基于国际合作项目的民族高校物联网实验课程之实践探索

丁 昊 石鸿凌 孙美静

（中南民族大学 湖北·武汉 430074）

1 课题的作用及意义

随着以“互联网+”为代表的新一轮产业革命快速发展，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中将物联网作为优先发展产业之一。中南民族大学电子信息工程学院开设的“物联网技术”课程是在“新工科”建设和卓越工程师教育培养计划2.0背景下，应运而生的一门新兴课程。

为了响应教育部提出的重大教育改革措施，面向国家战略性新兴产业发展需求，满足国际竞争新形势和立德树人新要求，我院提出当前工程教育的改革方向。其基本思想是，将本院相关专业学生培养成为能够将所学的物联网领域专业知识加以创新利用，并在实践过程中积极与身边的教师和同学合作探讨，在解决实际问题中自主查阅本专业科技前沿信息，满足经济社会发展和企业技术创新需要的高素质复合型工程技术人才。

1.1 研究目标

物联网课程开源教学软件坚持以人为本、以应用为中心、以物联网课程为基础，为物联网实验室的硬件设施提供相应软件资源。在物联网课程实验的开源教学软件设备中，将计算机作为智能控制功能部分整合到教学软件中去。它是整个教学软件的控制中心，可以管理整个系统的信息处理部件和对学生友好的交互页面。教学软件被固化在嵌入式系统中，学生用户一般不用重新编写基础程序，而是通过特殊的输入输出装置与嵌入式系统进行交互。学生可以利用教师提供的开源代码，根据教学内容编写软件程序。鼓励学生发散思维，将自己的创新性思想实现出来。

1.2 中南民族大学与法国高校国际合作概况

我校电子信息工程学院与法国克莱蒙奥弗涅大学ISIMA学院建立物联网国际教学和科研合作，以科研项目为抓手，以中外教师的学术互动交流为保障，紧密结合我校民族特色，在充分发挥办学优势的基础上，推动发展高校国际性和开放性。我校与克莱蒙奥弗涅大学于2018年签署了校级合作框架协议，教师团队所在的电子信息工程学院与法方ISIMA学院签署了教师科研和教学合作协议。目前实行研究生联合培养项目，中方大学硕士生有一年的时间学习法方大学课程，并进行科学研究，凡是各科成绩合格的学生，再顺利通过硕士答辩就可以同时获得克莱蒙奥弗涅大学和中南民族大学双硕士学位。2020年项目正式开始实施，已有2位硕士研究生修满法校学分并顺利通过法方的硕士答辩，预期于2022年获得双方硕士学位。2021年，中方下一批3位硕士研究生已经选拔出来参加该项目。2022年法方也将有2位硕士研究生前往中南民族大学学习。双方从科研合作为起点，逐步形成了研究生教学为节点，以双方资源、信息交流为纽带向本科教育渗透，努力探索一条有民族学校特色的课程国际化发展道路。

1.3 拟解决的主要问题

由于国外芯片商业化程度较高、拥有良好的开发环境、在经过多年使用后的物联网嵌入式系统功能较为完善，物联网课程实验的教学软件普遍基于国外芯片。虽然教育软件采用的开源系统不涉及国家安全的领域，但是贸易战的发生敦促教学团队考虑自主开发教学设备。实现思路大致为，借鉴国外教学软件的技术架构，根据受教用户的需求和实际使用场景，采用具有中国自主知识产权的核心配件开发更适合我院学生的教学软件。

目前的教育平台采用的软件普遍不具备开放性。教师团队将采用开源资源研制开发教学软件平台，学生用户可以根据自己的需求对软件程序进行自由裁剪和配置，使得系统可以适应不同的用户，体现学生在教学活动的中心地位。

力图基于电子信息工程学院的本科生培养方案建设完善的本地化课程，使得面向物联网课程的开源教学软件可以为物联网相关课程提供配套的软件资源，将软件资源和现有硬件教学资源紧密结合起来，利于教师开展更为完备的教学活动。

在自主开发的开源教学软件基础上，提供更符合当前物联网技术发展潮流、更利于学生理解和吸收的实验教程和相关程序，进行针对应用的实验设计和实验教学探索，编写与学生能力相适应的实验教案，将理论与实践有机地结合起来，培养物联网关键技术应用能力人才。

1.4 理论课程具体研究内容

正确定位国际化背景下物联网课程，其教学需要在内容和模式上进行探索转变，学生对知识的理解掌握才是国际化背景下物联网课程教育教学根本，推动学生对整个学科在国际化背景下的科研和工程问题的解决才能真正实现新工科要求的复合应用型人才培养目标。

本课程旨在向学生系统、详细地介绍物联网的体系结构、关键技术、主要应用等。由于物联网技术涉及的专业知识较广，内容较丰富，且物联网课程是一个软件工程、网络通信、电子工程多学科交融的与应用密切相关的交叉学科，跟其他技术联系紧密。要改革教学模式，增加教学辅助材料，充分利用网络在线资源，从中筛选出符合新工科发展要求、能够提升学生工程实践素养的内容，将它们引入到物联网课堂教学中去。理论课程采用多媒体课件的方式进行讲授，形式生动形象，可以激发学生的学习兴趣，缓解课时紧张的问题。而解决实际应用问题的实验课程与理论知识的讲解课程相穿插，学生在学习到新知识后，马上就可以自己动手解决融入了理论知识的应用实验问题，加深对理论的理解。

1.5 实验课程目标

物联网课程是一门应用性极强的交叉学科，涉及知识更新较快，与实际应用联系紧密，理论授课内容结合教科书和相关研究期刊归纳综合，授课内容能够反映本学科实际发展历程。而课程实验采用案例教学，结合工程实际问题讲解物联网的基本组成和工作原理，学习物联网的基本设计方法与开发方法，培养学生的工程思维方式。教学案例将应用场景的工程实践方案结合科学原理讲解，引导学生应用基本理论知识对系统进行量化设计。

目前国内的物联网课程教学存在缺陷，其中较为突出的就是缺老师、缺教具、缺教学资源的三缺问题，现拟从这三个方面推进我院物联网课程教学模式的转变，提高授课教师的能力，研制物联网开源软硬件教学平台，补充与当前已有的硬件教学设备相配套的软件教学平台资源。

通过案例教学，学生能够使用计算机等工具对物联网相关问题进行仿真环境搭建与模拟研究，掌握阶段性的模拟器和仿真器的设计能力，激发学生的学习兴趣，锻炼学生的工程思维方式，学习相关专业的研究方法，培养高质量的工程技术人才。

2 课程实验方案设计

课程实验基于一个服务物联网课程实验的开源教学软件平台。开源教学软件将为物联网课程理论和技术的研究工作提供支持，学生将通过实验对物联网在环境监测、智能农业、远程医疗监测和智能交通等领域的应用积累技术基础和经验，掌握数字信号的理论和应用，保证理论学习的顺利进行。教师团队参与过物联网节点和网络协议的开发，这些经历为教学软件的顺利开发提供了宝贵的经验，可以高速准确的完成软件的建构和性能验证。具体教学案例如下：

2.1 空气质量监测系统

基于教师团队在欧盟H2020 Captor项目里开发的低成本空气质量监测节点，实时监控大气中CO、NO和NO2成分。学生通过学习贴近实际应用的实验案例，深刻理解多核结构系统在户外工作的恶劣环境下如何更可靠地持续运行，高度模块化设计支持更多类型的传感器数据，鼓励学生使用节点采集的数据，开发自己的应用，提高学生对课程的学习兴趣，发挥学生自主探求知识的主观能动性。

2.2 智能灌溉系统

了解土壤粘土基本性质与电荷、离子交换、土壤结构的形成的相关信息。掌握土壤湿度的各种测量方法技术，学习土壤温度和湿度传感器的基本知识。构造土壤含水量和电荷电压模型。利用物联网与互联网建立智能灌溉系统模型，学生通过ZigBee网络将观测数据上传至远程服务器，利用手机等智能设备访问服务器查看相关数据和控制浇水，系统能够实现实时监控与远程人工干预的混合控制模式。

2.3 无源定位系统

针对单个或者多个无源目标，使用节点的无线通信信号观测量对其进行定位和跟踪，验证节点所处多径环境造成的系统可靠性以及复杂度之间的矛盾，基于反映各个传输路径的影响因子的统计模型来描述目标的空间特性，探讨目标运动状态对接收无线信号的影响。该实验结合物联网提取出对应不同视觉问题所需的扰动信息，用图像的形式显示估计目标在区域内的位置信息，而在传统的无线通信中，这些影响是被视为对传输性能不利，需要被抑制或消除的部分。

2.4 古建筑火灾监测

基于2019年法国巴黎圣母院火灾事件，针对中国现存的古建筑多是木结构或砖木结构，极易引起火灾的特点，采用基于多传感器信息融合的方法来监测古建筑火灾，拟利用红外热成像仪和高清摄像机对古建筑内的火灾高风险区域进行实时监测，同时拟集成空气温湿度、烟雾浓度和烟雾粒径、设备温度、剩余电流、电弧监测等各种传感器并对这些多源异构的信息进行融合处理，进而及时发现各类火灾隐患以及火灾前期的各种特征信息，达到提前整改、预警和报警，降低火灾事故的发生，帮助古建筑远离火灾的威胁目的。

3 项目总结

3.1 研究重点

将物联网课程的理论教学内容与教师团队开发完备的硬件平台结合起来，在编写课程实验内容时，既要对应相关知识点、合理地设计实验内容，又要密切跟踪最新的科研和工业动态。基础实验和拔高实验相辅相成，基础实验夯实理论课程的基础，拔高实验提升学生对课程的兴趣力，使课本的内容鲜活起来。

3.2 特色与创新

课程实验的所有软件开发都是基于工程教育认证体系要求，将工程教育认证体系下的物联网专业课程的知识贴合适合学生学习的知识点，将课堂教学的理论知识与实践相结合，让学生基于物联网课程实验核心组件进行软件开发，从而掌握实验课程的整体流程，提高学生的动手能力，部分实验考虑结合教师的研究项目内容，紧贴最前沿科研与工业成果，从而达到拔高优秀学生的目的。

3.3 作用与意义

课程实验有利于培养工科学生在物联网工程与实践方面的专业素质和能力。实验课程对接物联网产业技术前沿，不仅提高学生在物联网领域专业技术，还能培养学生对于复杂工程问题的分析能力和解决问题能力。构建基于线上和线下学习相结合的教学方法，增加引导学生开展基于工程实际的项目，以此提高学生的学习兴趣，充分发挥学生的自主学习能力，提升其解决实际工程问题的能力。

开展物联网实验课程的国际化探索，有利于丰富教学资源，探索建立具有国际化特色的教学团队建设，实施科研和教学交替的模式，弥补电子信息工程学院师资在课程教育上面的不足。