行二次应用开发，用作本课程的基础平台。课程的任务就是在本平台的基础上，完成上位机软件的开发。首先由教师讲解整个应用系统功能和整体架构，根据硬件环境确定软件系统的设计目标，可根据设计目标进行功能分解，为了让学生建立完整的物联网应用系统体系概念，对于既有硬件平台和设备，侧重指导学生理解硬件电路工作原理，传感器应用模块的设计和传感器的应用等，以便于进行软件应用设计。在上位机软件设计过程中，着重加强学生对传感器数据采集的方法，数据传输和存储技术，在讲授过程中，着重加强学生对物联网的“网络”概念的认识，理解物联网系统架构，对下位机采集的数据如何进行传输，使用有线还是无线，是短距离传输还是远距离传输，采用哪种协议，掌握网络指令，路由协议等等，基于物联网应用需求的网络架构知识，zigbee协议及其组网知识等，通过实际项目的完成，培养学生解决问题的能力。

以物联网环境监测应用为例，要实现的主要功能就是基于各种传感器实现数据采集并利用无线传输或有线传输方式传到上位机显示，即设计开发软件客户端，能够获取传感器采集的数据进行显示，并根据需要进行监控和报警。在硬件模块主要包括温湿度、室内灯光，室内烟雾、人体感应等传感器节点，完成对室内环境的监测，并通过串口通信或者zigbee技术实现传输和控制，在这个过程中，课程涉及的传感器应用知识、数据传输和存储、数据库应用技术和软件编程知识等内容可以在项目完成过程中穿插讲解和学习，学生即学即用，在做中学，学中做，课堂互动增强，既简化了理论知识，也使枯燥的学习变得更加有趣，学生不仅掌握了必要的理论知识，实践技能也得到了锻炼。学生完成设计项目后，进行分组汇报，讲述自己的设计思路和观点，以及设计中用到关键技术和设计开发过程，同时其他同学积极参与讨论学习。通过这种学生讲授，教师引导和共同讨论的方式，极大的提高学生的学习积极性和学习兴趣，而课程的成绩由教师根据学生完成的应用系统和在设计中的表现进行综合评定。

3 结论

物联网应用系统设计课程是连接物联网理论知识和实践应用的一个桥梁，在整个课程体系中具有重要地位。结合实际就业和市场需求确立稳定的设计和研究方向是课程教学的根本，经过市场调研，结合我校实际，以硬件平台为基础，着重完成数据采集和上位机的显示及基于传感器数据采集的应用软件客户端开发，既简化了该课程的内容，也降低了难度，而以任务驱动式教学也极大了增强了学生的参与性和能动性，使得课程的教学效果和学生的应用开发能力都得到了提高。

参考文献：

[1]王金庭，杨敏.《物联网应用综合设计》课程建设的研究与实践[J].信息通信，2017（9）：279-280.

[2]邵星，王翠香.实践驱动的物联网工程专业人才培养模式研究[J].科技视界，2015（33）：74-79.

[3]李翔宇，曾燕清，陈志德.基于岗位需求的物联网工程专业实训教学体系建设思考[J].福建电脑，2016，32（9）：36-50.

[4]项慧慧，邵星，孟海涛，等.基于物联网应用驱动的《物联网通信技术》课程教学改革研究与探索[J].科技与创新，2017（11）：145-147.

[5]张韬政，杜怀昌，孟放.《物联网技术与应用》课程教学初探[J].科技创新导报，2017，14（1）：162-164.

[6]韩静.高校物联网应用技术专业实施应用型实践教学的方法研究[J].现代职业教育，2017（22）：94.

[7]罗保山，肖奎.高职院校物联网应用技术专业课程设置探讨[J].电脑知识与技术，2016，12（11）：77-79.

[8]马巧梅.物联网工程专业课程的教学探索[J].微型电脑应用，2014，30（6）：62-64.