丁 昊 石鴻凌 孫美靜

（中南民族大學(xué) 湖北·武漢 430074）

1 課題的作用及意義

隨著以“互聯(lián)網(wǎng)+”為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)革命快速發(fā)展，我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中將物聯(lián)網(wǎng)作為優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一。中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院開設(shè)的“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程是在“新工科”建設(shè)和卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0背景下，應(yīng)運(yùn)而生的一門新興課程。

為了響應(yīng)教育部提出的重大教育改革措施，面向國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，滿足國際競爭新形勢和立德樹人新要求，我院提出當(dāng)前工程教育的改革方向。其基本思想是，將本院相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)成為能夠?qū)⑺鶎W(xué)的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識加以創(chuàng)新利用，并在實踐過程中積極與身邊的教師和同學(xué)合作探討，在解決實際問題中自主查閱本專業(yè)科技前沿信息，滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新需要的高素質(zhì)復(fù)合型工程技術(shù)人才。

1.1 研究目標(biāo)

物聯(lián)網(wǎng)課程開源教學(xué)軟件堅持以人為本、以應(yīng)用為中心、以物聯(lián)網(wǎng)課程為基礎(chǔ)，為物聯(lián)網(wǎng)實驗室的硬件設(shè)施提供相應(yīng)軟件資源。在物聯(lián)網(wǎng)課程實驗的開源教學(xué)軟件設(shè)備中，將計算機(jī)作為智能控制功能部分整合到教學(xué)軟件中去。它是整個教學(xué)軟件的控制中心，可以管理整個系統(tǒng)的信息處理部件和對學(xué)生友好的交互頁面。教學(xué)軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)中，學(xué)生用戶一般不用重新編寫基礎(chǔ)程序，而是通過特殊的輸入輸出裝置與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行交互。學(xué)生可以利用教師提供的開源代碼，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容編寫軟件程序。鼓勵學(xué)生發(fā)散思維，將自己的創(chuàng)新性思想實現(xiàn)出來。

1.2 中南民族大學(xué)與法國高校國際合作概況

我校電子信息工程學(xué)院與法國克萊蒙奧弗涅大學(xué)ISIMA學(xué)院建立物聯(lián)網(wǎng)國際教學(xué)和科研合作，以科研項目為抓手，以中外教師的學(xué)術(shù)互動交流為保障，緊密結(jié)合我校民族特色，在充分發(fā)揮辦學(xué)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，推動發(fā)展高校國際性和開放性。我校與克萊蒙奧弗涅大學(xué)于2018年簽署了校級合作框架協(xié)議，教師團(tuán)隊所在的電子信息工程學(xué)院與法方ISIMA學(xué)院簽署了教師科研和教學(xué)合作協(xié)議。目前實行研究生聯(lián)合培養(yǎng)項目，中方大學(xué)碩士生有一年的時間學(xué)習(xí)法方大學(xué)課程，并進(jìn)行科學(xué)研究，凡是各科成績合格的學(xué)生，再順利通過碩士答辯就可以同時獲得克萊蒙奧弗涅大學(xué)和中南民族大學(xué)雙碩士學(xué)位。2020年項目正式開始實施，已有2位碩士研究生修滿法校學(xué)分并順利通過法方的碩士答辯，預(yù)期于2022年獲得雙方碩士學(xué)位。2021年，中方下一批3位碩士研究生已經(jīng)選拔出來參加該項目。2022年法方也將有2位碩士研究生前往中南民族大學(xué)學(xué)習(xí)。雙方從科研合作為起點，逐步形成了研究生教學(xué)為節(jié)點，以雙方資源、信息交流為紐帶向本科教育滲透，努力探索一條有民族學(xué)校特色的課程國際化發(fā)展道路。

1.3 擬解決的主要問題

由于國外芯片商業(yè)化程度較高、擁有良好的開發(fā)環(huán)境、在經(jīng)過多年使用后的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)功能較為完善，物聯(lián)網(wǎng)課程實驗的教學(xué)軟件普遍基于國外芯片。雖然教育軟件采用的開源系統(tǒng)不涉及國家安全的領(lǐng)域，但是貿(mào)易戰(zhàn)的發(fā)生敦促教學(xué)團(tuán)隊考慮自主開發(fā)教學(xué)設(shè)備。實現(xiàn)思路大致為，借鑒國外教學(xué)軟件的技術(shù)架構(gòu)，根據(jù)受教用戶的需求和實際使用場景，采用具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的核心配件開發(fā)更適合我院學(xué)生的教學(xué)軟件。

目前的教育平臺采用的軟件普遍不具備開放性。教師團(tuán)隊將采用開源資源研制開發(fā)教學(xué)軟件平臺，學(xué)生用戶可以根據(jù)自己的需求對軟件程序進(jìn)行自由裁剪和配置，使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的用戶，體現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)活動的中心地位。

力圖基于電子信息工程學(xué)院的本科生培養(yǎng)方案建設(shè)完善的本地化課程，使得面向物聯(lián)網(wǎng)課程的開源教學(xué)軟件可以為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程提供配套的軟件資源，將軟件資源和現(xiàn)有硬件教學(xué)資源緊密結(jié)合起來，利于教師開展更為完備的教學(xué)活動。

在自主開發(fā)的開源教學(xué)軟件基礎(chǔ)上，提供更符合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展潮流、更利于學(xué)生理解和吸收的實驗教程和相關(guān)程序，進(jìn)行針對應(yīng)用的實驗設(shè)計和實驗教學(xué)探索，編寫與學(xué)生能力相適應(yīng)的實驗教案，將理論與實踐有機(jī)地結(jié)合起來，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用能力人才。

1.4 理論課程具體研究內(nèi)容

正確定位國際化背景下物聯(lián)網(wǎng)課程，其教學(xué)需要在內(nèi)容和模式上進(jìn)行探索轉(zhuǎn)變，學(xué)生對知識的理解掌握才是國際化背景下物聯(lián)網(wǎng)課程教育教學(xué)根本，推動學(xué)生對整個學(xué)科在國際化背景下的科研和工程問題的解決才能真正實現(xiàn)新工科要求的復(fù)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

本課程旨在向?qū)W生系統(tǒng)、詳細(xì)地介紹物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、主要應(yīng)用等。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的專業(yè)知識較廣，內(nèi)容較豐富，且物聯(lián)網(wǎng)課程是一個軟件工程、網(wǎng)絡(luò)通信、電子工程多學(xué)科交融的與應(yīng)用密切相關(guān)的交叉學(xué)科，跟其他技術(shù)聯(lián)系緊密。要改革教學(xué)模式，增加教學(xué)輔助材料，充分利用網(wǎng)絡(luò)在線資源，從中篩選出符合新工科發(fā)展要求、能夠提升學(xué)生工程實踐素養(yǎng)的內(nèi)容，將它們引入到物聯(lián)網(wǎng)課堂教學(xué)中去。理論課程采用多媒體課件的方式進(jìn)行講授，形式生動形象，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，緩解課時緊張的問題。而解決實際應(yīng)用問題的實驗課程與理論知識的講解課程相穿插，學(xué)生在學(xué)習(xí)到新知識后，馬上就可以自己動手解決融入了理論知識的應(yīng)用實驗問題，加深對理論的理解。

1.5 實驗課程目標(biāo)

物聯(lián)網(wǎng)課程是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的交叉學(xué)科，涉及知識更新較快，與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密，理論授課內(nèi)容結(jié)合教科書和相關(guān)研究期刊歸納綜合，授課內(nèi)容能夠反映本學(xué)科實際發(fā)展歷程。而課程實驗采用案例教學(xué)，結(jié)合工程實際問題講解物聯(lián)網(wǎng)的基本組成和工作原理，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的基本設(shè)計方法與開發(fā)方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維方式。教學(xué)案例將應(yīng)用場景的工程實踐方案結(jié)合科學(xué)原理講解，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用基本理論知識對系統(tǒng)進(jìn)行量化設(shè)計。

目前國內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)存在缺陷，其中較為突出的就是缺老師、缺教具、缺教學(xué)資源的三缺問題，現(xiàn)擬從這三個方面推進(jìn)我院物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，提高授課教師的能力，研制物聯(lián)網(wǎng)開源軟硬件教學(xué)平臺，補(bǔ)充與當(dāng)前已有的硬件教學(xué)設(shè)備相配套的軟件教學(xué)平臺資源。

通過案例教學(xué)，學(xué)生能夠使用計算機(jī)等工具對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)問題進(jìn)行仿真環(huán)境搭建與模擬研究，掌握階段性的模擬器和仿真器的設(shè)計能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的工程思維方式，學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)的研究方法，培養(yǎng)高質(zhì)量的工程技術(shù)人才。

2 課程實驗方案設(shè)計

課程實驗基于一個服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)課程實驗的開源教學(xué)軟件平臺。開源教學(xué)軟件將為物聯(lián)網(wǎng)課程理論和技術(shù)的研究工作提供支持，學(xué)生將通過實驗對物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測和智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用積累技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗，掌握數(shù)字信號的理論和應(yīng)用，保證理論學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行。教師團(tuán)隊參與過物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)，這些經(jīng)歷為教學(xué)軟件的順利開發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗，可以高速準(zhǔn)確的完成軟件的建構(gòu)和性能驗證。具體教學(xué)案例如下：

2.1 空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

基于教師團(tuán)隊在歐盟H2020 Captor項目里開發(fā)的低成本空氣質(zhì)量監(jiān)測節(jié)點，實時監(jiān)控大氣中CO、NO和NO2成分。學(xué)生通過學(xué)習(xí)貼近實際應(yīng)用的實驗案例，深刻理解多核結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在戶外工作的惡劣環(huán)境下如何更可靠地持續(xù)運(yùn)行，高度模塊化設(shè)計支持更多類型的傳感器數(shù)據(jù)，鼓勵學(xué)生使用節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，開發(fā)自己的應(yīng)用，提高學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生自主探求知識的主觀能動性。

2.2 智能灌溉系統(tǒng)

了解土壤粘土基本性質(zhì)與電荷、離子交換、土壤結(jié)構(gòu)的形成的相關(guān)信息。掌握土壤濕度的各種測量方法技術(shù)，學(xué)習(xí)土壤溫度和濕度傳感器的基本知識。構(gòu)造土壤含水量和電荷電壓模型。利用物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)建立智能灌溉系統(tǒng)模型，學(xué)生通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將觀測數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，利用手機(jī)等智能設(shè)備訪問服務(wù)器查看相關(guān)數(shù)據(jù)和控制澆水，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控與遠(yuǎn)程人工干預(yù)的混合控制模式。

2.3 無源定位系統(tǒng)

針對單個或者多個無源目標(biāo)，使用節(jié)點的無線通信信號觀測量對其進(jìn)行定位和跟蹤，驗證節(jié)點所處多徑環(huán)境造成的系統(tǒng)可靠性以及復(fù)雜度之間的矛盾，基于反映各個傳輸路徑的影響因子的統(tǒng)計模型來描述目標(biāo)的空間特性，探討目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)對接收無線信號的影響。該實驗結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)提取出對應(yīng)不同視覺問題所需的擾動信息，用圖像的形式顯示估計目標(biāo)在區(qū)域內(nèi)的位置信息，而在傳統(tǒng)的無線通信中，這些影響是被視為對傳輸性能不利，需要被抑制或消除的部分。

2.4 古建筑火災(zāi)監(jiān)測

基于2019年法國巴黎圣母院火災(zāi)事件，針對中國現(xiàn)存的古建筑多是木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)，極易引起火災(zāi)的特點，采用基于多傳感器信息融合的方法來監(jiān)測古建筑火災(zāi)，擬利用紅外熱成像儀和高清攝像機(jī)對古建筑內(nèi)的火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測，同時擬集成空氣溫濕度、煙霧濃度和煙霧粒徑、設(shè)備溫度、剩余電流、電弧監(jiān)測等各種傳感器并對這些多源異構(gòu)的信息進(jìn)行融合處理，進(jìn)而及時發(fā)現(xiàn)各類火災(zāi)隱患以及火災(zāi)前期的各種特征信息，達(dá)到提前整改、預(yù)警和報警，降低火災(zāi)事故的發(fā)生，幫助古建筑遠(yuǎn)離火災(zāi)的威脅目的。

3 項目總結(jié)

3.1 研究重點

將物聯(lián)網(wǎng)課程的理論教學(xué)內(nèi)容與教師團(tuán)隊開發(fā)完備的硬件平臺結(jié)合起來，在編寫課程實驗內(nèi)容時，既要對應(yīng)相關(guān)知識點、合理地設(shè)計實驗內(nèi)容，又要密切跟蹤最新的科研和工業(yè)動態(tài)。基礎(chǔ)實驗和拔高實驗相輔相成，基礎(chǔ)實驗夯實理論課程的基礎(chǔ)，拔高實驗提升學(xué)生對課程的興趣力，使課本的內(nèi)容鮮活起來。

3.2 特色與創(chuàng)新

課程實驗的所有軟件開發(fā)都是基于工程教育認(rèn)證體系要求，將工程教育認(rèn)證體系下的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的知識貼合適合學(xué)生學(xué)習(xí)的知識點，將課堂教學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合，讓學(xué)生基于物聯(lián)網(wǎng)課程實驗核心組件進(jìn)行軟件開發(fā)，從而掌握實驗課程的整體流程，提高學(xué)生的動手能力，部分實驗考慮結(jié)合教師的研究項目內(nèi)容，緊貼最前沿科研與工業(yè)成果，從而達(dá)到拔高優(yōu)秀學(xué)生的目的。

3.3 作用與意義

課程實驗有利于培養(yǎng)工科學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)工程與實踐方面的專業(yè)素質(zhì)和能力。實驗課程對接物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)前沿，不僅提高學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)，還能培養(yǎng)學(xué)生對于復(fù)雜工程問題的分析能力和解決問題能力。構(gòu)建基于線上和線下學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)方法，增加引導(dǎo)學(xué)生開展基于工程實際的項目，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提升其解決實際工程問題的能力。

開展物聯(lián)網(wǎng)實驗課程的國際化探索，有利于豐富教學(xué)資源，探索建立具有國際化特色的教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)，實施科研和教學(xué)交替的模式，彌補(bǔ)電子信息工程學(xué)院師資在課程教育上面的不足。