电气信息类专业物联网应用实践教学改革

2019-03-29陈波李琦赵建敏王月明

物联网技术 2019年2期

陈波李琦赵建敏王月明

摘要：针对社会对物联网人才需求的日益提高，结合电气信息类专业实践教学经验，进行面向应用的物联网实验教学体系的改革与探索。通过研制综合实验系统，设计层次化实践教学内容，完善实践教学管理模式，改进实践教学效果。实践结果证明，通过实验教学改革，有效调动了学生学习的积极性和创造性，提高了综合运用物联网的能力，拓宽了就业面，达到了应用型人才培养的要求。

关键词：物联网;实践教学;实验平台;人才培养

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）02-0-04

0 引言

物联网指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，是在互联网基础上延伸和扩展的网络[1]。工业和信息化部《物联网“十三五”发展规划》中指出，“十三五”时期，我国经济发展进入新常态，创新是引领发展的第一动力，促进物联网、大数据等新技术、新业态广泛应用，培育壮大新动能成为国家战略[2]。物联网是在计算机、电子信息、通信工程、传感技术等相关学科基础上发展起来的新兴学科，具有知识结构复杂、跨学科领域多、新技术不断涌现等特点。因此，针对物联网核心技术和典型应用的研究开发成为各高校和相关企业的重要工作，也成为各高校相关专业教学和科研的新方向[3-4]。

物联网技术具有综合性强和应用面广等特点，更加注重工程实践能力、工程创新能力和综合素质的培养，因此物联网实践教学环节在人才培养中起着至关重要的作用[5-6]。我校物联网教学是在嵌入式系统相关课程基础上逐渐发展起来的，并且随着物联网技术的飞速发展，教学过程中的诸多环节需要进一步探索与改进。由信息工程学院科研和教学经验丰富的专业教师组成物联网课程教学改革项目团队，在总结以往实践教学经验的基础上，将科研工作中的物联网技术引入实践教学，针对目前物联网技术的发展和应用，在物联网实验平台研制、实验课程体系设计、实训教学管理等多方面进行有益探索和尝试。

1 物联网综合实验平台设计

目前，已有的实验教学设备技术相对落后、功能单一，大多只针对一种技术或一种微处理器开展，无法满足不同年级、不同层次学生需求多样性的问题。物联网技术涉及面广，新技术层出不穷，工程项目中已广泛使用各种有线和无线通信方式，如WiFi、以太网、ZigBee、蓝牙、GPRS等。现有实验设备缺乏相应内容，大多仍然停留在理论教学、概念认知的層面，并未在实践教学中得以体现。立项之初实验设备的更新换代便成为项目团队首要解决的问题。

项目团队前期进行了大量调研，走访知名高校，同时了解相关厂家实验产品情况。许多实验平台重点关注培养物联网三层架构中感知层和网络层的技术，较少涉及应用层数据处理和上层用户接口，学生难以体会到完整的行业应用过程。高校中现有的物联网实验平台主要是面向研究生的科研型平台，面向本科生的实验教学型平台较少[3]。项目团队成员具有丰富的理论和实践教学经验，近年来主持或参与过多项物联网相关科研课题，积累了丰富的工程实践经验。通过反复论证，最终决定自行设计研制物联网实验教学平台。经过近三年的研发，不断改进与完善设计内容，物联网综合实验系统现已研制成功并正式投入实践教学。

物联网综合实验系统由物联网综合实验箱、服务器数据中心和手机客户端三部分组成，整体结构如图1所示。系统按照物联网分层结构分为感知层、传输层和应用层[7-8]，物联网综合实验箱涵盖感知层和传输层，应用层由服务器数据中心和工作站以及手机客户端组成。服务器数据中心提供数据存储和数据服务功能，手机客户端实现远程数据访问。

感知层由多种传感器、远程控制执行器、射频识别读写器、二维码扫码枪、近场通信模块和GPS/北斗定位模块组成。

传输层支持以太网和GPRS远程传输方式，以及WiFi、蓝牙、ZigBee近程传输方式。

物联网应用层在服务器上基于Nginx搭建数据中心，应用Flask框架[9]开发后台服务，基于vue.js技术[10]开发手机端应用程序。

实验系统采用可插拔模块化设计，提供多达16路传感器，设备资源可根据实验场景需要自由组合。实验箱提供STC15单片机、STM32微处理器和树莓派三种主控制器以供选择，解决不同年级、不同层次、不同专业学生对硬件处理器平台熟悉程度不同，需求多样性的问题。本文实验系统特别针对现有实验平台通信模式单一的问题，在实验系统中集成了目前实际工程中已被普遍应用的多种有线和无线通信解决方案，培养学生驾驭各种传输方式及通信协议的能力。与物联网综合实验箱配套，实验系统加入后台服务器和手机客户端等硬件资源构成完整的物联网开发平台，加强学生对物联网应用中后台服务器端软件开发以及移动端应用开发内容的理解能力，帮助学生培养利用物联网系统性解决问题的能力。物联网综合实验系统基本涵盖了物联网应用的主流技术，可支持多种物联网架构，满足本科生基础课程实验、课程设计、综合实训和提供课外科技创新平台的需求，同时也可作为研究生开展科研项目的原型设计研发平台。

2 物联网基础实验项目设计

物联网综合实验系统融合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术[11-12]，面向信息工程学院自动化、测控技术与仪器、建筑电气与智能化、通信工程、电子信息工程、计算机及电气专业，服务于微型计算机原理、嵌入式系统、智能仪表、物联网、智能家居、建筑智能环境学等相关课程。从物联网工程应用的角度，对物联网相关技术进行细致梳理，将可开展的实验项目与对应的专业课程进行划分。电气信息类专业根据人才培养目标的不同在选择实验内容和实验项目时可有所侧重。

物联网实验内容既要按照不同技术层面设计分门别类的基础实验内容，又要重视学科之间、技术层面知识之间的内部逻辑联系，设计层次化的实验体系[13]，注重不同学科知识的融会贯通。物联网实验体系分为基础实验和专题实训，其中基础实验项目见表1所列。

为便于学生掌握物联网技术要点，理解物联网工程实施过程，在具体组织物联网相关实验时打破原有课程体系，将物联网实验内容按照物联网三层结构的逻辑关系重新划分为感知识别实验、网络接入实验和综合应用实验三部分[14]，对不同年级和专业的学生可分阶段循序渐进地开展物联网技术学习与训练。

物联网感知实验包括微处理器基础应用实验及传感器与感知实验两部分。在学生掌握微处理软硬件开发技术的基础上，加深对传感器网络的认识与理解，重点在于让学生了解常见的传感器原理，掌握传感器网络节点实现方法，能够对采集数据进行处理、存储与显示，为后续应用打好基础。

网络接入实验包括通过以太网、串口通信的有线接入实验和通过WiFi，GPRS，蓝牙，ZigBee等无线网络接入与组网实验，以及RFID和近场通信实验。此部分内容重点让学生理解无线和有线网络通信原理、网络协议及组网技术，学会灵活运用多种技术手段搭建物联网系统，实现采集数据的有效传输。

综合应用实验包括数据中心服务器和手机端应用开发两部分内容，具体包括服务器数据库搭建实验、后台服务器程序设计实验、上位机监控界面设计实验、手机端APP开发、数据监控及远程控制实验。此部分实验要综合运用传感器器件，构建无线或有线通信网络，并开发上层应用软件，模拟完成一个真实的物联网应用系统。

3 物联网专题实训项目设计

实训作为实践教学系统中的重要一环，在电气信息类各专业的人才培养中起着至关重要的作用。通过实训，学生将所学理论知识与实际需求相结合，真正做到学以致用，实现对创造性思维与工程实践能力的培养，提升教学系统的教学质量[15]。

3.1 专题实训项目

物联网实训题目主要来源于教师科研项目，选取具有典型代表性的题目作为实训内容，每个项目都能自成系统，而且涉及的技术要点能够覆盖物联网感知层、网络层和应用层，能够体现物联网课程教学内容。已投入实施的8个专题实训项目见表2所列。

3.2 实训过程管理

为保证实训项目的有效实施，达到预期的教学效果，项目团队在实训教学过程管理模式方面也进行了探索。学生以小组为单位分配实训题目，组内成员再分工合作共同完成实训任务，这样既可以让小组中每个学生都得到锻炼，而且大家都对物联网工程项目有了整体认识与系统性理解。每个项目配备一名指导教师，负责项目过程的指导与监督。实训题目在实训验收前两个月布置，要求每周汇报一次进展情况。同时，指导教师定期进行指导与答疑，并通过微信群等形式及时与学生沟通，解答学生在实训过程中遇到的问题。对实训相关的开发技术分单元模块进行培训，并利用网上微课平台分享课件与技术资料，提高学生的学习效率。最终实训验收环节以答辩形式进行，学生进行现场实物演示与设计内容介绍，通过问答环节考查每一名学生对物联网技术内容的掌握情况。

通过加强实训过程各环节的管理，师生之间通过多种途径互动交流，学生的学习热情被充分调动起来，经常利用课余时间自发组织小组内部讨论，每次答疑学生都积极参加、踊跃提问。通过实训过程的集中训练，学生能够完整地体验物联网项目的实施过程，从采集节点硬件搭建、无线网络组网、服务器后台程序设计到手机APP开发，物联网主要技术内容都得到了较深入的学习实践，对学生的工程实践能力、综合应用能力、团队合作意识都是一次很好的提升。

4 结语

本文结合电气信息类专业特点，对如何开展物联网应用实践教学进行了有益的探索与尝试，不但自行设计、研发了物联网综合实验系统，完善、丰富了实验教学条件，同时对涉及物联网技术的课程内容进行了深入整理，提出层次化的实验教学内容，尤其对专题实训环节项目选题、过程管理等进行了深入探讨。项目成果已在內蒙古科技大学信息工程学院自动化专业微型计算机技术应用实训以及建筑电气与智能化专业连续两届毕业设计中应用实施，取得了良好的教学效果。

参考文献

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[3]安健，桂小林，杨麦顺.面向物联网工程专业的层次化实验教学体系研究[J].实验室建设与管理，2016，33（10）：245-248.

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