项目化的物联网教学模式研究

丁洪伟， 杨 超， 赵一帆， 李 波， 陈 春

(1.云南大学 信息学院, 昆明 650000)(2.云南民族大学 电气信息工程学院, 昆明 650000)(3. 云南民族大学 应用技术学院, 昆明 650000)

物联网技术(Internet of Things，IoT)是指把传感设备通过信息传播媒介按照一定的协议与网络相连并进行信息交换和通信的技术[1]，广泛应用于智慧城市、智能家居、智慧工厂和安防等领域。我国物联网产业一直保持高速增长，目前正迈入“跨界融合，集成创新、规模化发展”新阶段[2]。此外，得益于5G网络的高速率、低延时、低功耗等优点，5G网络的普及必将带来物联网设备的爆发式增长[3]，使得人类实现万物互联的愿景成为可能。

物联网设备的爆发式增长将带来巨大的物联网人才缺口，为解决这一问题，近年来众多高校开设了物联网相关专业，且大多数高校的培养模式仍为理论教学和实验结合的方式。然而，实验和项目开发有较大的差别，以至于学生即使精通所有的课程实验后仍无法完成一个物联网项目的开发，也就无法满足现代化企业中物联网相关岗位的需求[4]。因此，本文提出一种项目化的物联网教学模式，把物联网教学和项目开发相结合，旨在使学生在项目开发过程中全面了解物联网体系架构，掌握物联网项目开发技能，锻炼团队协作能力、巩固所学知识，培养符合社会需求的物联网研发人才。

1 传统的物联网教学模式

在传统的教学模式中，学生大部分时间都花在理论学习上，且通常在期末前2～3周才进行物联网试验教学或相关的课程设计。然而，物联网专业是一个实践性较强的专业[5]，传统的教学模式存在以下突出问题：①学生的积极性不高：较多的理论学习和枯燥的实验容易让学生产生厌学情绪，以至于无法积极主动地投入物联网相关技术的学习中去；②学生发展目标定位不明确：物联网专业应培养能进行物联网相关项目开发的人才，而单纯的实验并不能达到此要求；③课程体系不合理：物联网属于交叉学科，要注重课程体系的交叉融合，仅开设部分核心课程是不够完善的[6]；④实践教学不完善：物联网专业实践性较强，且紧跟时代的发展。目前大多数高校的实验设备较为陈旧，学生无法接触到物联网前沿技术。此外，较多的理论课程使学生疲于应试，无法把更多的精力投入到实践环节；⑤培养出的人才无法满足现代化企业需求：由于大多数学生对物联网的认识仅停留在理论知识和实验结果上，对实际的物联网项目开发还没有系统的了解，无法直接进行物联网项目开发。

图1 传统物联网教学模式

如图1所示，在传统教学模式中，学生成绩主要根据理论课的作业完成情况、理论考试成绩和实验完成情况来进行综合评估，且大多数高校的理论考试成绩占总评成绩的70%～80%，这从侧面降低了学生对于实践学习的积极性，并不利于学生动手能力的培养。此外，传统教学模式中实验部分抄袭情况较为严重，大多数学生并不能理解每项实验的基本原理。

2 项目化的物联网教学模式

项目化的物联网教学模式有效地弥补了传统教学模式的不足，它将物联网项目开发作为教学的重要组成部分，以培养适应现代化企业的物联网开发人才为目标，在项目化教学过程中培养学生的项目开发能力、团队协作能力、创新能力和发现问题及解决问题的能力等。

图2 项目化教学模式

项目化教学模式如图2所示，相对于传统的教学模式，项目化的教学模式更加注重学生对物联网项目开发能力的培养，同时在进行项目开发前对相关理论进行学习是必要的。项目化教学模式中的项目开发部分主要由以下步骤组成：①项目开发前，由教师对相关项目做整体介绍，主要介绍项目的背景、用途和社会价值以激发学生的兴趣(教师应提供多个典型的物联网项目供学生挑选)；②教师对物联网项目开发技术做系统讲授，主要是对物联网体系架构、各层开发方法以及相关的开发技术做简要介绍；③学生以小组为单位独立地进行项目开发，由组长负责为每个组员分配具体的开发任务；④教师对项目开发过程中的问题提供指导，帮助学生解决问题，在讨论问题的过程中加深学生对相关知识的理解；⑤项目开发完成后以小组为单位进行项目汇报，主要包括项目的完成情况、组员分工情况、实现的基本功能以及项目创新点等。教师根据整个开发过程中学生的综合表现情况来进行评分，并不仅仅只看项目结果，更应注重学生项目开发过程中的实际工作量和项目的创新性，避免传统教学模式中抄袭情况发生。此外，教师应调整理论课成绩与项目开发成绩占总成绩的比重，以各占50%为宜，从而体现物联网专业实践能力的重要性。

3 物联网项目开发实践

为验证项目化教学模式的有效性，本节以一个具体的物联网项目(智能家居安防监控系统)为例，探究物联网项目开发与物联网教学的融合方法。

3.1 项目介绍

项目开发前教师应对项目的背景、应用场景以及社会价值做简要介绍，以激发学生的项目开发兴趣。智能家居安防系统是通过无线传感网络把各种传感模块连接起来，能对家庭环境进行有效监测和控制并且具有报警功能，形成一个具有防火、防盗和预防各类安全事故的智能安防系统。智能家居从20世纪末开始发展，如今已走进千家万户并获得了广泛应用，随着5G技术的到来，智能家居必将迎来发展的春天，将会给人们的日常生活带来极大的便利。智能家居安防系统即保障了人们的生命财产安全，又对建筑楼宇本身的安全性提供了保障[7]，有效避免各类安全事故发生，具有较大的社会价值。

3.2 物联网项目开发技术讲授

项目开发技术讲授方式为：介绍物联网体系架构，并在该架构的基础上具体介绍每一层的开发方法，使学生系统地学习物联网架构并了解必要的开发技术、搭建开发环境，为后续项目开发做准备。

1) 物联网体系架构

物联网体系架构如图3所示，由感知层、网络层和应用层组成[8]。感知层主要由各类采集数据的传感器和传输数据的无线传感网络组成，传感器负责采集室内的安防信息，传感网络负责传输传感器所采集的信息和下达相关指令。其中常见安防类传感器主要有：烟雾传感器、火焰传感器、人体红外传感器等，常见的无线传感网络主要有ZigBee、NB-IoT、WiFi等；网络层主要由互联网及一些异构网络组成，主要负责将感知层的数据上传到物联网云平台供应用层使用或通过应用层向感知层设备下发指令；应用层主要是为人们提供一个查看数据以及下达指令的平台，它是构建于物联网平台(如华为的OceanConnect物联网平台、中国电信的CTWing等)的基础之上的，开发者只需在这些平台上开发专属的Web应用程序和APP即可。

图3 物联网体系架构

2) 开发方法

教师应引导学生严格按照图2所述物联网架构进行开发，以建立对物联网架构的整体认识。

在项目开发前，应根据物联网体系架构和项目所要实现的功能确定一个项目方案，以供后续项目开发指导，方案确定流程如图4所示。首先需明确系统的基本功能，作为教学而言，教师应规定一些系统必须实现的基本功能，如智能家居安防中的烟雾报警、温度监测等功能如图5所示；然后根据所确定的功能选择对应的传感器，如温度监测就选择温度传感器；传感网络的选择需要考虑功耗、数据率和价格等因素，其中ZigBee因其低功耗、低成本的特点广泛应用于智能家居场景中；物联网平台和监控系统可根据实际情况选取，学生最好选择自己比较熟悉的平台进行开发。

图4 确定项目方案流程

图5 系统功能

3.3 项目开发指导

项目方案确定之后就可按此方案进行项目开发指导，教师把学生分组(每组4～5人为宜)并选出组长，由组长把项目分工，确保每位同学都能参与到项目开发中，充分调动学生的积极性。本节以项目开发过程为例，主要介绍硬件设计、软件设计和监控系统设计。

1) 硬件设计

系统硬件设计如图6所示，包括各类采集信息的传感器、嵌入式无线射频芯片(例如CC2530)和无线网关(例如NB-IoT)等。此部分要求学生有一定的嵌入式开发基础，教师应向学生讲解物联网项目硬件部分的基本构成，包括单片机最小系统、传感器、无线网关等，以及各模块间的连接方式，为学生构造硬件部分的开发框架，学生则可以在此基础上创新。

图6 硬件设计

2) 软件设计

这里所说的软件为运行在嵌入式设备中的程序，即通过编写对应的程序来驱动传感器采集数据以及控制各物联网设备间的数据传输。

如图7所示，教师应讲授用C语言编写硬件驱动的基本方法。此外，根据所选无线传感网络的不同，应采用不同的传输协议，教师应引导学生在满足基本要求的前提现选择开发难度小、开发周期短和较容易上手的通信协议。智能家居安防系统选用技术成熟且稳定的Z-Stack协议栈来搭建ZigBee网络[9]。

图7 系统软件

3) 监控系统设计

监控系统可选择手机APP、Web应用程序和电脑桌面程序，考虑到监控系统开发的复杂程度和学生上手难易程度，智能家居安防系统选用较为简单的Web应用程序。

如图8所示，Web应用程序的开发需用到前后端知识，后端用于与云服务器交互并处理感知层上传的数据，前端则提供显示数据的界面。为简化开发难度，前后端均采用现有的框架进行开发，其中后端采用SpringMVC框架，前端采用Vue框架。此外，学生还应了解HTML、CSS、JavaScript[10]等语法知识以提高开发效率，教师应对上述基本编程语言和开发框架做简要讲授，并提供相应的服务器接口支持。

图8 监控系统

3.4 项目开发实战

教师完成项目开发指导后，学生即可按照所确定的项目方案进行项目开发。组长根据本组所选的项目主题和组员的开发经验分配任务，确保每个组员都能参与到项目开发中。教师在这一过程中主要职责是为学生提供全方位的指导，及时纠正项目方案的不足、任务分配不合理的情况，同时对学生提出的问题予以解决。

3.5 项目汇报

在传统教学模式中，学生完成实践部分的依据为实验结果和实验报告，这种教学模式相对封闭，学生之间不能共享实践中的操作心得，报告内容千篇一律，部分学生还存在抄袭的情况。在项目化的教学模式中，教师应要求学生以小组为单位进行项目汇报，汇报内容包括：项目方案、任务分工、实现的功能、遇到的问题、解决方案以及项目创新点等。教师根据项目结构的合理性、实现的基本功能以及项目创新性进行评分，同时汇报结束后应及时纠正项目方案中不合理的部分，并提出一些改进意见。

4 项目化教学模式评价

4.1 项目化教学模式的优越性

与传统教学模式相比，项目化教学模式充分调动了学生的积极性，使每位同学都能参与到物联网项目的设计与开发中，这两种教学模式的比较如表1所示[11]。

表1 项目化教学模式与传统教学模式比较

从表1可以看出，项目化教学模式在教学目标、教学形式和教学内容等方面均优于传统教学模式。项目化教学模式更加注重知识的理解以运用，在此教学模式下将促使学生全面发展，学生在项目开发能力、团队协作能力和创新能力等方面都会有较大提升。

4.2 课程达成度

为了评价此教学模式的实际效果，笔者在本校物联网工程专业进行了教学模式改革实践，通过学生在课程设计过程中的综合表现和最终开发的物联网项目对教学效果进行总结。在进行项目化教学过程中，学生的主动性显著增强，学习效率获得较大提升，主要表现为：①90%的学生能够掌握物联网项目开发流程和开发技术；②充分发挥学生在教学过程中的主体地位，对教师依赖明显减少；③60%的学生具备了攻坚克难的能力，能独立解决项目开发过程中所出现的问题；④学生的创新能力和团队合作意识显著增强。总之，项目化的物联网教学模式全面激发了学生创新精神和学习积极性，培养了学生的物联网项目开发能力和团队合作能力，为后续进行物联网项目实战开发奠定了坚实的基础。

5 结语

项目化的教学模式把工程项目案例与物联网教学相融合，彻底改变了传统教学模式中单向的知识传输方式，更加注重学生综合能力特别是项目开发能力的提升，旨在培养出适应现代化企业发展的物联网项目研发人才。本文首先分析了传统教学模式的不足，然后提出一种项目化的教学模式，并通过一个物联网项目(智能家居安防系统)的设计具体说明了项目开发和物联网教学相结合的方法，最后把传统教学模式和项目化教学模式作对比，突出项目化教学模式的优越性。