丁洪偉， 楊 超， 趙一帆， 李 波， 陳 春

(1.云南大學 信息學院, 昆明 650000)(2.云南民族大學 電氣信息工程學院, 昆明 650000)(3. 云南民族大學 應(yīng)用技術(shù)學院, 昆明 650000)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet of Things，IoT)是指把傳感設(shè)備通過信息傳播媒介按照一定的協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)相連并進行信息交換和通信的技術(shù)[1]，廣泛應(yīng)用于智慧城市、智能家居、智慧工廠和安防等領(lǐng)域。我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)一直保持高速增長，目前正邁入“跨界融合，集成創(chuàng)新、規(guī)?；l(fā)展”新階段[2]。此外，得益于5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延時、低功耗等優(yōu)點，5G網(wǎng)絡(luò)的普及必將帶來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆發(fā)式增長[3]，使得人類實現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景成為可能。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆發(fā)式增長將帶來巨大的物聯(lián)網(wǎng)人才缺口，為解決這一問題，近年來眾多高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)，且大多數(shù)高校的培養(yǎng)模式仍為理論教學和實驗結(jié)合的方式。然而，實驗和項目開發(fā)有較大的差別，以至于學生即使精通所有的課程實驗后仍無法完成一個物聯(lián)網(wǎng)項目的開發(fā)，也就無法滿足現(xiàn)代化企業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)崗位的需求[4]。因此，本文提出一種項目化的物聯(lián)網(wǎng)教學模式，把物聯(lián)網(wǎng)教學和項目開發(fā)相結(jié)合，旨在使學生在項目開發(fā)過程中全面了解物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，掌握物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)技能，鍛煉團隊協(xié)作能力、鞏固所學知識，培養(yǎng)符合社會需求的物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)人才。

1 傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)教學模式

在傳統(tǒng)的教學模式中，學生大部分時間都花在理論學習上，且通常在期末前2～3周才進行物聯(lián)網(wǎng)試驗教學或相關(guān)的課程設(shè)計。然而，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個實踐性較強的專業(yè)[5]，傳統(tǒng)的教學模式存在以下突出問題：①學生的積極性不高：較多的理論學習和枯燥的實驗容易讓學生產(chǎn)生厭學情緒，以至于無法積極主動地投入物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的學習中去；②學生發(fā)展目標定位不明確：物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)培養(yǎng)能進行物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項目開發(fā)的人才，而單純的實驗并不能達到此要求；③課程體系不合理：物聯(lián)網(wǎng)屬于交叉學科，要注重課程體系的交叉融合，僅開設(shè)部分核心課程是不夠完善的[6]；④實踐教學不完善：物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐性較強，且緊跟時代的發(fā)展。目前大多數(shù)高校的實驗設(shè)備較為陳舊，學生無法接觸到物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)。此外，較多的理論課程使學生疲于應(yīng)試，無法把更多的精力投入到實踐環(huán)節(jié)；⑤培養(yǎng)出的人才無法滿足現(xiàn)代化企業(yè)需求：由于大多數(shù)學生對物聯(lián)網(wǎng)的認識僅停留在理論知識和實驗結(jié)果上，對實際的物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)還沒有系統(tǒng)的了解，無法直接進行物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)。

圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)教學模式

如圖1所示，在傳統(tǒng)教學模式中，學生成績主要根據(jù)理論課的作業(yè)完成情況、理論考試成績和實驗完成情況來進行綜合評估，且大多數(shù)高校的理論考試成績占總評成績的70%～80%，這從側(cè)面降低了學生對于實踐學習的積極性，并不利于學生動手能力的培養(yǎng)。此外，傳統(tǒng)教學模式中實驗部分抄襲情況較為嚴重，大多數(shù)學生并不能理解每項實驗的基本原理。

2 項目化的物聯(lián)網(wǎng)教學模式

項目化的物聯(lián)網(wǎng)教學模式有效地彌補了傳統(tǒng)教學模式的不足，它將物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)作為教學的重要組成部分，以培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人才為目標，在項目化教學過程中培養(yǎng)學生的項目開發(fā)能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力和發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力等。

圖2 項目化教學模式

項目化教學模式如圖2所示，相對于傳統(tǒng)的教學模式，項目化的教學模式更加注重學生對物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)能力的培養(yǎng)，同時在進行項目開發(fā)前對相關(guān)理論進行學習是必要的。項目化教學模式中的項目開發(fā)部分主要由以下步驟組成：①項目開發(fā)前，由教師對相關(guān)項目做整體介紹，主要介紹項目的背景、用途和社會價值以激發(fā)學生的興趣(教師應(yīng)提供多個典型的物聯(lián)網(wǎng)項目供學生挑選)；②教師對物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)技術(shù)做系統(tǒng)講授，主要是對物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、各層開發(fā)方法以及相關(guān)的開發(fā)技術(shù)做簡要介紹；③學生以小組為單位獨立地進行項目開發(fā)，由組長負責為每個組員分配具體的開發(fā)任務(wù)；④教師對項目開發(fā)過程中的問題提供指導(dǎo)，幫助學生解決問題，在討論問題的過程中加深學生對相關(guān)知識的理解；⑤項目開發(fā)完成后以小組為單位進行項目匯報，主要包括項目的完成情況、組員分工情況、實現(xiàn)的基本功能以及項目創(chuàng)新點等。教師根據(jù)整個開發(fā)過程中學生的綜合表現(xiàn)情況來進行評分，并不僅僅只看項目結(jié)果，更應(yīng)注重學生項目開發(fā)過程中的實際工作量和項目的創(chuàng)新性，避免傳統(tǒng)教學模式中抄襲情況發(fā)生。此外，教師應(yīng)調(diào)整理論課成績與項目開發(fā)成績占總成績的比重，以各占50%為宜，從而體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐能力的重要性。

3 物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)實踐

為驗證項目化教學模式的有效性，本節(jié)以一個具體的物聯(lián)網(wǎng)項目(智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng))為例，探究物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)與物聯(lián)網(wǎng)教學的融合方法。

3.1 項目介紹

項目開發(fā)前教師應(yīng)對項目的背景、應(yīng)用場景以及社會價值做簡要介紹，以激發(fā)學生的項目開發(fā)興趣。智能家居安防系統(tǒng)是通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)把各種傳感模塊連接起來，能對家庭環(huán)境進行有效監(jiān)測和控制并且具有報警功能，形成一個具有防火、防盜和預(yù)防各類安全事故的智能安防系統(tǒng)。智能家居從20世紀末開始發(fā)展，如今已走進千家萬戶并獲得了廣泛應(yīng)用，隨著5G技術(shù)的到來，智能家居必將迎來發(fā)展的春天，將會給人們的日常生活帶來極大的便利。智能家居安防系統(tǒng)即保障了人們的生命財產(chǎn)安全，又對建筑樓宇本身的安全性提供了保障[7]，有效避免各類安全事故發(fā)生，具有較大的社會價值。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)技術(shù)講授

項目開發(fā)技術(shù)講授方式為：介紹物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，并在該架構(gòu)的基礎(chǔ)上具體介紹每一層的開發(fā)方法，使學生系統(tǒng)地學習物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)并了解必要的開發(fā)技術(shù)、搭建開發(fā)環(huán)境，為后續(xù)項目開發(fā)做準備。

1) 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖3所示，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成[8]。感知層主要由各類采集數(shù)據(jù)的傳感器和傳輸數(shù)據(jù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成，傳感器負責采集室內(nèi)的安防信息，傳感網(wǎng)絡(luò)負責傳輸傳感器所采集的信息和下達相關(guān)指令。其中常見安防類傳感器主要有：煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、人體紅外傳感器等，常見的無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要有ZigBee、NB-IoT、WiFi等；網(wǎng)絡(luò)層主要由互聯(lián)網(wǎng)及一些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成，主要負責將感知層的數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺供應(yīng)用層使用或通過應(yīng)用層向感知層設(shè)備下發(fā)指令；應(yīng)用層主要是為人們提供一個查看數(shù)據(jù)以及下達指令的平臺，它是構(gòu)建于物聯(lián)網(wǎng)平臺(如華為的OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺、中國電信的CTWing等)的基礎(chǔ)之上的，開發(fā)者只需在這些平臺上開發(fā)專屬的Web應(yīng)用程序和APP即可。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

2) 開發(fā)方法

教師應(yīng)引導(dǎo)學生嚴格按照圖2所述物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進行開發(fā)，以建立對物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的整體認識。

在項目開發(fā)前，應(yīng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和項目所要實現(xiàn)的功能確定一個項目方案，以供后續(xù)項目開發(fā)指導(dǎo)，方案確定流程如圖4所示。首先需明確系統(tǒng)的基本功能，作為教學而言，教師應(yīng)規(guī)定一些系統(tǒng)必須實現(xiàn)的基本功能，如智能家居安防中的煙霧報警、溫度監(jiān)測等功能如圖5所示；然后根據(jù)所確定的功能選擇對應(yīng)的傳感器，如溫度監(jiān)測就選擇溫度傳感器；傳感網(wǎng)絡(luò)的選擇需要考慮功耗、數(shù)據(jù)率和價格等因素，其中ZigBee因其低功耗、低成本的特點廣泛應(yīng)用于智能家居場景中；物聯(lián)網(wǎng)平臺和監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)實際情況選取，學生最好選擇自己比較熟悉的平臺進行開發(fā)。

圖4 確定項目方案流程

圖5 系統(tǒng)功能

3.3 項目開發(fā)指導(dǎo)

項目方案確定之后就可按此方案進行項目開發(fā)指導(dǎo)，教師把學生分組(每組4～5人為宜)并選出組長，由組長把項目分工，確保每位同學都能參與到項目開發(fā)中，充分調(diào)動學生的積極性。本節(jié)以項目開發(fā)過程為例，主要介紹硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。

1) 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖6所示，包括各類采集信息的傳感器、嵌入式無線射頻芯片(例如CC2530)和無線網(wǎng)關(guān)(例如NB-IoT)等。此部分要求學生有一定的嵌入式開發(fā)基礎(chǔ)，教師應(yīng)向?qū)W生講解物聯(lián)網(wǎng)項目硬件部分的基本構(gòu)成，包括單片機最小系統(tǒng)、傳感器、無線網(wǎng)關(guān)等，以及各模塊間的連接方式，為學生構(gòu)造硬件部分的開發(fā)框架，學生則可以在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新。

圖6 硬件設(shè)計

2) 軟件設(shè)計

這里所說的軟件為運行在嵌入式設(shè)備中的程序，即通過編寫對應(yīng)的程序來驅(qū)動傳感器采集數(shù)據(jù)以及控制各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。

如圖7所示，教師應(yīng)講授用C語言編寫硬件驅(qū)動的基本方法。此外，根據(jù)所選無線傳感網(wǎng)絡(luò)的不同，應(yīng)采用不同的傳輸協(xié)議，教師應(yīng)引導(dǎo)學生在滿足基本要求的前提現(xiàn)選擇開發(fā)難度小、開發(fā)周期短和較容易上手的通信協(xié)議。智能家居安防系統(tǒng)選用技術(shù)成熟且穩(wěn)定的Z-Stack協(xié)議棧來搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)[9]。

圖7 系統(tǒng)軟件

3) 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)可選擇手機APP、Web應(yīng)用程序和電腦桌面程序，考慮到監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜程度和學生上手難易程度，智能家居安防系統(tǒng)選用較為簡單的Web應(yīng)用程序。

如圖8所示，Web應(yīng)用程序的開發(fā)需用到前后端知識，后端用于與云服務(wù)器交互并處理感知層上傳的數(shù)據(jù)，前端則提供顯示數(shù)據(jù)的界面。為簡化開發(fā)難度，前后端均采用現(xiàn)有的框架進行開發(fā)，其中后端采用SpringMVC框架，前端采用Vue框架。此外，學生還應(yīng)了解HTML、CSS、JavaScript[10]等語法知識以提高開發(fā)效率，教師應(yīng)對上述基本編程語言和開發(fā)框架做簡要講授，并提供相應(yīng)的服務(wù)器接口支持。

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)

3.4 項目開發(fā)實戰(zhàn)

教師完成項目開發(fā)指導(dǎo)后，學生即可按照所確定的項目方案進行項目開發(fā)。組長根據(jù)本組所選的項目主題和組員的開發(fā)經(jīng)驗分配任務(wù)，確保每個組員都能參與到項目開發(fā)中。教師在這一過程中主要職責是為學生提供全方位的指導(dǎo)，及時糾正項目方案的不足、任務(wù)分配不合理的情況，同時對學生提出的問題予以解決。

3.5 項目匯報

在傳統(tǒng)教學模式中，學生完成實踐部分的依據(jù)為實驗結(jié)果和實驗報告，這種教學模式相對封閉，學生之間不能共享實踐中的操作心得，報告內(nèi)容千篇一律，部分學生還存在抄襲的情況。在項目化的教學模式中，教師應(yīng)要求學生以小組為單位進行項目匯報，匯報內(nèi)容包括：項目方案、任務(wù)分工、實現(xiàn)的功能、遇到的問題、解決方案以及項目創(chuàng)新點等。教師根據(jù)項目結(jié)構(gòu)的合理性、實現(xiàn)的基本功能以及項目創(chuàng)新性進行評分，同時匯報結(jié)束后應(yīng)及時糾正項目方案中不合理的部分，并提出一些改進意見。

4 項目化教學模式評價

4.1 項目化教學模式的優(yōu)越性

與傳統(tǒng)教學模式相比，項目化教學模式充分調(diào)動了學生的積極性，使每位同學都能參與到物聯(lián)網(wǎng)項目的設(shè)計與開發(fā)中，這兩種教學模式的比較如表1所示[11]。

表1 項目化教學模式與傳統(tǒng)教學模式比較

從表1可以看出，項目化教學模式在教學目標、教學形式和教學內(nèi)容等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)教學模式。項目化教學模式更加注重知識的理解以運用，在此教學模式下將促使學生全面發(fā)展，學生在項目開發(fā)能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力等方面都會有較大提升。

4.2 課程達成度

為了評價此教學模式的實際效果，筆者在本校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)進行了教學模式改革實踐，通過學生在課程設(shè)計過程中的綜合表現(xiàn)和最終開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)項目對教學效果進行總結(jié)。在進行項目化教學過程中，學生的主動性顯著增強，學習效率獲得較大提升，主要表現(xiàn)為：①90%的學生能夠掌握物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)流程和開發(fā)技術(shù)；②充分發(fā)揮學生在教學過程中的主體地位，對教師依賴明顯減少；③60%的學生具備了攻堅克難的能力，能獨立解決項目開發(fā)過程中所出現(xiàn)的問題；④學生的創(chuàng)新能力和團隊合作意識顯著增強?？傊椖炕奈锫?lián)網(wǎng)教學模式全面激發(fā)了學生創(chuàng)新精神和學習積極性，培養(yǎng)了學生的物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)能力和團隊合作能力，為后續(xù)進行物聯(lián)網(wǎng)項目實戰(zhàn)開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

項目化的教學模式把工程項目案例與物聯(lián)網(wǎng)教學相融合，徹底改變了傳統(tǒng)教學模式中單向的知識傳輸方式，更加注重學生綜合能力特別是項目開發(fā)能力的提升，旨在培養(yǎng)出適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)項目研發(fā)人才。本文首先分析了傳統(tǒng)教學模式的不足，然后提出一種項目化的教學模式，并通過一個物聯(lián)網(wǎng)項目(智能家居安防系統(tǒng))的設(shè)計具體說明了項目開發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)教學相結(jié)合的方法，最后把傳統(tǒng)教學模式和項目化教學模式作對比，突出項目化教學模式的優(yōu)越性。