“口袋”實驗室在物聯(lián)網(wǎng)工程實驗教學中的應用

劉 艷， 秦昌明

(1. 大連大學 信息工程學院， 遼寧 大連 116622； 2. 大連大學 教務處，遼寧 大連 116622)

“口袋”實驗室在物聯(lián)網(wǎng)工程實驗教學中的應用

劉 艷1， 秦昌明2

(1. 大連大學 信息工程學院， 遼寧 大連 116622； 2. 大連大學 教務處，遼寧 大連 116622)

為了提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生的“工程應用”、“實際動手”、“創(chuàng)新實踐”能力，在創(chuàng)新實踐教學中引進“口袋”實驗室，建立基于“一套平臺貫穿一系列課程體系，三年實踐不斷線”的創(chuàng)新實踐教學新體系，旨在打破實驗的空間限制，讓學生在項目實踐中學習和掌握系統(tǒng)的知識體系，充分發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學生知識綜合運用能力和工程實踐能力。

物聯(lián)網(wǎng)； 實驗教學； 口袋實驗室； 能力培養(yǎng)

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀分析

物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術是由通信、計算機、電子等多學科融合形成的、應用性非常強的、現(xiàn)有信息技術綜合集成化的工程應用技術[2]。在我國，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展走的是以應用為引導、技術與應用相互促進、最終形成和諧的物聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新體系和技術創(chuàng)新體系，推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路[3]。因此，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要大批高素質、創(chuàng)新型的工程技術人才，而創(chuàng)新型工程技術人才的培養(yǎng)，關鍵是建立創(chuàng)新型的工程實踐教學體系。

在我國高校，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個“新建專業(yè)”，多數(shù)師資都是從計算機、通信、控制等其他相關專業(yè)調整過來的，加之部分教師本身就缺乏生產(chǎn)或實際工程項目研發(fā)經(jīng)歷，因此，普遍存在對物聯(lián)網(wǎng)實驗教學，尤其是工程實踐教學功能、模式認知不夠的問題，導致采購的實驗儀器設備與實際教學目標不相符，“傻瓜型”實驗箱居多，這種現(xiàn)象在地方高校尤為嚴重[4-5]。這些實驗箱通常集成度較高、功能也比較豐富，但留給師生二次開發(fā)的資源十分有限，實驗過程中通常只需要學生調節(jié)預留開關，或僅僅按說明書設定好參數(shù)，然后在上位機或實驗箱上直接觀測實驗現(xiàn)象或結果，根本不具備為學生開設自主性設計性實驗的環(huán)境，更談不上進行啟發(fā)性創(chuàng)新性實驗。在物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓方面，國內多數(shù)高校采用智能家居、智慧農(nóng)業(yè)大棚等成形實訓系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)上，學生更多的是在進行簡單的操作配置和觀看演示效果[6-7]。通過上述實驗過程，學生可以一定程度獲取對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感性認識，但由于缺少實際動手實踐機會，學生會很快喪失學習興趣，不利于培養(yǎng)學生的工程意識和創(chuàng)新型思維。

2 “口袋”實驗室

傳統(tǒng)的實驗模式是學生需要在規(guī)定時間、指定儀器或實驗箱上進行限定性實驗，以驗證所學理論知識。這種學習方式具有一定時滯性，當學生一旦有靈感而又無法進入實驗室時，靈感可能就永遠實現(xiàn)不了，因為等下一次進入到實驗室時，由于其他的操作任務而無暇實現(xiàn)之前的想法，或者之前的想法早已遺忘。另外，實驗箱的價格相對較高、體積較大，直接購置，學生難以承擔，且攜帶也極不便。

“口袋”實驗室理念[8-9]近幾年由美國德州儀器(TI)和賽靈思(Xilinx)中國大學計劃項目引入中國，泛指各種功能強大的小型開發(fā)板，倡導一種不受時間、空間限制的全新實驗教學模式。目前，現(xiàn)有芯片制造技術可以生產(chǎn)出1元硬幣大小的“口袋”實驗室，如圖1所示，可堆疊的創(chuàng)意開源硬件Microduino，它們具有“小身材，大能量，開源性”的優(yōu)點，方便學生二次開發(fā)。

圖1 可堆疊的創(chuàng)意開源硬件Microduino

器件的小型化和低成本使“口袋”實驗室能打破實驗的空間限制，學生不必到實驗室預定位置進行實驗，可以在任何時間、任何地點實現(xiàn)其任何想法，可以隨時隨地進行理論與實踐的結合，學生之間可以隨時交換實驗體會和想法，從而能夠有效提高學生學習的趣味性，提高動手實踐能力、理論與實踐結合能力，增進學生之間感情，強化其探索精神與創(chuàng)新意識。

此外，“口袋”實驗室若與物聯(lián)網(wǎng)公共云服務配合，還可打通物聯(lián)網(wǎng)的感知層和應用層，實現(xiàn)真正意義上的實際項目開發(fā)。

3 Yeelink云服務

Yeelink是國內首個開放的通用物聯(lián)網(wǎng)平臺，致力于建立一個完全開放性物聯(lián)網(wǎng)云端，提供傳感器數(shù)據(jù)的接入、存儲和展現(xiàn)服務，能夠為編程開發(fā)者、軟硬件廠商提供一個開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺，使得物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者無需關心網(wǎng)絡服務器實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)的細節(jié)，就可以擁有駕馭物聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品的基本能力，提高開發(fā)的效率和降低開發(fā)的難度[10]。目前，Yeelink SDK只做Arduino平臺，Arduino是一個開源的、擁有簡單輸入輸出的電路板，它沿用了Processing語言的開發(fā)環(huán)境且IDE(集成開發(fā)環(huán)境)完全免費開源[11-12]。

4 基于“口袋”實驗室與Yeelink云服務的創(chuàng)新實驗教學體系

學習并掌握物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術理論、提高學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力、培養(yǎng)適合國家和行業(yè)發(fā)展的專業(yè)工程技術人才，已成為高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心教育目標[13]。針對上述人才培養(yǎng)目標，我們提出基于“口袋”實驗室和Yeelink云服務、3年實踐不斷線的創(chuàng)新實踐教學新模式。通過前期實踐，該人才培養(yǎng)模式取得了良好的實踐效果。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)“口袋”實驗室建設

為豐富學生第二課堂，保證最多的學習時間和充分自由的空間，讓學生隨時可以在寢室、圖書館等場所自主進行物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意作品設計，提供“讓想象落地”的平臺，我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)推行了“口袋”實驗室計劃。2014年初，我校電工電子實驗中心與上海塔普儀器制造有限公司合作，引進Microduino物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新套件，籌建了物聯(lián)網(wǎng)“口袋”實驗室。如圖1、圖2所示，套件中各模塊體積較小，可以獨立使用、疊加使用，且軟硬件開源，便于學生在此基礎上做“硬件再發(fā)明”的科技達人。

圖2 Microduino無線通信模塊

套件中包含多種傳感器模塊和無線組網(wǎng)模式，硬件資源設有Arduino、Microduino兼容接口，有WiFi通信模塊、ZigBee通信模塊、20多種傳感器模塊、MIP架構的多功能嵌入式網(wǎng)關、CortexA9+FPGA一體化嵌入式系統(tǒng)模塊、4G通信模塊和其他配套執(zhí)行結構，支持物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層、應用層電子原型系統(tǒng)開發(fā)。

“口袋”實驗室采用開放式管理模式，學生可以根據(jù)專業(yè)課程進展情況和個人設計興趣從實驗中心借用相關模塊用于課后自主學習?！翱诖睂嶒炇矣媱澋膶嵤┎粌H減輕了學生與教師的壓力，而且保證了學生不會因為時間與空間的限制而帶著問題結束課程，或使瞬間創(chuàng)意靈感消失而留有遺憾。

4.2 創(chuàng)新性實踐教學的實施

瑞士學者皮亞杰曾說：“教育的目的在于培養(yǎng)可以創(chuàng)造新事物的人，而非重復上一輩子已經(jīng)做過的事，這些人應該具備創(chuàng)造力、開拓性并善于發(fā)現(xiàn)?！睘榇罅ν七M創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，我們嘗試著基于“口袋”實驗室和Yeelink云服務，以遠端數(shù)據(jù)采集/控制技術為主要方向，在第一、第二課堂中開展了學生為主體的創(chuàng)新實踐教學活動。

首先，在課堂上不再僅僅局限于欣賞已有的案例，一步一步研究清楚現(xiàn)有的發(fā)明是如何實現(xiàn)的傳統(tǒng)模式，而是致力于將“玩中學、做中學”的精神融入到必修課程的教學活動中，鼓勵學生利用“口袋”實驗的開源技術，把傳統(tǒng)課堂與創(chuàng)意作品的創(chuàng)新實踐活動結合起來，采用創(chuàng)意作品由簡單逐步過渡到復雜的設計模式，引導學生循序漸進地掌握物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)要領，為后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)工程應用實踐打下堅實的基礎。在整個專業(yè)課程學習期間，我們鼓勵學生利用“口袋”實驗室先將身邊觸手可及的智能手機變身成為一個實用電器的遙控器或工作狀態(tài)的提醒器，體驗點對點間的無線通信。隨著所學專業(yè)知識的不斷深入，再讓學生考慮通過Zigbee組網(wǎng)技術增加受控設備數(shù)量，實現(xiàn)一臺手機同時控制多臺設備的功能，最后，介紹Yeelink云服務資源給學生，啟發(fā)他們嘗試打通物聯(lián)網(wǎng)的感知層和應用層，實現(xiàn)真正意義上的遠端智能控制系統(tǒng)的項目實踐。這種隨課程進程逐步深入的實踐模式，不僅有助于幫助學生建立完整的、系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)知識體系，而且還可以保證學生3年實踐不斷線。

其次，將“口袋”實驗室應用于第二課堂，組成學生興趣小組，利用口袋實驗室讓基礎好的學生學習與專業(yè)相關的課外內容，擴展學生的知識面，同時培養(yǎng)學生由被動地接受知識，轉變?yōu)榻Y合自己的研究興趣和研究方向，自己發(fā)現(xiàn)問題，并帶著問題有目的地尋找解決路徑，從而獲得新知識、新啟蒙的能力。通過近一年的實踐，學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識有了明顯提高。

圖3是學生興趣小組歷時半年課余時間，基于“口袋”實驗室和Yeelink云服務獨立設計完成的一個典型項目案例——“Microduino+Wechat的智能家居控制系統(tǒng)”創(chuàng)意方案和原型產(chǎn)品。它是基于微信公眾平臺(見圖4)和“口袋”實驗室模塊(見圖5)實現(xiàn)了智能家居的遠端控制，該系統(tǒng)主要有3個功能模塊：

(1) 采集模塊。采用型號為DHT11的溫濕度傳感器，以及基于PT550環(huán)保型光敏二極管的光線傳感器等完成對空間環(huán)境的數(shù)據(jù)信息的實時采集。

(2) 控制模塊。以Microduino core為控制單元，疊加搭配Enc28j60+Rj45模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理、傳輸及控制。

(3) 云平臺及移動終端?；赟AE和微信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存和用戶查詢、控制等功能。

圖3 Microduino+Wechat的智能家居控制系統(tǒng)設計構思

圖4 微信下的指令測試

圖5 開發(fā)所需的“口袋”實驗室模塊

傳感器將環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度等一系列A/D量采集到主控板Microduino core(Atmel ATmega328P)上，通過Microduino Enc28j60(兼容IEEE 802.3的以太網(wǎng)控制器)+Rj45(網(wǎng)卡接口)模塊上傳數(shù)據(jù)到支持PHP和SQL的Yeelink云平臺上，此時只需通過微信公眾平臺，發(fā)送相應文字或語音指令，即可實現(xiàn)智能遠端控制。

項目實施過程中，學生經(jīng)歷了課題組研究選題，廣泛搜集資源，與合作公司技術人員溝通交流，自主學習、構思、策劃、調試全過程，指導教師只在目的、條件和要求方面給予了一定指導，設計的過程、方法和最后結果全部由學生自行得出。

5 結束語

目前，“口袋”實驗室由于可以隨身攜帶，已漸漸為高校眾多學子所熟知，正逐漸成為他們日常生活的一部分?！翱诖睂嶒炇也粌H可以幫助學生更快地熟悉相關技術產(chǎn)品、展開項目實踐、進入開發(fā)者的角色，而且與專業(yè)實驗結合后，還可將枯燥的專業(yè)課程學習和學生興趣有機地結合在一起，詮釋“激發(fā)興趣，挖掘潛力”的觀點，將學習和興趣融為一體，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑之一。如今，“口袋”實驗室也成了眾多高校的選擇。

References)

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Application of “Pocket Laboratories” in experimental teaching of Internet of Things engineering

Liu Yan1， Qin Changming2

(1. Information Engineering Institute, Dalian University, Dalian 116622, China; 2. Dean’s Office, Dalian University, Dalian 116622, China)

In order to enhance the students’ technical application ability, practical operative ability, innovative and practical ability in Internet of Things field, the “Pocket Laboratories” plan is introduced in the innovative practical teaching. The new practical teaching system is established based on a “Pocket Laboratories” platform covering a new innovative practical teaching system with a series of curriculum systems and three years continuous practicing ideas. The aim of the reform is to break the space limitation of experiments, to make students learn and master systematic body of knowledge in the actual project, to foster students’ imagination and creativity, and to cultivate students’ ability of comprehensive use in theoretical knowledge and engineering practice.

Internet of Things; experimental teaching; pocket laboratories; ability training

2014- 04- 06

2014年遼寧省高等教育教學改革項目“面向產(chǎn)業(yè)的地方高校物聯(lián)網(wǎng)工程應用型人才培養(yǎng)體系創(chuàng)新研究與實踐”(UPRP20140114)；2014年大連大學校級重點資助項目“物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)卓越工程師教育培養(yǎng)體系的研究與實踐”

劉艷(1967—)，女，遼寧大連，博士，副教授，自動化系主任、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)負責人，研究方向為RFID技術及應用、物聯(lián)網(wǎng)技術、電力傳動系統(tǒng)控制等.

E-mail：linda_whb@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0212- 04