竞赛和项目驱动的物联网应用创新实验建设与实践

李燕君 徐新黎

摘  要： 针对物联网工程专业实践教学中存在实验技术手段单一陈旧、验证型实验偏多、创新性不足，不能适应物联网新技术发展等问题，以物联网学科竞赛和教师承担的物联网相关项目为驱动，开展了适应物联网新技术的应用创新实验建设与实践。建设内容包括创新实验内容设计、实验模块和平台研发以及实验指导书撰写。通过该创新实验建设和实践，物联网工程专业学生的学习兴趣增强，创新能力提升，表达和文档撰写能力也得到了锻炼，能够更好地在专业领域胜任物联网技术应用等工作，适应技术进步和物联网产业发展需求。

关键词： 创新实验; 新工科; 竞赛和项目驱动; 物联网工程

中图分类号：TP393          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2021）12-117-04

Abstract： In view of the problems in the practice teaching of the Internet of Things （IoT） engineering specialty， such as single and obsolete experimental technique， overmuch confirmatory experiments， insufficient innovation， etc.， it cannot adapt to the IoT technology development. Driven by the IoT discipline competition and IoT-related projects undertaken by teachers， the construction and practice of innovative experiment adapting to the new technology of IoT are carried out. The construction contents include the design of innovative experiments， the research and development of experimental modules and platforms， and the writing of experimental instructions. For students majoring in IoT engineering， through the construction and practice of the innovative experiments， their study interests have been aroused， their innovation ability has been improved， the skills of presentation and document writing have been exercised and they can be better qualified for IoT technology application and other work in the professional field， so as to adapt to technological progress and the development needs of the IoT industry.

Key words： innovative experiment; Emerging Engineering Education; competition and project driven; IoT engineering

0 引言

近年来，物联网领域的发展突飞猛进，在感知、通信组网、信息处理和应用服务等方面都涌现了大量新技术和新方案[3]。例如，在感知方面，除了采用传统的微传感器采集感知数据，还出现了以RFID、Wi-Fi为终端的无源感知和智能多模态感知;在通信组网方面，传统的短距離组网技术如Zigbee、蓝牙等已逐渐被低功耗广域网技术如NB-IoT、LoRa[4]等取代;在信息处理方面，云平台的普及、数据挖掘和人工智能技术的发展，为数据存储及处理带来了新思路;在应用服务方面，物联网技术涉足的行业应用越来越丰富。物联网工程专业的培养目标之一就是使学生在专业领域胜任物联网技术应用等工作，能够适应技术进步和物联网产业发展需求。在国家大力发展新工科、培养战略人才的大背景下，高校创新型人才培养对物联网工程专业建设提出了更高的要求。实践教学是物联网工程专业建设的重要环节，肩负着理论应用与实践的重要使命[5]。培养的学生能否适应新形势下市场对人才的创新创业需求对实践教学体系提出新的挑战。在这种背景下，物联网工程专业原有的实践课程内容已不能够完全支撑培养目标。

1 物联网工程专业实践课程教学现状

目前，物联网工程专业的特色实践课程主要有无线传感器网络课程设计和物联网应用综合设计，课程内容存在如下问题。

⑴ 实验涉及的技术手段较为单一，部分已较为陈旧

无线传感器网络课程设计主要用Telosb节点进行LED、无线通信模块、传感模块、串口通信模块、存储模块等组件和接口的操作，以及时间同步协议和远程环境监测应用的设计实现，该课程涉及的技术为低功耗短距离无线通信和组网技术，但是该技术在实际应用中已很少采用[6];物联网应用综合设计这门课程采用公司开发的实验工具箱，集成了无线传感网节点、基站板、传感器模块、ARM 控制平台、M2M 模块等硬件，但是该工具箱购买时间较早，M2M模块只支持GPRS通信，不能支持4G通信，无法将数据传输至云平台，此外，工具箱中各个模块都集成在底板上，对于一些创新性实验如节点定位、移动节点位置跟踪等，不能很好地支持。

⑵ 现有实验验证型偏多，创新性不足，不能适应物联网新技术发展

无线传感器网络课程设计共有40个学时，其中16个学时为验证型实验，24个学时为设计型实验，但是，由于Telosb节点平台本身的限制，两个设计型实验时间同步协议和远程环境监测应用的设计实现也相对简单。物联网应用综合设计课程受限于实验工具箱，也多为验证型实验，创新性不足。

学生通过这两门专业实踐课程的学习后，仅能掌握一些基本的物联网感知、通信和组网技术，无法适应多元化的物联网技术进步和物联网产业发展需求。为此，我们以物联网学科竞赛和教师所承担的物联网相关项目为驱动，依托创新性实验项目，开展适应物联网新技术的应用创新实验建设与实践，旨在提高该专业学生的实践能力和创新能力。

2 物联网应用创新实验建设方案

物联网应用创新实验建设方案包括实验内容设计、实验模块和平台研发以及实验指导书撰写三部分。

⑴ 竞赛和项目为驱动的实验内容设计

实验内容设计是本项目的关键，需适应物联网领域的新兴技术发展。本项目从学科竞赛和教师从事的科研项目中广泛征集对实验内容进行了规划设计。首先，全国高校物联网应用创新大赛是面向全国高校开展的物联网竞赛活动，旨在培养学生在物联网方面的学习能力、创新意识和动手能力，为全国高校物联网教育教学和研究创新成果提供一个集中展示的平台。该竞赛已成功举办了五届，积累了大量赛题和案例，能够反映物联网领域的前沿技术应用。我们借鉴近两年的挑战赛题目和创意赛获奖案例，综合考虑难易程度和硬件成本，归纳出适合作为创新实验的项目并进行二次设计，针对不同层次的学生提出难易程度不同的实验要求。其次，物联网专业相关教师的科研项目有不少是研究的物联网前沿技术，例如基于物联网的远程控制、无源感知、室内定位、基于物联网的指纹锁等等，我们邀请相关项目的负责教师从项目研究内容中提取了合适的部分进行实验内容的规划设计。最后，由系主任对所有实验内容进行审核和统筹规划。

⑵ 通用可扩展实验模块和平台研发

通用可扩展的实验模块和平台是本项目的保障。物联网实验室目前拥有RFID、物联网等实训工具箱，工具箱集成了大量开发板和节点，但弊端是通用性和可扩展性较差，使用方式也不够灵活。随着物联网新兴技术的不断涌现，传统的实训工具箱不能满足创新实验的需求，购置新的工具箱成本巨大、周期较长。目前搭建小型物联网系统常用的树莓派、Arduino等开发板较为成熟，且支持较多模块的扩展，各种云平台，如阿里云、百度云等租赁使用非常方便，我们通过购置、自主设计开发等方式为学生提供了若干通用可扩展的实验模块和平台，例如智能移动小车平台、AliOS Things Developer Kit平台、基于天猫精灵的语音控制物联网平台、NB-IoT模组、LoRa模块及网关等，基于这些通用可扩展的实验模块和平台，学生可以进行二次开发，后续在这些平台上还可以继续扩展其他创新型实验，保障创新实验可持续地开展实施。

⑶ 实验指导书撰写

实验指导书是实验项目在学生中推广实施的参考资料。实验指导书撰写采用分工统筹的建设方法，先集中讨论，为每项实验内容确定一名指导老师，然后每项实验的指导书由指导老师各自撰写，最后由系主任统稿。由于我们的实验内容多为自主创新实验，因此实验指导书不会像一般验证型或操作型实验那样提供按部就班的步骤，实验指导书主要介绍实验相关软硬件平台，涉及的相关技术、算法，电路图，模块接口使用方法、例程，具体实验内容及难易分层的实验要求，实验难点以及从何处获取相关资料。

经过在物联网专业教师的广泛征集和讨论，我们形成了如表1所示的14项实验，并撰写了实验指导书。实验项目涵盖了传感网、RFID、AliOS物联网操作系统、阿里物联网云平台、LoRa通信技术、蓝牙技术、室内定位、语音控制物联网系统、物联网监控系统、边缘智能、软路由、深度学习、3D打印等多项前沿技术。

3 物联网应用创新实验项目实践

3.1 实施方法

本实验项目的教学方法以任务驱动式教学为主。“任务驱动”是建立在建构主义和人本主义教学理论基础上的教学法。建构主义认为，学习是学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构的过程。它强调该过程中学习者的经验和背景非常重要，这是因为知识来源于每个人的经验和理解。例如学生在实验过程中遇到了实际问题，利用已有知识和教师的指导点拨使问题得以解决，学生同时构筑了自己的知识框架。人本主义强调学生的自我完善，要求教学活动的重点放在学生的身上，尊重学生们的意愿和情感以及在学习过程中地位的主体性，主张学生掌握正确的学习方法，从而进行创造性的学习。采用“任务驱动”法设计实验教学，通过创设学生感兴趣的实验任务，在学生完成任务的过程中提取理论知识点，经教师点拨和学生自主/合作学习，共同建构其物联网的知识体系。

实验项目在物联网工程16级学生中发布，学生与指导老师充分沟通、自由组队后，进行自主设计和开发。教师向学生提供解决任务问题的有关线索，如提供开发板、芯片参数手册、网络资料、参考教材、撰写研究报告可以查阅的数据库等。学生与教师进行定期会面，检查项目进度，解决疑难问题。同组学生分工协作，共同完成实验任务。实验项目由系主任和指导老师组织学生进行实验验收，主要考核实验实现方案讲解、实验演示及回答问题，实验报告撰写等，根据最终成绩，学生将获得相应的创新分。

3.2 实施效果

⑴ 学生自学能力提升，学习热情提高

实施本项目以来，学生学习热情很高，与老师讨论活跃，遇到问题能积极主动地通过自主查阅资料、向老师请教、向公司人员请教等各种途径获得解决方案，自学能力和解决实际问题的能力都得到很好提升。

⑵ 学生创新能力提升

在传统的实验课堂，实验教学多为验证性实验，以教师演示、学生跟做为主，导致学生只会按部就班地操作，缺乏自己的思考。实施本项目以来，学生能根据老师提供的实验指导书，灵活运用所学知识，同时吸收新的技术，结合自己的创意设计和开发系统，创新能力得到很大提升。

⑶ 答辩效果较好，实验报告质量提升

学生在答辩中能够清晰表达自己的设计思路，多人协作完成作品展示。实验报告中都是自己的设计思路、自主编写的代码，记录实验中遇到的问题，撰写实验体会。图1（a）-（e）是答辩现场图片和部分作品展示。一些作品经学生持续改进，还被用来作为“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、互联网+大学生创新创业大赛的参赛作品。

4 结束语

以物联网学科竞赛和教师承担的物联网相关的项目为驱动，开展适应物联网新技术的应用创新实验建设与实践，使得物联网工程专业学生的学习兴趣增强，创新能力提升，表达和文档撰写能力也得到了锻炼，能够更好地在专业领域胜任物联网技术应用等工作，适应技术进步和物联网产业发展需求。未来将进一步挖掘创新实验的素材，丰富实验内容，吸引更多优秀教师参与创新实验的建设和实践。

参考文献（References）：

[1] 刘云浩.物联网导论（第3版）[M].科学出版社，2017.

[2] 戴杨，张晴晖，李俊萩等.基于LoRa的水泵智能控制系统设计与实现[J].实验技术与管理，2020.37（6）：71-76

[3] 陈强，祁鑫，崔浩.新工科背景下物联网工程专业实践教学体系的构建与实践[J].中国石油大学胜利学院学报，2019.33（4）：84-87

[4] 殷俊，施卫娟，胡夏芸等.面向OBE的物联网专业实验教学案例库建设研究[J].计算机教育，2020.4：145-149