“口袋”實(shí)驗(yàn)室在物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉 艷， 秦昌明

(1. 大連大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622； 2. 大連大學(xué) 教務(wù)處，遼寧 大連 116622)

“口袋”實(shí)驗(yàn)室在物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

劉 艷1， 秦昌明2

(1. 大連大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622； 2. 大連大學(xué) 教務(wù)處，遼寧 大連 116622)

為了提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的“工程應(yīng)用”、“實(shí)際動(dòng)手”、“創(chuàng)新實(shí)踐”能力，在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中引進(jìn)“口袋”實(shí)驗(yàn)室，建立基于“一套平臺(tái)貫穿一系列課程體系，三年實(shí)踐不斷線”的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)新體系，旨在打破實(shí)驗(yàn)的空間限制，讓學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握系統(tǒng)的知識(shí)體系，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用能力和工程實(shí)踐能力。

物聯(lián)網(wǎng)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 口袋實(shí)驗(yàn)室； 能力培養(yǎng)

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)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(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是由通信、計(jì)算機(jī)、電子等多學(xué)科融合形成的、應(yīng)用性非常強(qiáng)的、現(xiàn)有信息技術(shù)綜合集成化的工程應(yīng)用技術(shù)[2]。在我國(guó)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展走的是以應(yīng)用為引導(dǎo)、技術(shù)與應(yīng)用相互促進(jìn)、最終形成和諧的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新體系和技術(shù)創(chuàng)新體系，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路[3]。因此，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要大批高素質(zhì)、創(chuàng)新型的工程技術(shù)人才，而創(chuàng)新型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)，關(guān)鍵是建立創(chuàng)新型的工程實(shí)踐教學(xué)體系。

在我國(guó)高校，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是一個(gè)“新建專業(yè)”，多數(shù)師資都是從計(jì)算機(jī)、通信、控制等其他相關(guān)專業(yè)調(diào)整過來的，加之部分教師本身就缺乏生產(chǎn)或?qū)嶋H工程項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)歷，因此，普遍存在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，尤其是工程實(shí)踐教學(xué)功能、模式認(rèn)知不夠的問題，導(dǎo)致采購的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與實(shí)際教學(xué)目標(biāo)不相符，“傻瓜型”實(shí)驗(yàn)箱居多，這種現(xiàn)象在地方高校尤為嚴(yán)重[4-5]。這些實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中通常只需要學(xué)生調(diào)節(jié)預(yù)留開關(guān)，或僅僅按說明書設(shè)定好參數(shù)，然后在上位機(jī)或?qū)嶒?yàn)箱上直接觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果，根本不具備為學(xué)生開設(shè)自主性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，更談不上進(jìn)行啟發(fā)性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。在物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)方面，國(guó)內(nèi)多數(shù)高校采用智能家居、智慧農(nóng)業(yè)大棚等成形實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)上，學(xué)生更多的是在進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作配置和觀看演示效果[6-7]。通過上述實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生可以一定程度獲取對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，但由于缺少實(shí)際動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，學(xué)生會(huì)很快喪失學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新型思維。

2 “口袋”實(shí)驗(yàn)室

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菍W(xué)生需要在規(guī)定時(shí)間、指定儀器或?qū)嶒?yàn)箱上進(jìn)行限定性實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)。這種學(xué)習(xí)方式具有一定時(shí)滯性，當(dāng)學(xué)生一旦有靈感而又無法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，靈感可能就永遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)不了，因?yàn)榈认乱淮芜M(jìn)入到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，由于其他的操作任務(wù)而無暇實(shí)現(xiàn)之前的想法，或者之前的想法早已遺忘。另外，實(shí)驗(yàn)箱的價(jià)格相對(duì)較高、體積較大，直接購置，學(xué)生難以承擔(dān)，且攜帶也極不便。

“口袋”實(shí)驗(yàn)室理念[8-9]近幾年由美國(guó)德州儀器(TI)和賽靈思(Xilinx)中國(guó)大學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目引入中國(guó)，泛指各種功能強(qiáng)大的小型開發(fā)板，倡導(dǎo)一種不受時(shí)間、空間限制的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。目前，現(xiàn)有芯片制造技術(shù)可以生產(chǎn)出1元硬幣大小的“口袋”實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，方便學(xué)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(shí)驗(yàn)室能打破實(shí)驗(yàn)的空間限制，學(xué)生不必到實(shí)驗(yàn)室預(yù)定位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)其任何想法，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行理論與實(shí)踐的結(jié)合，學(xué)生之間可以隨時(shí)交換實(shí)驗(yàn)體會(huì)和想法，從而能夠有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，提高動(dòng)手實(shí)踐能力、理論與實(shí)踐結(jié)合能力，增進(jìn)學(xué)生之間感情，強(qiáng)化其探索精神與創(chuàng)新意識(shí)。

此外，“口袋”實(shí)驗(yàn)室若與物聯(lián)網(wǎng)公共云服務(wù)配合，還可打通物聯(lián)網(wǎng)的感知層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)。

3 Yeelink云服務(wù)

Yeelink是國(guó)內(nèi)首個(gè)開放的通用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，致力于建立一個(gè)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(chǔ)和展現(xiàn)服務(wù)，能夠?yàn)榫幊涕_發(fā)者、軟硬件廠商提供一個(gè)開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使得物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者無需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的細(xì)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(tái)，Arduino是一個(gè)開源的、擁有簡(jiǎn)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(fèi)開源[11-12]。

4 基于“口袋”實(shí)驗(yàn)室與Yeelink云服務(wù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

學(xué)習(xí)并掌握物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)理論、提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、培養(yǎng)適合國(guó)家和行業(yè)發(fā)展的專業(yè)工程技術(shù)人才，已成為高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心教育目標(biāo)[13]。針對(duì)上述人才培養(yǎng)目標(biāo)，我們提出基于“口袋”實(shí)驗(yàn)室和Yeelink云服務(wù)、3年實(shí)踐不斷線的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)新模式。通過前期實(shí)踐，該人才培養(yǎng)模式取得了良好的實(shí)踐效果。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)“口袋”實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

為豐富學(xué)生第二課堂，保證最多的學(xué)習(xí)時(shí)間和充分自由的空間，讓學(xué)生隨時(shí)可以在寢室、圖書館等場(chǎng)所自主進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)，提供“讓想象落地”的平臺(tái)，我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)推行了“口袋”實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃。2014年初，我校電工電子實(shí)驗(yàn)中心與上海塔普儀器制造有限公司合作，引進(jìn)Microduino物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新套件，籌建了物聯(lián)網(wǎng)“口袋”實(shí)驗(yàn)室。如圖1、圖2所示，套件中各模塊體積較小，可以獨(dú)立使用、疊加使用，且軟硬件開源，便于學(xué)生在此基礎(chǔ)上做“硬件再發(fā)明”的科技達(dá)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(shè)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(gòu)的多功能嵌入式網(wǎng)關(guān)、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(jié)構(gòu)，支持物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層、應(yīng)用層電子原型系統(tǒng)開發(fā)。

“口袋”實(shí)驗(yàn)室采用開放式管理模式，學(xué)生可以根據(jù)專業(yè)課程進(jìn)展情況和個(gè)人設(shè)計(jì)興趣從實(shí)驗(yàn)中心借用相關(guān)模塊用于課后自主學(xué)習(xí)。“口袋”實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃的實(shí)施不僅減輕了學(xué)生與教師的壓力，而且保證了學(xué)生不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間與空間的限制而帶著問題結(jié)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(shí)踐教學(xué)的實(shí)施

瑞士學(xué)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(fù)上一輩子已經(jīng)做過的事，這些人應(yīng)該具備創(chuàng)造力、開拓性并善于發(fā)現(xiàn)。”為大力推進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，我們嘗試著基于“口袋”實(shí)驗(yàn)室和Yeelink云服務(wù)，以遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集/控制技術(shù)為主要方向，在第一、第二課堂中開展了學(xué)生為主體的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

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(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)模式，而是致力于將“玩中學(xué)、做中學(xué)”的精神融入到必修課程的教學(xué)活動(dòng)中，鼓勵(lì)學(xué)生利用“口袋”實(shí)驗(yàn)的開源技術(shù)，把傳統(tǒng)課堂與創(chuàng)意作品的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)結(jié)合起來，采用創(chuàng)意作品由簡(jiǎn)單逐步過渡到復(fù)雜的設(shè)計(jì)模式，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)要領(lǐng)，為后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在整個(gè)專業(yè)課程學(xué)習(xí)期間，我們鼓勵(lì)學(xué)生利用“口袋”實(shí)驗(yàn)室先將身邊觸手可及的智能手機(jī)變身成為一個(gè)實(shí)用電器的遙控器或工作狀態(tài)的提醒器，體驗(yàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間的無線通信。隨著所學(xué)專業(yè)知識(shí)的不斷深入，再讓學(xué)生考慮通過Zigbee組網(wǎng)技術(shù)增加受控設(shè)備數(shù)量，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)手機(jī)同時(shí)控制多臺(tái)設(shè)備的功能，最后，介紹Yeelink云服務(wù)資源給學(xué)生，啟發(fā)他們嘗試打通物聯(lián)網(wǎng)的感知層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)端智能控制系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)踐。這種隨課程進(jìn)程逐步深入的實(shí)踐模式，不僅有助于幫助學(xué)生建立完整的、系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)體系，而且還可以保證學(xué)生3年實(shí)踐不斷線。

其次，將“口袋”實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于第二課堂，組成學(xué)生興趣小組，利用口袋實(shí)驗(yàn)室讓基礎(chǔ)好的學(xué)生學(xué)習(xí)與專業(yè)相關(guān)的課外內(nèi)容，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生由被動(dòng)地接受知識(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)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(shí)、新啟蒙的能力。通過近一年的實(shí)踐，學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)有了明顯提高。

圖3是學(xué)生興趣小組歷時(shí)半年課余時(shí)間，基于“口袋”實(shí)驗(yàn)室和Yeelink云服務(wù)獨(dú)立設(shè)計(jì)完成的一個(gè)典型項(xiàng)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(tái)(見圖4)和“口袋”實(shí)驗(yàn)室模塊(見圖5)實(shí)現(xiàn)了智能家居的遠(yuǎn)端控制，該系統(tǒng)主要有3個(gè)功能模塊：

(1) 采集模塊。采用型號(hào)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(duì)空間環(huán)境的數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集。

(2) 控制模塊。以Microduino core為控制單元，疊加搭配Enc28j60+Rj45模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理、傳輸及控制。

(3) 云平臺(tái)及移動(dòng)終端。基于SAE和微信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(shè)計(jì)構(gòu)思

圖4 微信下的指令測(cè)試

圖5 開發(fā)所需的“口袋”實(shí)驗(yàn)室模塊

傳感器將環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)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(tái)上，此時(shí)只需通過微信公眾平臺(tái)，發(fā)送相應(yīng)文字或語音指令，即可實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)端控制。

項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)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(shù)人員溝通交流，自主學(xué)習(xí)、構(gòu)思、策劃、調(diào)試全過程，指導(dǎo)教師只在目的、條件和要求方面給予了一定指導(dǎo)，設(shè)計(jì)的過程、方法和最后結(jié)果全部由學(xué)生自行得出。

5 結(jié)束語

目前，“口袋”實(shí)驗(yàn)室由于可以隨身攜帶，已漸漸為高校眾多學(xué)子所熟知，正逐漸成為他們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧！翱诖睂?shí)驗(yàn)室不僅可以幫助學(xué)生更快地熟悉相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品、展開項(xiàng)目實(shí)踐、進(jìn)入開發(fā)者的角色，而且與專業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合后，還可將枯燥的專業(yè)課程學(xué)習(xí)和學(xué)生興趣有機(jī)地結(jié)合在一起，詮釋“激發(fā)興趣，挖掘潛力”的觀點(diǎn)，將學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)室也成了眾多高校的選擇。

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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(xué)改革項(xiàng)目“面向產(chǎn)業(yè)的地方高校物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系創(chuàng)新研究與實(shí)踐”(UPRP20140114)；2014年大連大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)資助項(xiàng)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(shí)踐”

劉艷(1967—)，女，遼寧大連，博士，副教授，自動(dòng)化系主任、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)負(fù)責(zé)人，研究方向?yàn)镽FID技術(shù)及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制等.

E-mail：linda_whb@163.com

G642.0

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1002-4956(2015)8- 0212- 04