以“學(xué)科競(jìng)賽”促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)

施趙媛，劉桂江，汪文明

(安慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽安慶246133)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]即通過傳感器[2]、射頻識(shí)別[3]等技術(shù)采集各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并利用各種無線（如WI-FI[4]、Zigbee[5]、藍(lán)牙[6]）或有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，最后在應(yīng)用層通過數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管、實(shí)時(shí)定位、智能控制等功能。2010年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被政府納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展任務(wù)，2011年，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)正式進(jìn)入高校，因國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，該專業(yè)旨在培養(yǎng)具備物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)和技能，尤其具備傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等領(lǐng)域的專業(yè)人才。近年來，為了適應(yīng)新形勢(shì)下高等教育改革發(fā)展需要，推動(dòng)以學(xué)科競(jìng)賽為載體的第二課堂和第一課堂教學(xué)改革的良性互動(dòng)，擴(kuò)大學(xué)科競(jìng)賽覆蓋面，各大高校都整合了已有競(jìng)賽資源，強(qiáng)化競(jìng)賽對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、工程能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，學(xué)科競(jìng)賽無疑為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的改革注入了新的血液。本文主要介紹學(xué)科競(jìng)賽對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)的促進(jìn)和發(fā)展起到的重要作用，并提出幾點(diǎn)相關(guān)建議。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽

近年來，隨著各高校的積極組織、宣傳及國家財(cái)政支持，很多高校都已形成了以學(xué)生為主體的國家、省、校三級(jí)競(jìng)賽機(jī)制，學(xué)生競(jìng)賽的種類和質(zhì)量都在攀升，以安慶師范大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例，在校、院等各級(jí)單位的積極組織下，該專業(yè)學(xué)生每年參加省部級(jí)以上的學(xué)科競(jìng)賽達(dá)到50人次以上，每年獲得的省部級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)均超過40余項(xiàng)。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生可以參加的具體學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目如表1所示。大部分競(jìng)賽不限定競(jìng)賽平臺(tái)，只要指導(dǎo)教師和學(xué)生商定好競(jìng)賽創(chuàng)意后，自行購置相關(guān)器材，對(duì)創(chuàng)意進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，完成相應(yīng)的文檔、視頻、PPT資料，并現(xiàn)場(chǎng)答辯即可。如“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽、全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽（TI杯）、安徽省高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽等，物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生參加這類競(jìng)賽需要熟練掌握物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)中的傳感器、組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、智能算法、自動(dòng)控制等一系列知識(shí)。

表1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)可重點(diǎn)參加的學(xué)科競(jìng)賽一覽表

還有一部分競(jìng)賽，競(jìng)賽主題明確或競(jìng)賽平臺(tái)固定，如全國高?！皠?chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”電子商務(wù)挑戰(zhàn)賽，主要是要求學(xué)生根據(jù)大賽主題設(shè)計(jì)電子商務(wù)相關(guān)系統(tǒng)，如2018年大賽主題包括三農(nóng)電子商務(wù)、工業(yè)電子商務(wù)、跨境電子商務(wù)、電子商務(wù)物流、互聯(lián)網(wǎng)金融、移動(dòng)電子商務(wù)、旅游電子商務(wù)、校園電子商務(wù)、其他類電子商務(wù)，此競(jìng)賽需要學(xué)生具備Android或IOS平臺(tái)開發(fā)、網(wǎng)頁開發(fā)等專業(yè)基礎(chǔ)；安徽省單片機(jī)大賽是組委會(huì)直接命題，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成編程，評(píng)委根據(jù)實(shí)現(xiàn)效果現(xiàn)場(chǎng)打分，這需要學(xué)生具備扎實(shí)的單片機(jī)理論與實(shí)踐基礎(chǔ)；全國大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽，要求競(jìng)賽隊(duì)伍能夠緊扣競(jìng)賽主題完成競(jìng)賽作品，作品包括實(shí)物制作（含模型）、軟件、設(shè)計(jì)和社會(huì)實(shí)踐調(diào)研報(bào)告等，體現(xiàn)新思想、新原理、新方法及新技術(shù)，這需要學(xué)生具備一定電路設(shè)計(jì)、節(jié)能原理、模型設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等方面的知識(shí)。

2 經(jīng)典競(jìng)賽案例引入課堂教學(xué)

近年來，專業(yè)教師均有計(jì)劃、有目的地將大賽成果運(yùn)用于專業(yè)教學(xué)，將學(xué)科競(jìng)賽的作品搬上課堂，作為教學(xué)案例，實(shí)現(xiàn)“以賽促學(xué)”[7]?！凹t綠色盲”交通控制燈系統(tǒng)的項(xiàng)目曾經(jīng)參加過TI杯全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，該項(xiàng)目針對(duì)色盲人士開發(fā)，通過對(duì)傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈進(jìn)行改造，即在交通燈旁邊增加一位數(shù)碼管，通過它來顯示當(dāng)前交通燈的狀態(tài)，并約定綠燈記為1、黃燈記為2、紅燈記為3，以此來幫助紅綠色盲患者清楚地識(shí)別出當(dāng)前的交通燈狀態(tài)。系統(tǒng)中應(yīng)用了單片機(jī)的“中斷”“定時(shí)器”“數(shù)碼管顯示”等重要知識(shí)點(diǎn)。在講解單片機(jī)課程中AT89C51系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)章節(jié)時(shí)，可將其作為案例進(jìn)行教學(xué)。

首先，向?qū)W生介紹系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)中一個(gè)十字路口的一個(gè)方向?yàn)槔?，?yīng)用3個(gè)LED燈分別顯示紅、黃、綠3種交通燈，另外，使用3個(gè)數(shù)碼管，其中一個(gè)用于顯示當(dāng)前交通燈的狀態(tài)，另外兩個(gè)用于顯示當(dāng)前狀態(tài)的剩余時(shí)間。約定它們正常運(yùn)行的流程及時(shí)間為綠燈亮20秒，黃燈閃爍3秒，紅燈亮23秒，綠燈亮20秒，然后引導(dǎo)學(xué)生思考：利用AT89C51為主控制器，該系統(tǒng)中如何設(shè)計(jì)和分配P2和P3口？系統(tǒng)中共需幾個(gè)中斷？是否需要定時(shí)器？若需要，定時(shí)器的工作方式、初始化及控制位如何設(shè)定？

學(xué)生進(jìn)行思考和討論后，可自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該子系統(tǒng)，其后，將參加競(jìng)賽作品的設(shè)計(jì)方法向同學(xué)們介紹。3個(gè)數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)，采用兩片鎖存器芯片74HC573保障顯示時(shí)間的兩個(gè)數(shù)碼管的正常運(yùn)行，P2口的8位輸出作為兩位時(shí)間顯示的段選，P3口的8位輸出作為交通燈的狀態(tài)顯示的段選，它們的位選w1、w2和w3分別通過P1.3、P1.4和P1.3控制。控制時(shí)間的定時(shí)器采用定時(shí)器1的工作方式1，設(shè)置TMOD=0x10；給定時(shí)器賦初值即TH1=(65 536-50 000)/256;TL1=(65 536-50 000)%256，定時(shí)50 ms。

設(shè)計(jì)好系統(tǒng)后，要求學(xué)生運(yùn)行Proteus軟件，新建“具有紅綠色盲患者使用功能的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)”設(shè)計(jì)文件；按照系統(tǒng)的需求，放置并編輯AT89C51CAPCRYSTAL RES 7SEG-MPX1-CC 7SEGMPX2-CC 74HC573等元器件；完成系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)后，進(jìn)行電氣規(guī)則檢測(cè)，直至檢測(cè)成功。進(jìn)行仿真運(yùn)行，具體仿真效果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)Proteus軟件仿真結(jié)果

3 競(jìng)賽促進(jìn)教學(xué)改革

隨著國家、省、校三級(jí)聯(lián)動(dòng)，建立了一系列獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，學(xué)科競(jìng)賽規(guī)模和覆蓋面不斷擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了由階段性工作向常態(tài)性工作轉(zhuǎn)變，由少數(shù)師生參與向全體師生參與轉(zhuǎn)變，形成了良好的學(xué)科競(jìng)賽氛圍，也帶動(dòng)了一系列良性效應(yīng)。

3.1 競(jìng)賽促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案完善

學(xué)科競(jìng)賽給專業(yè)教師提供了走出去的機(jī)會(huì)，促進(jìn)了與其他高校的交流及指導(dǎo)教師對(duì)競(jìng)賽項(xiàng)目中熱門技術(shù)的了解和學(xué)習(xí)，通過歷年來競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)的積累和總結(jié)，我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案在不斷完善[8]。例如：智能控制是各種物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)中不可或缺的部分，智能家居中各種電器門窗的開閉控制、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中各種設(shè)備的開啟控制等，在指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽的過程中，每當(dāng)遇到物聯(lián)網(wǎng)控制問題，學(xué)生都需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間，而且實(shí)現(xiàn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，多次遇到類似情況后，經(jīng)教研室教師討論，并與其他高校進(jìn)行交流發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)控制類的基礎(chǔ)課程確實(shí)需要開設(shè)，故在我校2018年的物聯(lián)網(wǎng)工程人才培養(yǎng)方案中，已經(jīng)增設(shè)了該類課程。

3.2 競(jìng)賽促進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備升級(jí)優(yōu)化

為鼓勵(lì)學(xué)生參加各類競(jìng)賽，學(xué)校和學(xué)院投入了專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持，給學(xué)科競(jìng)賽提供了后期保障，更重要的是，各界對(duì)競(jìng)賽的重視有效地提高了專業(yè)課程中實(shí)踐教學(xué)設(shè)備更新升級(jí)的速度。為了更好地鍛煉物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，安慶師范大學(xué)為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)配備了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)上課的學(xué)生都能有一個(gè)試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱中幾乎包含了搭建物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)需要的所有組件；另外，建設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，包括智能物流、智能倉儲(chǔ)、智能圖書館、智能交通等多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)；學(xué)校還建設(shè)了一套占地20多平米的智能家居系統(tǒng)，良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的基礎(chǔ)保障。

4 總結(jié)

本文主要介紹了學(xué)科競(jìng)賽對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)的促進(jìn)，學(xué)科競(jìng)賽不但能夠促進(jìn)學(xué)生將理論知識(shí)學(xué)以致用，不斷提高實(shí)踐操作技能，還可以將競(jìng)賽作品返回課堂，讓實(shí)踐促進(jìn)理論教學(xué)。另外，學(xué)科競(jìng)賽在一定程度上促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案的完善。

學(xué)科競(jìng)賽的核心是學(xué)生和指導(dǎo)教師，經(jīng)驗(yàn)豐富的指導(dǎo)教師和專業(yè)優(yōu)秀的學(xué)生能夠決定競(jìng)賽作品的質(zhì)量，然而，指導(dǎo)老師的進(jìn)修、培訓(xùn)機(jī)會(huì)的提供，競(jìng)賽作品中設(shè)備的購置、競(jìng)賽過程中產(chǎn)生的差旅費(fèi)用等，都需要學(xué)校和學(xué)院提供保障。總之，學(xué)科競(jìng)賽需要學(xué)校、學(xué)院、指導(dǎo)教師和學(xué)生多方的努力和協(xié)調(diào)。