新工科下物联网工程专业实践教学体系研究与设计

新工科下物联网工程专业实践教学体系研究与设计

李春辉

黑龙江工商学院

1.背景

为了贯彻教育部发布的《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，启动"新工科研究与实践"项目，结合物联网工程专业核心能力的培养要求，制定物联网工程专业综合实践教学方案。根据物联网工程专业人才培养目标，依托理论教学和课程实训为基础，通过企业级的实训项目，训练和培养学生具有产业需求和职业需求为导向的技术能力和应用能力及良好的职业适应能力。

2.设计思想

学生在完成理论教学和课程实训的基础上，实习实训从第七学期开始，适当向第八学期延续。采用学院自建或引企入校、校企一体共建专业实训基地的方式。以物联网工程专业核心能力训练为主，适度开拓创新型项目的训练内容。

3.总体设计

物联网工程专业拟采用农业环境检测系统作为学生实训的范例，结合物联网技术、设计与实现环境监测系统构架中的感知层、网络层、应用层，设计和实现环境监测系统硬件中的传感器数据采集、主控处理器及周边电路、系统通信接口电路，完成传感器数据采集程序与ZigBee组网设计，力求实现通过传感器把可测的环境信息转变成相应数据，并通过ZigBee网络发送至主控处理器中处理，再使用网络接口把数据发送到物联网平台上，在平台上显示出环境数据，用户通过Web页面进行系统的监控。

4.详细设计

实践教学体系的实训课程由15个教学周组成，划分为三个阶段，第一阶段，原型搭建阶段，4个教学周；第二阶段，采集系统开发阶段，6个教学周；第三阶段，应用平台开发阶段，5个教学周。实训内容详细安排如下：

4.1环境监控系统的原型搭建

第一周：讲解实训课程要求和考评标准；提出实际问题，引导学生思考探究解决办法；动员分组，在软件平台注册登记；讲解项目开发流程；演示项目原型搭建。

第二周：讲解技术方案文档的写作；明确小组分工；讲解器材管理要求和过程文档输出；讲解关键技术的开发，指导项目原型搭建。

第三周：指导学生搭建项目原型。

第四周：讲解项目管理；讲解版本控制系统的使用；讲解和指导项目环境部署；收集项目设计方案；进行本阶段考评答辩。

4.2环境监控系统基础开发

第一周：传感器的选型和开发。先保证获取温湿度传感器数据，使用单片机开发。如能获得光照强度或其他传感器数据，获得相应过程加分。

第二周：传感网络层开发。传感器数据将由单片机使用短距离无线网络传输到树莓派。上层协议自定义，须形成协议文档。然后，各组交换协议文档。按照交换到的协议文档，使用某种短距无线网络，将传感器数据从网络发出，使用树莓派从该网络接收数据。如果发现所用协议文档中的漏洞或描述缺失、歧义、错误，可使写作该文档的小组过程得分被扣分。

第三周：传输网络层开发。使用树莓派将获得的传感数据上传到服务器端。使用TCP/IP协议将数据从以太网发出。上层协议自定义，须形成协议文档。如能在树莓派上完成数据显示功能，可获得功能加分。

第四周：控制功能开发。控制功能包括调控温湿度和光照强度，应保证至少完成温湿度控制。实验室提供相关控制器件。学生须阅读产品说明书，根据产品指令协议开发电路，编制控制命令。主要包括控制信息从树莓派下传到单片机，这部分信息协议自定义，须形成文档。单片机收到控制信息后，将信息编码为控制指令，控制器件。

第五周：中间件开发。开发服务器中间件，负责接收以太网传来的数据，并对数据进行必要的处理，保存到数据库，并对上层提供服务。服务接口自行设计，须形成接口服务文档。数据库产品由学生自选，选择不常用或非关系型数据库可获得更多过程得分。

第六周：协调与展示。各组根据各自开发情况，调整节奏，完成最低功能要求，或完成更多功能，争取更高功能得分。同时，整理各自过程文档和展示素材，设计幻灯，进行基本功能的公开展示答辩。进行该阶段的总结评分。

4.3环境监控系统应用平台开发

第一周：强调自学能力的重要性，讲解对新技术的学习方法和学习路径。让学生选择一种可行的应用层开发方式，比如在Web页面、PC软件、移动APP、公众号、小程序之中进行选择。第一周学生可以自由尝试、了解，须提供详细的学习文档。鼓励相互协作，快速了解各种技术的异同和难易，最终选定一个方向。可组织进行学习汇报的形式，进行互助学习，增加学习压力。

第二周：学习验证。这一周主要任务是学习应用层开发基本技术，能进行基本的交互和通信，确认中间件服务和所选择的应用层之间能够正确对接。

第三周：界面开发。界面应提供数据实时展示和环境控制两项基本功能。界面的美观、易用是人机界面得分的重要标准。

第四周：调整收尾。再次对项目整体开发工作进行调整，全面测试，形成测试文档；对所有功能进行最后确认；最界面进行优化。写作产品使用说明书。

第五周：展示答辩与最终考评颁奖。各组对项目使用的所有材料和文档进行归档整理，对器材状况进行汇报汇总。教师讲解商业计划书写作方法，写作技巧，学生设计幻灯进行完整项目展示，包括农作物生长状况和开发过程汇报，总结感想，答辩。教师对各组项目进行最终评价、核分，对所有人进行评分。公布结果，对优秀项目和个人进行表彰颁奖。

5.教学条件

5.1农作物条件

提供足够数量的盆栽种植蔬菜，可以在较大空间内自由移动，并带有微型的温室封装环境，以使学生可以制造各自的种植环境，并且互不干扰，学生会自然地比较彼此的种植成果，提高学习动力。

5.2软件条件

为了便于管理、评分，以及提高实训课程的趣味性，实训课有针对性地设计一个项目开发平台，这个平台的主要功能如下：

1.支持个人注册登录，支持组件小组，以小组为单位管理项目和评分。

2.支持项目管理工具进行进度控制。

3.支持版本控制系统进行代码的保存和协作。

4.保存小组的项目过程文档及演示文档，过程文档等子项目由学生申报得分，教师授权核定。

5.可以用于项目方案的选型，模拟真实开发中的选购器件。

5.3硬件条件

1.基于Linux系统的服务器，用于所有项目的服务器部署，锻炼学生的网络通信能力、Linux使用能力和项目部署能力。

2.树莓派。

3.STM32开发板。

4.足够数量和种类的传感器。

5.足够的导线、线圈、洞洞板等电子元器件。

6.总结

实践教学体系设计的实训内容提供接近生产实践的操作环境，使学生经过生产锻炼，完成从理论到实践的能力提升，为就业打下良好基础。