電氣信息類專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)改革

陳波 李琦 趙建敏 王月明

摘 要：針對(duì)社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)人才需求的日益提高，結(jié)合電氣信息類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與探索。通過(guò)研制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)層次化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，完善實(shí)踐教學(xué)管理模式，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)效果。實(shí)踐結(jié)果證明，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，提高了綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的能力，拓寬了就業(yè)面，達(dá)到了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);實(shí)踐教學(xué);實(shí)驗(yàn)平臺(tái);人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）02-0-04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)[1]。工業(yè)和信息化部《物聯(lián)網(wǎng)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中指出，“十三五”時(shí)期，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)、新業(yè)態(tài)廣泛應(yīng)用，培育壯大新動(dòng)能成為國(guó)家戰(zhàn)略[2]。物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)、電子信息、通信工程、傳感技術(shù)等相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，具有知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨學(xué)科領(lǐng)域多、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)等特點(diǎn)。因此，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和典型應(yīng)用的研究開(kāi)發(fā)成為各高校和相關(guān)企業(yè)的重要工作，也成為各高校相關(guān)專業(yè)教學(xué)和科研的新方向[3-4]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有綜合性強(qiáng)和應(yīng)用面廣等特點(diǎn)，更加注重工程實(shí)踐能力、工程創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，因此物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在人才培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用[5-6]。我校物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)是在嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，教學(xué)過(guò)程中的諸多環(huán)節(jié)需要進(jìn)一步探索與改進(jìn)。由信息工程學(xué)院科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)教師組成物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，在總結(jié)以往實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將科研工作中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)，針對(duì)目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制、實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理等多方面進(jìn)行有益探索和嘗試。

1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

目前，已有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備技術(shù)相對(duì)落后、功能單一，大多只針對(duì)一種技術(shù)或一種微處理器開(kāi)展，無(wú)法滿足不同年級(jí)、不同層次學(xué)生需求多樣性的問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及面廣，新技術(shù)層出不窮，工程項(xiàng)目中已廣泛使用各種有線和無(wú)線通信方式，如WiFi、以太網(wǎng)、ZigBee、藍(lán)牙、GPRS等?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏相應(yīng)內(nèi)容，大多仍然停留在理論教學(xué)、概念認(rèn)知的層面，并未在實(shí)踐教學(xué)中得以體現(xiàn)。立項(xiàng)之初實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新?lián)Q代便成為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首要解決的問(wèn)題。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)前期進(jìn)行了大量調(diào)研，走訪知名高校，同時(shí)了解相關(guān)廠家實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品情況。許多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重點(diǎn)關(guān)注培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)中感知層和網(wǎng)絡(luò)層的技術(shù)，較少涉及應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理和上層用戶接口，學(xué)生難以體會(huì)到完整的行業(yè)應(yīng)用過(guò)程。高校中現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是面向研究生的科研型平臺(tái)，面向本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)型平臺(tái)較少[3]。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員具有豐富的理論和實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，近年來(lái)主持或參與過(guò)多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)科研課題，積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)反復(fù)論證，最終決定自行設(shè)計(jì)研制物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)近三年的研發(fā)，不斷改進(jìn)與完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)已研制成功并正式投入實(shí)踐教學(xué)。

物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱、服務(wù)器數(shù)據(jù)中心和手機(jī)客戶端三部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層[7-8]，物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱涵蓋感知層和傳輸層，應(yīng)用層由服務(wù)器數(shù)據(jù)中心和工作站以及手機(jī)客戶端組成。服務(wù)器數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)服務(wù)功能，手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

感知層由多種傳感器、遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器、射頻識(shí)別讀寫(xiě)器、二維碼掃碼槍、近場(chǎng)通信模塊和GPS/北斗定位模塊組成。

傳輸層支持以太網(wǎng)和GPRS遠(yuǎn)程傳輸方式，以及WiFi、藍(lán)牙、ZigBee近程傳輸方式。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層在服務(wù)器上基于Nginx搭建數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用Flask框架[9]開(kāi)發(fā)后臺(tái)服務(wù)，基于vue.js技術(shù)[10]開(kāi)發(fā)手機(jī)端應(yīng)用程序。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用可插拔模塊化設(shè)計(jì)，提供多達(dá)16路傳感器，設(shè)備資源可根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景需要自由組合。實(shí)驗(yàn)箱提供STC15單片機(jī)、STM32微處理器和樹(shù)莓派三種主控制器以供選擇，解決不同年級(jí)、不同層次、不同專業(yè)學(xué)生對(duì)硬件處理器平臺(tái)熟悉程度不同，需求多樣性的問(wèn)題。本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特別針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通信模式單一的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中集成了目前實(shí)際工程中已被普遍應(yīng)用的多種有線和無(wú)線通信解決方案，培養(yǎng)學(xué)生駕馭各種傳輸方式及通信協(xié)議的能力。與物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)箱配套，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加入后臺(tái)服務(wù)器和手機(jī)客戶端等硬件資源構(gòu)成完整的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中后臺(tái)服務(wù)器端軟件開(kāi)發(fā)以及移動(dòng)端應(yīng)用開(kāi)發(fā)內(nèi)容的理解能力，幫助學(xué)生培養(yǎng)利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性解決問(wèn)題的能力。物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主流技術(shù)，可支持多種物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，滿足本科生基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)訓(xùn)和提供課外科技創(chuàng)新平臺(tái)的需求，同時(shí)也可作為研究生開(kāi)展科研項(xiàng)目的原型設(shè)計(jì)研發(fā)平臺(tái)。

2 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)[11-12]，面向信息工程學(xué)院自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、建筑電氣與智能化、通信工程、電子信息工程、計(jì)算機(jī)及電氣專業(yè)，服務(wù)于微型計(jì)算機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)、智能儀表、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、建筑智能環(huán)境學(xué)等相關(guān)課程。從物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用的角度，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行細(xì)致梳理，將可開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與對(duì)應(yīng)的專業(yè)課程進(jìn)行劃分。電氣信息類專業(yè)根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)的不同在選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)可有所側(cè)重。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既要按照不同技術(shù)層面設(shè)計(jì)分門別類的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又要重視學(xué)科之間、技術(shù)層面知識(shí)之間的內(nèi)部邏輯聯(lián)系，設(shè)計(jì)層次化的實(shí)驗(yàn)體系[13]，注重不同學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)體系分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專題實(shí)訓(xùn)，其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1所列。

為便于學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要點(diǎn)，理解物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)施過(guò)程，在具體組織物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)打破原有課程體系，將物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系重新劃分為感知識(shí)別實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)驗(yàn)和綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)三部分[14]，對(duì)不同年級(jí)和專業(yè)的學(xué)生可分階段循序漸進(jìn)地開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。

物聯(lián)網(wǎng)感知實(shí)驗(yàn)包括微處理器基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及傳感器與感知實(shí)驗(yàn)兩部分。在學(xué)生掌握微處理軟硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，加深對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)與理解，重點(diǎn)在于讓學(xué)生了解常見(jiàn)的傳感器原理，掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法，能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與顯示，為后續(xù)應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)驗(yàn)包括通過(guò)以太網(wǎng)、串口通信的有線接入實(shí)驗(yàn)和通過(guò)WiFi，GPRS，藍(lán)牙，ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入與組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，以及RFID和近場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)。此部分內(nèi)容重點(diǎn)讓學(xué)生理解無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)通信原理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及組網(wǎng)技術(shù)，學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用多種技術(shù)手段搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的有效傳輸。

綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)包括數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和手機(jī)端應(yīng)用開(kāi)發(fā)兩部分內(nèi)容，具體包括服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)搭建實(shí)驗(yàn)、后臺(tái)服務(wù)器程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、手機(jī)端APP開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。此部分實(shí)驗(yàn)要綜合運(yùn)用傳感器器件，構(gòu)建無(wú)線或有線通信網(wǎng)絡(luò)，并開(kāi)發(fā)上層應(yīng)用軟件，模擬完成一個(gè)真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)專題實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)作為實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，在電氣信息類各專業(yè)的人才培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)實(shí)訓(xùn)，學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際需求相結(jié)合，真正做到學(xué)以致用，實(shí)現(xiàn)對(duì)創(chuàng)造性思維與工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提升教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)質(zhì)量[15]。

3.1 專題實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)題目主要來(lái)源于教師科研項(xiàng)目，選取具有典型代表性的題目作為實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，每個(gè)項(xiàng)目都能自成系統(tǒng)，而且涉及的技術(shù)要點(diǎn)能夠覆蓋物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，能夠體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)內(nèi)容。已投入實(shí)施的8個(gè)專題實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目見(jiàn)表2所列。

3.2 實(shí)訓(xùn)過(guò)程管理

為保證實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的有效實(shí)施，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程管理模式方面也進(jìn)行了探索。學(xué)生以小組為單位分配實(shí)訓(xùn)題目，組內(nèi)成員再分工合作共同完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，這樣既可以讓小組中每個(gè)學(xué)生都得到鍛煉，而且大家都對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目有了整體認(rèn)識(shí)與系統(tǒng)性理解。每個(gè)項(xiàng)目配備一名指導(dǎo)教師，負(fù)責(zé)項(xiàng)目過(guò)程的指導(dǎo)與監(jiān)督。實(shí)訓(xùn)題目在實(shí)訓(xùn)驗(yàn)收前兩個(gè)月布置，要求每周匯報(bào)一次進(jìn)展情況。同時(shí)，指導(dǎo)教師定期進(jìn)行指導(dǎo)與答疑，并通過(guò)微信群等形式及時(shí)與學(xué)生溝通，解答學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。對(duì)實(shí)訓(xùn)相關(guān)的開(kāi)發(fā)技術(shù)分單元模塊進(jìn)行培訓(xùn)，并利用網(wǎng)上微課平臺(tái)分享課件與技術(shù)資料，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。最終實(shí)訓(xùn)驗(yàn)收環(huán)節(jié)以答辯形式進(jìn)行，學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物演示與設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹，通過(guò)問(wèn)答環(huán)節(jié)考查每一名學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)內(nèi)容的掌握情況。

通過(guò)加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)過(guò)程各環(huán)節(jié)的管理，師生之間通過(guò)多種途徑互動(dòng)交流，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，經(jīng)常利用課余時(shí)間自發(fā)組織小組內(nèi)部討論，每次答疑學(xué)生都積極參加、踴躍提問(wèn)。通過(guò)實(shí)訓(xùn)過(guò)程的集中訓(xùn)練，學(xué)生能夠完整地體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程，從采集節(jié)點(diǎn)硬件搭建、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、服務(wù)器后臺(tái)程序設(shè)計(jì)到手機(jī)APP開(kāi)發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)內(nèi)容都得到了較深入的學(xué)習(xí)實(shí)踐，對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)都是一次很好的提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合電氣信息類專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)如何開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了有益的探索與嘗試，不但自行設(shè)計(jì)、研發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完善、豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，同時(shí)對(duì)涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的課程內(nèi)容進(jìn)行了深入整理，提出層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，尤其對(duì)專題實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)項(xiàng)目選題、過(guò)程管理等進(jìn)行了深入探討。項(xiàng)目成果已在內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)微型計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)以及建筑電氣與智能化專業(yè)連續(xù)兩屆畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用實(shí)施，取得了良好的教學(xué)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（3）：1-9.

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