物聯網架構下的現代檢測技術課程教學改革探討

聶卓赟　郭東生　王 飛

華僑大學信息科學與工程學院　福建廈門　361021

物聯網架構下的現代檢測技術課程教學改革探討

聶卓赟郭東生王 飛

華僑大學信息科學與工程學院福建廈門361021

分析了傳統教學中存在的問題，提出了物聯網架構下的現代檢測技術課程教學內容和教學實驗改革的思路和措施，突出了教學內容與實驗內容結合，以更好地培養學生的專業知識綜合運用能力和創新能力。

現代檢測技術；物聯網；教學改革

現代檢測技術是自動化、電子、電氣、機械等專業的一門專業課程，在現代裝備制造業、航空航天、工業制造等各個領域具有舉足輕重的作用，其課程內容是由傳感器原理、檢測電路和綜合應用組成，具有知識涉及面廣、實踐性強、行業結合緊密等特點［1］。在現有的教學大綱中，現代檢測技術與其他課程，例如：物理、電路理論、數字/模擬電路等課程，知識重復性較高，容易產生重復性教學和無重點教學等問題。在檢測技術實驗教學方面，常規的“連線+數據記錄”的方式難以達到培養學生的動手能力和自主創新意識。因此，有必要在教學中理清課程的教學內容和實驗方式，對現有教學內容和方法進行改革。

隨著移動終端的發展，物聯網成為未來IT行業的發展趨勢。物聯網（Internet of Things，IOT），又稱傳感網，指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯網連接起來并形成一個可實現智能化識別和可管理的網絡。作為物聯網的神經末梢，傳感器和檢測技術實現了智能信息采集與環境識別功能，是物聯網技術的最基礎環節。可以預計，在未來的工業系統中，傳感器檢測和數據采集都是在物聯網架構下進行的。因此現代檢測技術課程的教學需要以技術發展為導向。

結合現代檢測技術的發展情況，筆者針對現代檢測技術課程的教學內容和實驗教學提出的改革方案概括為：在教學中充分抓住知識點的共性問題，應用實踐與理論教學并重；綜合考慮物聯網發展涉及的關鍵技術，對教學內容進行適當補充；物聯網架構下，采用自主設計的方式進行實驗教學。

1　物聯網架構下的檢測技術發展

簡單來講，物聯網是物物相連的互聯網，其核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。物聯網的用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網的基本架構包括以下3個層次。

（1）感知層。利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息。

（2）網絡層。通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體信息實時準確地傳遞出去。

（3）應用層。把感知層得到的信息進行處理，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等實際應用。

隨著物聯網、大數據等革命性技術的產生和發展，現代檢測技術的內涵越來越豐富，實現形式多樣化、網絡化。為了適應新的技術和網絡化趨勢，現代檢測技術的發展逐漸表現出新的特征：一是傳感器向微型化、集成化、無源化方向發展；二是基于無線傳感器網絡的檢測系統［2］；三是檢測系統的智能化、虛擬化。

2　教學內容改革

現代檢測技術課程涉及的知識面廣，與前期學習課程關系較為緊密，重復性知識較多。例如：傳感器的接口電路部分，涉及大量電橋電路、運算放大器、變壓器等相關理論知識，在電路理論課程中已深入講解，但這些內容在檢測技術中較為重要，為了加深學生對檢測技術的理解，往往在這些內容上耗費大量課時。因此，教學內容改革的第一步即是合理的安排教學內容和課時。對于這部分重復性知識，筆者的處理方式是集中課時對電路理論等相關知識進行回顧。圖1給出了本文提出的課程教學內容改革架構。就《阻抗型傳感器》這部分較為重要內容，筆者在授課前對電阻式、電容式和電感式傳感器的基本原理和接口電路，在前期電路理論回顧中進行統一復習，在教學中將重點放在傳感器和接口電路的設計與使用上，由于對重復性的知識進行了縮減，因此該部分的知識脈絡更加清晰。從教學的課時量上來看，原來的教學計劃需要6個教學課時完成，而采用新的教學方案后，僅需4個課時即可清晰的介紹該部分內容。教學實踐結果表明：學生能快速、清晰的掌握阻抗型傳感器技術架構和設計原理，達到了良好的教學效果，同時還節省了約三分之一的課時量，用于后續增補內容學習和實驗教學。

圖1　現代檢測技術教學內容改革架構

可以預見，未來的傳感器和檢測技術都是在物聯網的統一架構下進行。為此，在課程的概述階段，引入物聯網的工程實例，給出物聯網的定義、具體實現形式、涉及的關鍵技術和應用的范圍等，以幫助學生建立物聯網概念，了解檢測技術在物聯網中的基礎作用。圖2給出了典型工業系統的物聯網架構，可以看到針對工業設備的過程數據采集，不論是傳統的傳感器檢測、智能裝置檢測，還是射頻識別技術，都是通過結點的方式連接成相互通訊的網絡系統，實現統一集成的工業網信息平臺。

圖2　物聯網系統的實例分析

射頻技術是一種非接觸式的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。與常規的物理量測量不同的是，射頻是一種面向標簽數據的檢測。在現代檢測技術教學，主要是圍繞物體的物理屬性進行，而射頻技術主要是針對物體的信息屬性進行識別。在教學內容改革中，筆者強調需要射頻識別技術與傳統的傳感器技術都是對實物對象屬性特征的獲取技術，都屬于檢測技術范疇。因此，有必要將射頻技術作為檢測技術教學中的重要內容進行補充。

此外，智能傳感器技術和無線傳感器網絡技術也是在教學改革中需要適當增加的內容。智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器，由于帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。無線傳感器網絡是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器，這些傳感器通過無線方式通信，因此網絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，形成一個自組織網絡。

上述內容都是對現代檢測技術教學內容的重要補充，與傳統的檢測技術教學內容結合在一起，能夠形成一個基于物聯網檢測技術教學的完整架構。由于教學內容面向實際，直接從物聯網應用出發，避開了重復的理論推導，學生能夠更多直接、快速的把握檢測技術的知識脈絡，較好的理解和掌握檢測系統的設計構成、信號流從檢測點到客戶端的完整過程。目前，筆者已經在教學中采用和推廣，取得了較好的教學效果。

3　教學實驗改革

為了能夠讓學生在理論學習的同時，切實掌握物聯網架構下的檢測技術和應用，筆者在實驗教學中提出圖3所示的實驗方案。結合常見的檢測技術應用背景，選擇化工過程、電機系統、智能家居等典型應用案例，在必要的硬件條件下，讓學生自行搭建基于物聯網的檢測實驗系統。通過實驗學習，使學生理解檢測技術在各種典型行業中的應用和系統設計方法。

圖3　基于物聯網的傳感器與檢測技術實驗方案

與傳統檢測技術實驗教學不同的是，該實驗面向物聯網終端用戶進行設計，除了傳感器原理和檢測技術外，還加入了具有數據處理和傳輸能力的節點和無線傳輸機制［3］，其中采用Arduino實現智能節點，Zigbee實現無線傳輸，采用PC機作為物聯網終端為用戶提供檢測數據和曲線［4］。在實驗教學中，該系統由學生進行分組模塊化實現，最終進行整合和聯合調試。目前，上述實驗方案還處于設計和論證階段，尚未在教學進行實踐。表1給出了與傳統的實驗教學方式的比較，比較結果表明該方案具有如下優點。

（1）實驗針對具體的行業對象進行，兼顧了傳感器原理、檢測技術和物聯網技術。能夠讓學生全面的掌握物聯網架構下的檢測技術。

（2）相對于傳統的“連線+數據記錄”實驗方式，該方案方式靈活，能夠培養學生動手能力、創新能力和團隊配合能力。

（3）實驗系統設計和開發所需的專業知識在前期學習中都已涉及，能夠為學生提供一次靈活運用、自主運用的綜合機會。

表1　實驗教學方案比較

在實驗方案的實施中，可按照如下方式進行操作。教師提前規劃實驗內容，并進行模塊化劃分和項目分配。在教學初期，可以進行Arduino數據處理模型設計、zigbee無線通信設計和上位機監控界面設計。在教學過程中，結合教學進度，針對具體的過程變量，設計相應的傳感器和接口電路進行檢測和數據采集。在教學后期，對整套裝置進行聯合調試：其中，每個模塊分配5名學生共同完成，制定能力較強的學生作為項目負責人；在項目進行中，學生提交實驗設計說明書和實驗報告；最后，進行小組答辯和項目驗收。上述實驗教學方法，能夠促進學生主動學習、理論聯系實際和團隊協作的學習氛圍，是培養學生工程能力和創新能力的有效途徑。

4　結束語

經過教學改革與實踐研究，本文探討了自動化、電子、電氣、機械等專業現代檢測技術課程在物聯網架構下的教學改革問題。通過改革，使教學內容和實驗能夠適應專業技術發展。從前期的教學效果來看，上述改革能夠激發學生的學習興趣，鞏固專業知識，并且有效地提高了學生的專業知識綜合運用能力和創新能力。

［1］ 孫傳友.現代檢測技術及儀表［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］ 陳靜.傳感器與檢測技術教學改革探索［J］.中國現代教育裝備，2011（15）：94-95.

［3］ 劉佳，劉柏全，宋鐵成，沈連豐.一種物聯網教學實驗系統的設計與實現［J］.電氣電子教學學報，2010，32（6）：89-100.

［4］ 劉瑩，祝學云，范文.檢測技術課程設計型實驗系統研制［J］.實驗技術與管理，2015，32（6）：137-138.

Reform of Model Detection Technology Course under the Framework of Internet of Things

Nie Zhuoyun， Guo Dongsheng， Wang Fei
School of Information Science and Engineering， National Huaqiao University， Xiamen， 361021， China

the problems of the classical course of model detection technology are discussed. The reform measures are proposed to the improvement of teaching contents and experience under the framework of Internet of Things. In details， it tries to emphasize the combination of teaching and experience for the better training of professional knowledge using and creative ability

model detection technology； internet of things； reform of courses

2016-02-14

聶卓赟，博士，講師。郭東生，博士，副教授。王飛，博士，副教授。

國家自然科學基金資助項目（編號：61403149）；福建省自然科學基金資助項目（編號：2015J01261）；福建省高校教育教學改革研究項目（編號：JAS151403）；華僑大學研究生課程建設教學改革項目（編號：14YJG10）。