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    物联网专业开放实验室自主预约制建设体系探索与实践

    时间：2023-02-23 20:35:06来源：百花范文网本文已影响人

    孟洪兵，陈 军，杨安迪，韩清华，施明登

    (塔里木大学 信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

    关键字：开放实验室;物联网工程;智能化管理;云服务;智能

    为推进“四个回归”，建设一流本科教育，进一步落实全国教育大会和新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，新疆塔里木大学从去年开始按照自治区教育厅《关于在我区本科高校开展学分制管理改革试点工作的指导意见》和教育部对塔里木大学审核评估整改要求，修订本科专业人才培养方案，特别提出提高实践教学比重，强化实践能力培养，推进实验、实习独立设课，构建分层次、分阶段的梯度实践教学体系。而其中物联网专业实践教学迎来较大改革，要提升实践教学，主要从实验室实践和生产实践两方面推进[1-3]。本文主要从物联网开放实验室自主预约制建设体系着手进行探索与实践，根据物联网专业的人才培养目标，提出组合课程实践路线，进行相关课程组合，并将课程按照年级及必修或选修进行合理的分配，构建出课程综合实验体系，物联网专业的学生可以在开放实验体系里找到符合其职业规划的学习路线图，从而实现对差异化人才培养的有效支撑。

    本文在与兄弟高校实验室建设交流、先进仪器设备供应商探讨的基础上，首先从物联网开放实验室面对的学生、支持的课程和拥有的仪器三个方面分析了开放实验室的特点，进而引出在建设物联网开放实验室时，应实现管理智能化、实验模块独立化、实验仪表全面化这一总体目标[4-5]，将设备仪表整合在一个平台，实现既能单台开放也能多台联动，既能单科实验也能综合实验，突出物联网开放实验室通用性、易用性和开放性。基于此思想，物联网开放实验室从实验教材建设、硬件配置和软件管理三方面着手，逐步健全学生实验管理体系，逐步培养学生的条理性，密切学生与实验室之间的关系，使学生的注意力更多放在实验设计本身，有利于提高学生的实践能力、创新能力。

    针对物联网开放实验室所面对的学生特点、专业应用特点、开设课程特点及拥有的设备仪器制定实验室建设方案，才能形成有效、清晰的建设思路。

    (一)学生特点

    物联网专业学生一般在大二第一学期开始接触专业基础课程实验，学习相对大一基础公共课来说开始由泛而精，由难到易，由理论过渡到实践应用。虽然有一个逐步过渡的过程，但对大部分学生来说，还是无法及时适应专业学习进度，具体表现为很多专业名词、实验设备第一次接触，没有形成直观印象，感觉陌生复杂，实验原理、步骤晦涩难懂，难以记忆，导致无力感油然而生[6-8]，而实验课程一般又安排在学期末理论课程结束后，无法及时消除学生过渡期的迷惘。如果无法解决学生初次面临的课程“恐学”情绪，会直接导致学生厌学烦躁，焦虑感激增，为此物联网专业开放实验室的建设可以及时有效解决这一窘迫状况，学生在课堂学习理论知识时教师可以通过展示仪器设备、实现原理电路演示等直观加深学生印象，学生利用课余时间自主预约，去实验室亲自动手实践、摸索，进一步激发学习兴趣，通过配套的实验教材迅速上手，甚至通过实验软件管理系统申请教师技术协助，从课堂理论学习转向理论实践交叉同步，增强学习自信心，提升实验创新能力。

    (二)课程特点

    物联网专业课程是综合性、实践性非常强的课程，从电子基础到传感器原理，从无线通信到微控制器，从数据采集到云平台处理整体形成闭环系统，需要学生既要掌握基础原理又要设计实践，因此开放实验室建设需要提供闭环系统中的每一个环节实验需求。由于实现的功能明确但实现的方法很多，针对这样的课程特点，物联网开放实验室在建设过程中提供了示例实验，但不限制学生拓展和发挥，除了完成基础实验任务外，鼓励学生自主设计实验、创新实验，充分发挥主观能动性，对于效果较好的实验设计，吸纳融入实验室示例实验中，提供实验设计说明，激发学生学习动力。

    (三)仪器设备特点

    物联网开发实验室应具备丰富的仪表和设备，主要包括可编程稳压电源、信号源、示波器、万用表、逻辑分析仪、典型MCU、常用的各种传感器、开发PC 机及有线/无线接口等。传统实验平台由厂家自主设计研发，各仪器仪表独立成件，整合一体，相互独立，因此造成诸多问题，如接线标准不同，线材种类复杂、接口不一，仪器教学调试困难，难以统一管理，模块重复性高，可复用性差等[9]。如果物联网专业开放实验室能够整合资源统一规范，便于升级复用，将会极大便捷学生使用，转移学生实验重心到实验本身上去。

    综上物联网开放实验室所面对的特点，本文提出从实验教材建设、硬件配置和实验系统软件管理三方面实现建设目标，达成实验室智能化管理、实验硬件模块化、实验仪器全面化任务要求。

    针对单片机、传感器、ZigBee 无线传感网、RFID 及物联网信息安全等各门物联网工程专业课而言，实验是必不可少的教学环节。开放实验室以各类型的物联网工程应用实训装置、多功能物联网综合实训台、物联网智能家居实训系统为主，为本门专业课程提供实验环境支撑，多种实验室设备用于支持知识点学习，支撑实验教学及科研活动。但要实现实验，除了具备基础理论知识外，最重要的是要有详细实验步骤的实验指导书，单独实验仪器说明书无法指导完成综合实验，教学用教材无法指导实验接线，因此在本科生实验教学中，匹配实验平台的综合而详实的实验指导书是学生自主完成实验的重要条件，让学生可以依据实验教材一步一步实现实验效果，可以极大地激发学生实验兴趣，进而发挥主观能动性，创造性地发挥，完成更多实验。

    在物联网开放实验室建设中，为各专业所有实验课程匹配编写了实验教材，目前合计完成6 门课程单独实验，2 门课程综合实验。单独课程实验中，实验分为基础实验和创新实验，基础实验从仪器认知、使用到基础实验逐步实现，从接线到实验效果说明，从文字图片描述到全程实验视频录制都提供的详细的指导说明，学生依照步骤完全可以零差别实现;创新实验中，给出实验原理、步骤、功能及效果，启发学生自主探索实验。实验由易到难，指导由详实到点拨，既有层次又有深度，立体化培养，可以满足不同学习能力的学生实验。

    在综合实验中，实验教材只给出一种实验示例，满足实验最低要求，鼓励学生跨课程、跨年级组队实现物联网专业闭环实验，即从数据采集、数据处理、远程管理、终端控制进行一体化实践，形成学生有专长，团队有协作，老师有指导，相互学习交流探讨模式。

    为了使开放实验室实现智能化管理，各科实验模块化，实验仪器全面化，实验室建设过程中积极协同厂家整合资源，根据建设策略定制化开发，研制了开放实验室的综合性模块化实验平台。

    (一)电源模块

    每个实验平台的每个实验仪器加入电源管理硬件模块，实现远程电源控制管理，配合软件预约系统实现实验平台的有效管理。如大二学生只学习了单片机主控板，在不特殊申请的前提下，其只能通过预约系统申请单片机模块的开机使用;如学习了传感器课程即可开放传感器模块使用权限。这也为基础认知实验、独立实验提供逐步学习的硬件保障，可以保证在学生不熟悉其他仪器的情况下无法开机使用，既是对实验室的保护，也是提高学生专注度的一种方法，做到逐步认知，逐步学习，逐步使用。

    (二)智能仪器仪表模块

    通过智能网络互联，配合实验室软件管理系统，可实现如编程电源、示波器、台式万用表和信号发生器等设备的远程操作、参数设置及界面监测等功能，学生既可自行使用设置，也可使用教师预置参数，遇到问题教师也可以远程一键下发设置参数或远程监测界面提供技术指导，帮助学生完成实验。教师端远程查看学生终端仪表界面如图1 所示;远程设置学生平台参数如图2 所示。

    图1 教师端远程查看学生终端仪表界面

    图2 远程设置学生平台仪器参数

    (三)功能模块硬件设计

    除了智能仪器仪表外，实验平台最重要的是各科实验所需的功能模块[10]，本系统脱胎于实际物联网运用案例，从实际工程案例中浓缩、提炼而来，它们将无线传感器网络、RFID、移动开发、移动通信和嵌入式网关等技术综合运用在同一套系统中，实现分散知识点的综合运用，并实现知识点到知识面的过渡，如单片机实验所用的51 单片机模块、32 单片机模块、ARM 嵌入式模块、RFID 实验模块及无线传感器模块等。开放实验平台整合资源自主定制研发，实现了传感器模块的复用，搭载了多种常用传感器开放接口，因为传感器各科都会涉及，只是使用的主控不一，因此独立成模块化方便复用;在单片机主控板模块，选择市场主流的51 单片机、STM32F103 单片机、ARM 树莓派嵌入式主控板，同时预留主控板放置位，方便接入其他类型主控板;在无线通信模块，除了搭配传感器模块、单片机模块外，还加入了无线卡接口和网络接口，同时配置一台PC 机实现云平台接入和上位机开发功能。开放平台尽可能多的配置齐全，没有配置的由于平台是模块化设计，所以也可以实现单独接入利用平台资源实现实验。开放实验室实验平台部分模块展示如图3 所示。

    图3 开放实验室综合实验平台部分实验模块

    要实现物联网专业开放实验室的智能化管理，还必须借助开放实验室软件管理平台，本实验室软件管理平台融合了实验云平台预约、实验室门禁系统、实验仪器远程管理及实验服务云对接等功能。

    (一)实验云平台预约

    开放实验室引进教学云平台，采用B/S 架构，可以提供实验准备环节所需的基础理论课件、实验教案、实验全流程讲解视频和实验指导书等资源。在线预约实验时会根据学生年级匹配设备使用权限，还会要求完成指定的实验准备课程学习，模板化教学，同时又为优秀教师提供灵活的难度控制，极大降低备课难度，提升实战教学品质。学生通过预约管理系统可以实现空闲时间的实践动手练习，提升理论到实践的转化效率，预约成功的学生会自动获取开放实验室的门禁通行权限和实验平台开机使用权限。

    (二)实验远程教学及管理

    通过实验室软件管理系统，教师可以远程演示仪器设备使用方法，同时也可以远程监测学生实验平台上的设备仪器设置参数、数据采集和实时画面，可以在学生使用有问题时远程操作，也可以锁定仪器设置参数不让学生随意修改，有效管理，使用便捷。

    (三)物联网云服务融合平台建设

    物联网的应用广泛，遍及家居、农业、工业、物流及食品安全等各个领域，其具体的应用方式、产业模式、产品形态会有比较大的差异，但是其体系结构和核心技术都是一致的[11-12]。共性核心技术和设备是：感知执行器、智能节点、数据网关构成物联网的感知层;网络通信、大数据服务、Web 服务等构成物联网的网络层;各种客户端应用、应用管理系统构成物联网的应用层。丰富的数据分析：提供丰富的数据统计与分析结果展示，帮助教师从整体上把握设备的使用情况。同时云服务平台还融合了主流的阿里云、ONENET 云平台服务接口和开发指南，方便学生学习开发云服务与实验平台数据对接。

    从物联网开放实验室建设规划到落地实践，经过实验教材建设、硬件配置和软件管理系统应用等逐步实现，塔里木大学物联网专业开放实验室自主预约制建设体系探索与实践取得初步成功，但其对学生学习兴趣的培养和科研能力的提升效果还需长期观察总结。本文从物联网专业开放实验室自主预约制建设体系探索到实践落地，从塔里木大学物联网专业学生实际情况出发，结合专业、课程、设备特点，提出从实验教材建设、硬件配置和实验系统软件管理三方面实现开放实验室智能化管理、实验硬件模块化、实验仪器全面化的建设方法，以加强学生与实验室的密切联系，提高学生对实验本身的关注度，促进学生学习成果的高效转化。

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