电子应用综合实训北京工业大学方娟：基于HCNA-IoT的物联网综合实训课程建设|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

北京工业大学方娟：基于HCNA-IoT的物联网综合实训课程建设

项目批次：2021年第二批

项目编号：202102278057

项目类型：新工科建设项目

项目实施背景

物联网工程专业着力构建全员育人、全程育人、全方位育人的“三全育人”体制机制，旨在突出实践、强化能力、以赛促学，培养学生解决复杂问题能力、创新创业能力和科研素养，进行实践教学体系、内容和模式的改革与创新。

本项目重点对“物联网综合课程设计”进行改革，将华为公司的HCNA-IoT认证培训课程内容有机嵌入到北京工业大学物联网综合实训课程中。通过吸收HCNA-IoT认证课程中的前沿技术和热点应用，解决北京工业大学物联网实训课程内容实践性不足的问题；通过培养物联网工程专业学生参加HCNA-IoT认证并取得证书，帮助学生尽早建立求职竞争的优势地位，提高学生课程学习的积极性。项目成果之一，由人民邮电出版社出版的教材《物联网应用技术-智能家居》目前已被多所学校采用为教材，该项目为新工科背景下校企之间在人才培养方面的合作做了有益的尝试和探索。

改革思路及举措

物联网工程实践是为物联网专业学生单独开设的一门以动手实践为主的课程，其目的是使学生理解物联网技术的基本概念，以物联网体系结构为核心，从基本的感知层，到网络层，到应用层；从物联网的构建，到物联网的管理，到物联网的应用，实现整体的物联网架构与管理，让学生能够综合运用所学知识，进行应用系统设计，强调学生实际技能和综合能力的培养。具体可分解为以下子目标：

（1）掌握M2M的系统架构。

（2）掌握物联网关键技术实现，包括RFID、WSN、应用层编程、云平台通信等。

（3）培养系统能力和面向系统构建的交流和团队协作能力。

（4）通过以智能家居为设计场景、以华为物联网典型产品与解决方案为主要手段，培养物联网系统设计与开发的能力。

1、主要思路

物联网综合实训课程重在“综合”与“实训”，即围绕物联网工程领域的全部知识，对知识点进行梳理，建立宏观的、整体的概念。同时将该体系应用于实践，通过实际项目训练学生将理论知识应用于实践的能力。总体上，本项目建设的主要内容是将华为的HCNA-IoT认证培训课程内容有机嵌入到北京工业大学物联网综合实训课程中。项目探索了在应用型人才培养中将学历教育过程与职业教育和认证过程有机融合的方式和方法。

本项目的物联网实训课程选择与华为公司共同编写的物联网专业实践教材系列中的《物联网应用技术（智能家居）》作为课程教材，选择HCNA-IoT其他辅导材料为参考辅助教材。

2、教学方式

（1）课程教学采用项目驱动方式，将所学的专业理论知识和实践技能穿插其中，在完成项目的过程中，自然而然地学习和吸收知识点的内容。课程以华为 HCNA-IoT 认证课程内容为主线，以通过 HCNA-IoT 认证为目标，将整体内容划分为模块，每个模块用2-4个学时实现；

（2）教学内容方面，课程选取包含由感知层、网络层和应用层构成的一个完整的物联网系统体系架构，让学生在数据采集、网络传输、数据处理和智能控制等方面的设计与开发得到全面的训练；

（3）教学组织和教学方法方面，课程采用分组的方式，每组2-3名同学，共同完成项目设计与开发任务，教学过程中，采用讲解、分析、引导、演示、讨论和互动等形式，引领学生完成项目的设计、开发、测试和设计报告的撰写；

（4）课程考核方面，根据该课程实践性强的特点，从系统验收、口试、设计报告和系统演示等方面对学生学习情况进行全方位考核；

（5）教师队伍建设方面，组织教师参加华为的师资培训，提高自身业务水平，将已有的理论知识与华为软硬件环境和实践进行结合，融会贯通，并且组织教师积极参加HCAI讲师资格认证考试。

3、课程设计内容

完成课题：智能办公室系统的设计与实现

智能办公室的结构采用M2M的架构，考勤系统采用RFID技术，环境的检测和控制采用传感器和WSN技术，与云端的通信开发采用华为OceanConnect云平台。

1)员工上班时，可以通过刷RFID卡进行考勤。

2)员工进入办公室以后，可以通过控制终端（智能手机或者PC机）检测/控制室内环境。

3)整个智能办公室系统有一个集中的控制中心，也就是智能办公室采用M2M的架构。

4)在云平台上进行在线硬件开发，并调用云平台API进行硬件编解码开发，模拟北向应用，实现与云平台的联动。

5)选做内容：控制终端、行业应用的功能、数量可以自由发挥。

要求

1)RFID卡及阅读器，阅读器中的数据能够通过WiFi等网络形式读出，或通过有线形式传送到M2M平台。

2)传感器及传感器网络，能够通过WSN将传感器中的数据读出，传送到M2M平台。

3)编程实现M2M平台上与RFID阅读器和WSN的接口部件，实现采集数据的接收（通信接入）、存储（数据库）。

4)行业应用为应用软件部分，需学生编程实现，可以为PC机，具有与M2M平台的网络连接。M2M平台通过通信接入模块提供数据输出接口，以便于以任选方式提供终端查询功能，例如可以通过socket通信输出查询数据，或者以web形式，或者开发手机app进行数据查询。

5)云平台在线硬件开发部分，需掌握华为OceanConnect云平台开发流程，南、北向数据通信流程，可通过调用API进行鉴权、设备数据修改、数据查询等操作。

6)各种编程接口和编程环境需要统一起来，如统一为C++环境或者Java环境，易于使用。

实验需要在掌握基本原理的基础上、在总体结构的指导下，设计并实现RFID数据采集、WSN数据采集、无线传感网数据传输、M2M平台数据通信、M2M平台数据管理、客户端软件模块、云平台通信。要求学生完成相关模块的功能设计，自行选择实现语言，每组最后提交规范的实验报告。

4、培养目标

首先，通过对较大型物联网综合系统的设计、调试、实现，引导学生经历物联网小型系统的构建流程，综合应用计算机、电子和网络通信技术设计、开发和应用物联网系统的能力，以及开发、选择与使用恰当的技术、资源和相关工具，分析和解决物联网系统中实际工程问题的能力；

其次，培养学生对复杂工程问题的理解能力，能够基于相关知识对解决方案进行合理分析，了解其局限性，评价其对环境、社会发展等方面的影响；

第三，通过在物联网系统的设计与评价过程中引入社会主义核心价值观体系，培养学生良好的文化素养、社会责任感和职业道德；

第四，通过分组，学生需要从分工、设计、实现、口头和书面报告等环节中相互协调、相互配合，培养较强的组织和团队合作能力、较强的表达能力，能够对物联网项目进行有效的组织实施和管理，从而培养学生的团队合作精神与能力；

第五，通过在物联网系统设计、实现的过程中信息的收集和获取，培养学生较强的分析和自学能力及终身学习能力，使其全方位多渠道获取物联网最新技术和标准，了解物联网相关领域的最新进展与发展趋势；

第六，培养学生表达（书面与口头）能力。

项目成果、创新点及成效

北京工业大学与华为合作成立ICT学院。北京工业大学2019年9月1日正式成为华为ICT学院创新人才中心，并获评为“2022年度卓越华为ICT学院”、“2023年度华为ICT学院最佳合作奖”。

本项目除了组织学生参加华为认证，还鼓励教师积极参加华为师资培训，提高自身业务水平，将已有的理论知识与华为软硬件环境和实践进行结合，融会贯通，目前学院已有54名师生获得华为认证证书。共指导本科生获得2020年、2019年华为ICT大赛全球赛一等奖、三等奖各一次；2020年iCAN国际创新创业大赛中国总决赛一等奖；2020年全国大学生物联网设计竞赛全国总决赛三等奖等多项奖项。

项目负责人2022年获评北京市课程思政教学名师，教育部-华为智能基座“栋梁之师”，“2022年华为鸿蒙生态人才建设春雨奖”、“华为鲲鹏开发者校园大使”、“华为ICT大赛2022-2023”全国总决赛-创新赛优秀指导教师奖，2023年“立德树人”我心目中最喜爱的老师、立德树人优秀班主任标兵、优秀教育教学成果一等奖，研究生课程思政优秀案例一等奖，“为党育人、为国育才”—讲述我的育人故事二等奖。

近几年随着物联网领域技术的快速发展，国内外每年都会举办高质量的学生竞赛，来激发学生的兴趣与潜能，增强自主学习动力和工程技术能力。物联网工程专业的学生们近几年重点参加了华为ICT大赛、全国大学生物联网设计竞赛、“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛、全国大学生“恩智浦杯”智能汽车竞赛等，其中华为ICT大赛由本专业负责人承办校内ICT大赛并推荐队伍至全国赛，自2019年至今已连续5年获得全球赛一等奖及全国赛一等奖的优异成绩，为学生的创新能力、团队合作能力等的提升搭建了良好平台。

随着物联网产业的蓬勃兴起，物联网工程专业得到了学校和产业界的高度重视，与物联网专业人才培养需求紧密相关的教材建设越来越重要。由教育部计算机类专业教学指导委员会主持的各类专业教材也在陆续编写中，本团队编写的物联网专业实践系列教材之《物联网应用技术（智能家居）》，目前已由人民邮电出版社出版，并作为我校物联网工程专业实践课程—物联网工程实践课设的主要参考教材，在课程设计中通过以智能家居为设计场景、以华为物联网典型产品与解决方案为主要手段，培养学生物联网系统设计与开发的能力。

应用及推广情况

物联网工程专业是一个新兴专业，本项目从微观课程入手，实践和探索通过校企深度合作产生新的教学思维和教学方式的方式方法。本项目实施后积累的经验，包括课程改革过程中取得的成果，培养学生的理念，培养学生解决复杂问题能力、创新创业的能力，均可以推广到整个物联网工程专业的其他课程、其他专业的课程建设以及相关高校的课程改革中。

本项目在2021年1月出版的《物联网应用技术（智能家居）》一书，印刷1版5次，销售近6000册，最新数据表明，北京印刷学院、北京石油化工学院、绵阳师范学院、喀什大学、青岛农业大学、成都师范学院、西南交大希望学院、哈尔滨信息工程学院、黄冈师范学院等多所学校已采用上述教材，后续还将有更多的学校使用，在学生培养过程中发挥更大的作用。

经验总结

本项目重点对物联网综合课设进行改革，将华为的HCNA-IoT认证培训课程内容有机嵌入到北京工业大学物联网综合实训课程中。实训课是实现上述目标的一门重要的专业必修课，帮助学生在了解和熟悉物联网工程软硬件环境的基础上，将课堂上学习的理论知识运用到实践中。该课程开设在大三第二学期，共计60学时，是设置学时最多的专业课程。学生在完成所有其他专业课之后才进入物联网综合实训课程中。课程要求学生根据个人兴趣和开发条件，综合应用嵌入式系统、无线传感器网络、RFID、M2M、数据库和软件工程等技术，分组进行实验，逐步完成应用场景的分析、系统框架的设计、功能模块的开发和调试等工作。课程目标为通过设计和开发一个完整的物联网应用系统，培养学生自顶向下地解决复杂工程问题的能力、创新能力和团队协作能力。因此该课程既是对物联网所有专业课程的总结和融会贯通，又是将学生从理论学习过程引入到实践过程的重要桥梁，同时在帮助学生建立对物联网技术的整体的、宏观的认识方面也起到了关键的作用。