物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)課程教學改革探討

楊守瑞，黃 薇，石 凡，王曉曄，溫顯斌

（天津理工大學 計算機科學與工程學院，天津 300384）

0 引 言

隨著5G等通信技術(shù)的更新，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域又將迎來更多的發(fā)展與行業(yè)應(yīng)用。在“新工科”背景下，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的本科教學旨在提升學生的工程能力與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)從事物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計、分析與科技開發(fā)及研究方面的工程技術(shù)人才[1-4]。

物聯(lián)網(wǎng)是物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知識別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、綜合服務(wù)應(yīng)用層組成。在物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)中，本文所討論的物聯(lián)網(wǎng)感知識別與控制層作為物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，是聯(lián)系物理世界與信息世界的橋梁，在物聯(lián)網(wǎng)中起到了源頭的作用。

物聯(lián)網(wǎng)是一個交叉學科，核心技術(shù)覆蓋整個信息學科，包括傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、 通信技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)等[5-8]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程一般為通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機等傳統(tǒng)學科的課程，這些課程之間缺少銜接各科知識的系統(tǒng)性、針對性、連續(xù)性的講解[9-10]。而物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)這門課程，設(shè)計范圍廣，可以幫助學生整合學到的各類知識點，培養(yǎng)學生構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的思維，在聯(lián)系已經(jīng)學的知識點的基礎(chǔ)上，拓展新的思維方式，為今后從事本專業(yè)的工作打下良好基礎(chǔ)。

相比于傳統(tǒng)計算機或者電氣的基礎(chǔ)課程，物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)課程開設(shè)時間較短，專業(yè)性較強，相關(guān)教材較少，如清華大學出版社出版的《物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)》，第2版與第1版之間相隔5年，更新速度慢。

作者結(jié)合近年來本科物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)課程的教學經(jīng)歷，提出針對普通院校的物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)課程改革的幾點經(jīng)驗和建議。

1 教學內(nèi)容編排與調(diào)整

物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)的教學內(nèi)容較復雜，該門課程需要包括物聯(lián)網(wǎng)概論、模擬電路與數(shù)字電路、微機原理等基礎(chǔ)課程的相關(guān)知識，本科教學多數(shù)安排在三年級。學生對物聯(lián)網(wǎng)和硬件有一定的了解，但限于課時，對這些知識點還需要有更多的理解和掌握。作者所在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)采用《物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)》作為基本教材和教學內(nèi)容進行講授，結(jié)合RFID與ZigBee實驗箱的實踐，在傳授基礎(chǔ)知識點的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學中的實際情況，做出相應(yīng)調(diào)整方案。

1.1 同類技術(shù)的歸納、分析

在物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)某種功能，達到某些指標，涉及可以選擇的各種同類技術(shù)很多，比如：溫度傳感器有熱電阻、熱電偶、半導體等多種原理形式；無線射頻識別技術(shù)（RFID）有不同頻率的技術(shù)參數(shù)；嵌入式控制器有微控制器、微處理器、數(shù)字處理器等；通信技術(shù)有線的有UART、I2C、SPI、CAN等，無線的有藍牙、ZigBee、WiFi、5G等；控制技術(shù)有PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等。這些同類技術(shù)各有特點，在實際應(yīng)用中，要求從事物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人員對這些技術(shù)進行合理選擇。因此，在課堂上對于同類技術(shù)的講解，在講述其原理的基礎(chǔ)上，用表格的形式，著重講解每類技術(shù)的特點以及合適的應(yīng)用場景。并且引導學生思考以及討論特定應(yīng)用場景下，綜合比較性能、穩(wěn)定性、成本、開發(fā)難度等，實現(xiàn)同類技術(shù)有依據(jù)的選擇。這樣，學生通過歸納分析不僅能更快速地掌握知識點，還能將技術(shù)靈活應(yīng)用到以后的工作中。

1.2 在系統(tǒng)框架中填充知識點，提高學生系統(tǒng)設(shè)計的能力

物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)這門課程設(shè)計范圍廣，包括傳感器，識別技術(shù)，RFID，模擬與數(shù)字數(shù)據(jù)的檢測、處理與融合，微處理器，人機交互，通信技術(shù)，驅(qū)動與控制技術(shù)等。對于這些知識，學生僅僅有概念還不夠，還需要將所學的知識點聯(lián)系起來，組成網(wǎng)絡(luò)，形成物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制系統(tǒng)的思維。為了達到使學生掌握系統(tǒng)的目的，首先，明確物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)在整個物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的地位，同時在講授各知識點時，明確各個知識點在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中的作用。其次，引導學生從系統(tǒng)末端到執(zhí)行器設(shè)計系統(tǒng)，布置開放性作業(yè)以及習題，給出應(yīng)用環(huán)境，讓學生設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)。然后選擇傳感器、模擬信號數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、嵌入式系統(tǒng)、控制算法、外部驅(qū)動等。在這類作業(yè)中，不過多要求掌握系統(tǒng)的性能，只是讓學生有系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)性思維。最后，在系統(tǒng)總結(jié)時，從系統(tǒng)框架出發(fā)，填充知識點，幫助學生掌握整個物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制系統(tǒng)。

1.3 增加學生查找資料以及讀取技術(shù)手冊的能力

物聯(lián)網(wǎng)作為新興的技術(shù)，更迭日新月異。對于學生來說，掌握經(jīng)典的知識已經(jīng)不能滿足其專業(yè)需求，需要培養(yǎng)學生自學能力以及查找資料的能力。比如對于傳感器及應(yīng)用技術(shù)的介紹，由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)一般會開設(shè)專門的傳感器課程，本課程中不需要重點講解傳感器的原理，而更強調(diào)傳感器的技術(shù)參數(shù)與應(yīng)用。授課過程中，可以打開某些傳感器的技術(shù)手冊，教會學生如何從中獲取需要的信息（比如量程、精度、接口形式等），講嵌入式系統(tǒng)時同理。課下作業(yè)可以讓學生去查找符合某個條件的傳感器的型號，或者給學生某型號的技術(shù)手冊，讓學生查閱，并且說明得到哪些重要的信息。這樣在課堂上就強制學生擁有查閱技術(shù)手冊的經(jīng)驗，初步掌握讀取技術(shù)手冊的方法，旨在使學生以后從事該專業(yè)領(lǐng)域的工作時，能夠更快速地獲取必要的信息。

1.4 增加寫作內(nèi)容，提高學生寫作能力

物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)作為專業(yè)課一般開設(shè)在大三，大三的學生已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)知識以及專業(yè)思維。同時，對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，其涉及面廣、應(yīng)用技術(shù)多、團隊協(xié)作緊密、資料更新快，其文字交流就變得十分重要。因此，學生在學習各類知識的同時需要學會撰寫說明書以及科技論文。在授課過程中，詳細講述撰寫說明書的要點、寫實驗報告內(nèi)容等，對于科技論文，不要求學生有很強的創(chuàng)新點，要求學生寫出從摘要、關(guān)鍵詞、引言到總結(jié)、參考文獻框架的小論文，鍛煉學生寫作能力的同時，為畢業(yè)設(shè)計論文打好基礎(chǔ)。布置一些學生感興趣的題目為作業(yè)，批閱后對其進行點評。實際教學過程中，證明學生后一次的寫作質(zhì)量相比于前一次有顯著提升。

1.5 以教材為模板，增加時事與前沿技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的技術(shù)不同于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)專業(yè)，其技術(shù)的發(fā)展較快，新興前沿技術(shù)更新周期較短，因此教程課本的再版速度會落后于技術(shù)的更新速度。在授課過程中，更需要緊跟時事與前沿技術(shù)。例如：近幾年很火的5G通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的應(yīng)用；我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的正式開通；70周年國慶晚會上LoRa無線通信技術(shù)的應(yīng)用等等。聯(lián)系時事，引導學生關(guān)注前沿技術(shù)的應(yīng)用，在增強學生興趣的同時開拓學生的視野，培養(yǎng)學生的專業(yè)敏感性。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)課程教學方式改革探索

物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)這門課的特點在于多學科交叉性強、技術(shù)更新快、概念較多且抽象，因此，如何讓學生快速掌握知識點、培養(yǎng)自主查閱資料以及工程實踐能力是教學方式改革重點考慮的問題。

首先，為了讓學生快速掌握知識點，在傳統(tǒng)授課的基礎(chǔ)上，增加互動與演示，上課時針對特定問題，多提問，可以拓展學生思維，讓學生說明自己的理解，同時可以采用小組討論并選代表發(fā)言的形式。盡量使用程序或者視頻演示，加深學生理解。

其次，為了培養(yǎng)學生自主查閱資料的能力，以小組為單位，為學生布置一些開放性的作業(yè)。課時允許的情況下，讓學生在課堂上做匯報，同學之間相互提問及互評，教師進行點評；課時緊張的情況下，對學生的作業(yè)進行批注修改。對于一些不重要的知識點，嘗試采用由課堂講授改為安排學生課下閱讀自學的方式。在有些課上會單獨預留出幾分鐘請1～2位同學為大家簡單講解自習閱讀的內(nèi)容，對學生掌握不夠的知識內(nèi)容，再進行講解。

最后，為了提高學生的工程實踐能力，課程配套相應(yīng)的實驗和課程設(shè)計。采用RFID實驗箱和歐爾斯的物聯(lián)網(wǎng)ZigBee增強套件實驗箱，在熟悉開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)上，觀察例程所演示的現(xiàn)象，并要求學生在其基礎(chǔ)上進行修改，實現(xiàn)一些新的功能，比如在IC卡中存儲學號。讓學生對所學知識有一定了解的情況下，以實際工作任務(wù)的形式完成實驗，加深對知識點的印象，提高工程實踐能力。

3 結(jié) 語

對物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)課程的教學內(nèi)容和方式進行改革的最終目的還是使學生掌握物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)基本的理論、概念和方法，有系統(tǒng)的概念，具備一定的工程實踐能力，同時也為進一步學習其他專業(yè)知識打下良好的基礎(chǔ)。對于以上幾項課程教學改革意見，作者在教學活動中不同程度地進行了實踐，初步取得了一定的效果，但仍然有進一步改革探索的空間，歡迎各位專業(yè)人士提出寶貴意見并多多交流。