以“学科竞赛”促进物联网工程教学

2019-04-28施赵媛刘桂江汪文明

安庆师范大学学报(自然科学版) 2019年1期

施赵媛，刘桂江，汪文明

(安庆师范大学计算机与信息学院，安徽安庆246133)

物联网技术[1]即通过传感器[2]、射频识别[3]等技术采集各类实时数据，并利用各种无线（如WI-FI[4]、Zigbee[5]、蓝牙[6]）或有线网络对采集到的数据进行传输，最后在应用层通过数据分析处理，实现远程监管、实时定位、智能控制等功能。2010年，物联网技术被政府纳入战略性新兴产业发展任务，2011年，物联网工程专业正式进入高校，因国家战略新兴产业发展需要，该专业旨在培养具备物联网相关知识和技能，尤其具备传感技术、数据处理技术、网络通信技术等领域的专业人才。近年来，为了适应新形势下高等教育改革发展需要，推动以学科竞赛为载体的第二课堂和第一课堂教学改革的良性互动，扩大学科竞赛覆盖面，各大高校都整合了已有竞赛资源，强化竞赛对学生实践能力、工程能力、创新能力的培养，学科竞赛无疑为物联网专业的改革注入了新的血液。本文主要介绍学科竞赛对物联网工程专业教学的促进和发展起到的重要作用，并提出几点相关建议。

1 物联网工程专业相关学科竞赛

近年来，随着各高校的积极组织、宣传及国家财政支持，很多高校都已形成了以学生为主体的国家、省、校三级竞赛机制，学生竞赛的种类和质量都在攀升，以安庆师范大学的物联网工程专业为例，在校、院等各级单位的积极组织下，该专业学生每年参加省部级以上的学科竞赛达到50人次以上，每年获得的省部级以上奖项均超过40余项。物联网工程专业学生可以参加的具体学科竞赛项目如表1所示。大部分竞赛不限定竞赛平台，只要指导教师和学生商定好竞赛创意后，自行购置相关器材，对创意进行实现，完成相应的文档、视频、PPT资料，并现场答辩即可。如“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛、全国大学生物联网设计竞赛（TI杯）、安徽省高校物联网应用创新大赛等，物联网的学生参加这类竞赛需要熟练掌握物联网三层架构中的传感器、组网、网络传输协议、数据处理、智能算法、自动控制等一系列知识。

表1 物联网工程专业可重点参加的学科竞赛一览表

还有一部分竞赛，竞赛主题明确或竞赛平台固定，如全国高校“创意创新创业”电子商务挑战赛，主要是要求学生根据大赛主题设计电子商务相关系统，如2018年大赛主题包括三农电子商务、工业电子商务、跨境电子商务、电子商务物流、互联网金融、移动电子商务、旅游电子商务、校园电子商务、其他类电子商务，此竞赛需要学生具备Android或IOS平台开发、网页开发等专业基础；安徽省单片机大赛是组委会直接命题，学生在规定时间内完成编程，评委根据实现效果现场打分，这需要学生具备扎实的单片机理论与实践基础；全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛，要求竞赛队伍能够紧扣竞赛主题完成竞赛作品，作品包括实物制作（含模型）、软件、设计和社会实践调研报告等，体现新思想、新原理、新方法及新技术，这需要学生具备一定电路设计、节能原理、模型设计、自动控制等方面的知识。

2 经典竞赛案例引入课堂教学

近年来，专业教师均有计划、有目的地将大赛成果运用于专业教学，将学科竞赛的作品搬上课堂，作为教学案例，实现“以赛促学”[7]。“红绿色盲”交通控制灯系统的项目曾经参加过TI杯全国大学生物联网设计竞赛，该项目针对色盲人士开发，通过对传统的交通信号灯进行改造，即在交通灯旁边增加一位数码管，通过它来显示当前交通灯的状态，并约定绿灯记为1、黄灯记为2、红灯记为3，以此来帮助红绿色盲患者清楚地识别出当前的交通灯状态。系统中应用了单片机的“中断”“定时器”“数码管显示”等重要知识点。在讲解单片机课程中AT89C51系统的应用设计章节时，可将其作为案例进行教学。

首先，向学生介绍系统的整体结构，以系统中一个十字路口的一个方向为例，应用3个LED灯分别显示红、黄、绿3种交通灯，另外，使用3个数码管，其中一个用于显示当前交通灯的状态，另外两个用于显示当前状态的剩余时间。约定它们正常运行的流程及时间为绿灯亮20秒，黄灯闪烁3秒，红灯亮23秒，绿灯亮20秒，然后引导学生思考：利用AT89C51为主控制器，该系统中如何设计和分配P2和P3口？系统中共需几个中断？是否需要定时器？若需要，定时器的工作方式、初始化及控制位如何设定？

学生进行思考和讨论后，可自行设计实现该子系统，其后，将参加竞赛作品的设计方法向同学们介绍。3个数码管采用动态扫描实现，采用两片锁存器芯片74HC573保障显示时间的两个数码管的正常运行，P2口的8位输出作为两位时间显示的段选，P3口的8位输出作为交通灯的状态显示的段选，它们的位选w1、w2和w3分别通过P1.3、P1.4和P1.3控制。控制时间的定时器采用定时器1的工作方式1，设置TMOD=0x10；给定时器赋初值即TH1=(65 536-50 000)/256;TL1=(65 536-50 000)%256，定时50 ms。

设计好系统后，要求学生运行Proteus软件，新建“具有红绿色盲患者使用功能的交通信号灯控制系统”设计文件；按照系统的需求，放置并编辑AT89C51CAPCRYSTAL RES 7SEG-MPX1-CC 7SEGMPX2-CC 74HC573等元器件；完成系统的电路设计后，进行电气规则检测，直至检测成功。进行仿真运行，具体仿真效果如图1所示。

图1 系统Proteus软件仿真结果

3 竞赛促进教学改革

随着国家、省、校三级联动，建立了一系列奖励机制，学科竞赛规模和覆盖面不断扩大，实现了由阶段性工作向常态性工作转变，由少数师生参与向全体师生参与转变，形成了良好的学科竞赛氛围，也带动了一系列良性效应。

3.1 竞赛促进物联网工程专业培养方案完善

学科竞赛给专业教师提供了走出去的机会，促进了与其他高校的交流及指导教师对竞赛项目中热门技术的了解和学习，通过历年来竞赛经验和教学的积累和总结，我校物联网工程专业的人才培养方案在不断完善[8]。例如：智能控制是各种物联网子系统中不可或缺的部分，智能家居中各种电器门窗的开闭控制、农业物联网中各种设备的开启控制等，在指导学生参加学科竞赛的过程中，每当遇到物联网控制问题，学生都需要花费大量的精力和时间，而且实现过程中经常会出现不稳定的状况，多次遇到类似情况后，经教研室教师讨论，并与其他高校进行交流发现，物联网控制类的基础课程确实需要开设，故在我校2018年的物联网工程人才培养方案中，已经增设了该类课程。

3.2 竞赛促进实验设备升级优化

为鼓励学生参加各类竞赛，学校和学院投入了专项经费支持，给学科竞赛提供了后期保障，更重要的是，各界对竞赛的重视有效地提高了专业课程中实践教学设备更新升级的速度。为了更好地锻炼物联网专业学生的综合实践能力，安庆师范大学为物联网工程专业配备了物联网实验室，每个上课的学生都能有一个试验箱，试验箱中几乎包含了搭建物联网子系统需要的所有组件；另外，建设了物联网综合实训实验室，包括智能物流、智能仓储、智能图书馆、智能交通等多个物联网应用系统；学校还建设了一套占地20多平米的智能家居系统，良好的实验设备配置是培养学生实践能力的基础保障。