孟洪兵，陳 軍，楊安迪，韓清華，施明登

(塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

關(guān)鍵字：開放實(shí)驗(yàn)室;物聯(lián)網(wǎng)工程;智能化管理;云服務(wù);智能

為推進(jìn)“四個回歸”，建設(shè)一流本科教育，進(jìn)一步落實(shí)全國教育大會和新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神，新疆塔里木大學(xué)從去年開始按照自治區(qū)教育廳《關(guān)于在我區(qū)本科高校開展學(xué)分制管理改革試點(diǎn)工作的指導(dǎo)意見》和教育部對塔里木大學(xué)審核評估整改要求，修訂本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案，特別提出提高實(shí)踐教學(xué)比重，強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)獨(dú)立設(shè)課，構(gòu)建分層次、分階段的梯度實(shí)踐教學(xué)體系。而其中物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)迎來較大改革，要提升實(shí)踐教學(xué)，主要從實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐和生產(chǎn)實(shí)踐兩方面推進(jìn)[1-3]。本文主要從物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室自主預(yù)約制建設(shè)體系著手進(jìn)行探索與實(shí)踐，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出組合課程實(shí)踐路線，進(jìn)行相關(guān)課程組合，并將課程按照年級及必修或選修進(jìn)行合理的分配，構(gòu)建出課程綜合實(shí)驗(yàn)體系，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生可以在開放實(shí)驗(yàn)體系里找到符合其職業(yè)規(guī)劃的學(xué)習(xí)路線圖，從而實(shí)現(xiàn)對差異化人才培養(yǎng)的有效支撐。

本文在與兄弟高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)交流、先進(jìn)儀器設(shè)備供應(yīng)商探討的基礎(chǔ)上，首先從物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室面對的學(xué)生、支持的課程和擁有的儀器三個方面分析了開放實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，進(jìn)而引出在建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室時，應(yīng)實(shí)現(xiàn)管理智能化、實(shí)驗(yàn)?zāi)K獨(dú)立化、實(shí)驗(yàn)儀表全面化這一總體目標(biāo)[4-5]，將設(shè)備儀表整合在一個平臺，實(shí)現(xiàn)既能單臺開放也能多臺聯(lián)動，既能單科實(shí)驗(yàn)也能綜合實(shí)驗(yàn)，突出物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室通用性、易用性和開放性?；诖怂枷耄锫?lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室從實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)、硬件配置和軟件管理三方面著手，逐步健全學(xué)生實(shí)驗(yàn)管理體系，逐步培養(yǎng)學(xué)生的條理性，密切學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室之間的關(guān)系，使學(xué)生的注意力更多放在實(shí)驗(yàn)設(shè)計本身，有利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。

一、物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)

針對物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室所面對的學(xué)生特點(diǎn)、專業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)、開設(shè)課程特點(diǎn)及擁有的設(shè)備儀器制定實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，才能形成有效、清晰的建設(shè)思路。

(一)學(xué)生特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生一般在大二第一學(xué)期開始接觸專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)相對大一基礎(chǔ)公共課來說開始由泛而精，由難到易，由理論過渡到實(shí)踐應(yīng)用。雖然有一個逐步過渡的過程，但對大部分學(xué)生來說，還是無法及時適應(yīng)專業(yè)學(xué)習(xí)進(jìn)度，具體表現(xiàn)為很多專業(yè)名詞、實(shí)驗(yàn)設(shè)備第一次接觸，沒有形成直觀印象，感覺陌生復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)原理、步驟晦澀難懂，難以記憶，導(dǎo)致無力感油然而生[6-8]，而實(shí)驗(yàn)課程一般又安排在學(xué)期末理論課程結(jié)束后，無法及時消除學(xué)生過渡期的迷惘。如果無法解決學(xué)生初次面臨的課程“恐學(xué)”情緒，會直接導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)煩躁，焦慮感激增，為此物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)可以及時有效解決這一窘迫狀況，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)理論知識時教師可以通過展示儀器設(shè)備、實(shí)現(xiàn)原理電路演示等直觀加深學(xué)生印象，學(xué)生利用課余時間自主預(yù)約，去實(shí)驗(yàn)室親自動手實(shí)踐、摸索，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，通過配套的實(shí)驗(yàn)教材迅速上手，甚至通過實(shí)驗(yàn)軟件管理系統(tǒng)申請教師技術(shù)協(xié)助，從課堂理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向理論實(shí)踐交叉同步，增強(qiáng)學(xué)習(xí)自信心，提升實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。

(二)課程特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程是綜合性、實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，從電子基礎(chǔ)到傳感器原理，從無線通信到微控制器，從數(shù)據(jù)采集到云平臺處理整體形成閉環(huán)系統(tǒng)，需要學(xué)生既要掌握基礎(chǔ)原理又要設(shè)計實(shí)踐，因此開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要提供閉環(huán)系統(tǒng)中的每一個環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)需求。由于實(shí)現(xiàn)的功能明確但實(shí)現(xiàn)的方法很多，針對這樣的課程特點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)過程中提供了示例實(shí)驗(yàn)，但不限制學(xué)生拓展和發(fā)揮，除了完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)任務(wù)外，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮主觀能動性，對于效果較好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，吸納融入實(shí)驗(yàn)室示例實(shí)驗(yàn)中，提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計說明，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力。

(三)儀器設(shè)備特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備豐富的儀表和設(shè)備，主要包括可編程穩(wěn)壓電源、信號源、示波器、萬用表、邏輯分析儀、典型MCU、常用的各種傳感器、開發(fā)PC 機(jī)及有線/無線接口等。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺由廠家自主設(shè)計研發(fā)，各儀器儀表獨(dú)立成件，整合一體，相互獨(dú)立，因此造成諸多問題，如接線標(biāo)準(zhǔn)不同，線材種類復(fù)雜、接口不一，儀器教學(xué)調(diào)試?yán)щy，難以統(tǒng)一管理，模塊重復(fù)性高，可復(fù)用性差等[9]。如果物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開放實(shí)驗(yàn)室能夠整合資源統(tǒng)一規(guī)范，便于升級復(fù)用，將會極大便捷學(xué)生使用，轉(zhuǎn)移學(xué)生實(shí)驗(yàn)重心到實(shí)驗(yàn)本身上去。

綜上物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室所面對的特點(diǎn)，本文提出從實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)、硬件配置和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件管理三方面實(shí)現(xiàn)建設(shè)目標(biāo)，達(dá)成實(shí)驗(yàn)室智能化管理、實(shí)驗(yàn)硬件模塊化、實(shí)驗(yàn)儀器全面化任務(wù)要求。

二、物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)

針對單片機(jī)、傳感器、ZigBee 無線傳感網(wǎng)、RFID 及物聯(lián)網(wǎng)信息安全等各門物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課而言，實(shí)驗(yàn)是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。開放實(shí)驗(yàn)室以各類型的物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用實(shí)訓(xùn)裝置、多功能物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)臺、物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為主，為本門專業(yè)課程提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境支撐，多種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用于支持知識點(diǎn)學(xué)習(xí)，支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研活動。但要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，除了具備基礎(chǔ)理論知識外，最重要的是要有詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，單獨(dú)實(shí)驗(yàn)儀器說明書無法指導(dǎo)完成綜合實(shí)驗(yàn)，教學(xué)用教材無法指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)接線，因此在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，匹配實(shí)驗(yàn)平臺的綜合而詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)的重要條件，讓學(xué)生可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)教材一步一步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果，可以極大地激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，進(jìn)而發(fā)揮主觀能動性，創(chuàng)造性地發(fā)揮，完成更多實(shí)驗(yàn)。

在物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，為各專業(yè)所有實(shí)驗(yàn)課程匹配編寫了實(shí)驗(yàn)教材，目前合計完成6 門課程單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，2 門課程綜合實(shí)驗(yàn)。單獨(dú)課程實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)從儀器認(rèn)知、使用到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)逐步實(shí)現(xiàn)，從接線到實(shí)驗(yàn)效果說明，從文字圖片描述到全程實(shí)驗(yàn)視頻錄制都提供的詳細(xì)的指導(dǎo)說明，學(xué)生依照步驟完全可以零差別實(shí)現(xiàn);創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，給出實(shí)驗(yàn)原理、步驟、功能及效果，啟發(fā)學(xué)生自主探索實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)由易到難，指導(dǎo)由詳實(shí)到點(diǎn)撥，既有層次又有深度，立體化培養(yǎng)，可以滿足不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

在綜合實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)教材只給出一種實(shí)驗(yàn)示例，滿足實(shí)驗(yàn)最低要求，鼓勵學(xué)生跨課程、跨年級組隊實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，即從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程管理、終端控制進(jìn)行一體化實(shí)踐，形成學(xué)生有專長，團(tuán)隊有協(xié)作，老師有指導(dǎo)，相互學(xué)習(xí)交流探討模式。

三、物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)

為了使開放實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)智能化管理，各科實(shí)驗(yàn)?zāi)K化，實(shí)驗(yàn)儀器全面化，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中積極協(xié)同廠家整合資源，根據(jù)建設(shè)策略定制化開發(fā)，研制了開放實(shí)驗(yàn)室的綜合性模塊化實(shí)驗(yàn)平臺。

(一)電源模塊

每個實(shí)驗(yàn)平臺的每個實(shí)驗(yàn)儀器加入電源管理硬件模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電源控制管理，配合軟件預(yù)約系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺的有效管理。如大二學(xué)生只學(xué)習(xí)了單片機(jī)主控板，在不特殊申請的前提下，其只能通過預(yù)約系統(tǒng)申請單片機(jī)模塊的開機(jī)使用;如學(xué)習(xí)了傳感器課程即可開放傳感器模塊使用權(quán)限。這也為基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)提供逐步學(xué)習(xí)的硬件保障，可以保證在學(xué)生不熟悉其他儀器的情況下無法開機(jī)使用，既是對實(shí)驗(yàn)室的保護(hù)，也是提高學(xué)生專注度的一種方法，做到逐步認(rèn)知，逐步學(xué)習(xí)，逐步使用。

(二)智能儀器儀表模塊

通過智能網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，配合實(shí)驗(yàn)室軟件管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)如編程電源、示波器、臺式萬用表和信號發(fā)生器等設(shè)備的遠(yuǎn)程操作、參數(shù)設(shè)置及界面監(jiān)測等功能，學(xué)生既可自行使用設(shè)置，也可使用教師預(yù)置參數(shù)，遇到問題教師也可以遠(yuǎn)程一鍵下發(fā)設(shè)置參數(shù)或遠(yuǎn)程監(jiān)測界面提供技術(shù)指導(dǎo)，幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。教師端遠(yuǎn)程查看學(xué)生終端儀表界面如圖1 所示;遠(yuǎn)程設(shè)置學(xué)生平臺參數(shù)如圖2 所示。

圖1 教師端遠(yuǎn)程查看學(xué)生終端儀表界面

圖2 遠(yuǎn)程設(shè)置學(xué)生平臺儀器參數(shù)

(三)功能模塊硬件設(shè)計

除了智能儀器儀表外，實(shí)驗(yàn)平臺最重要的是各科實(shí)驗(yàn)所需的功能模塊[10]，本系統(tǒng)脫胎于實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用案例，從實(shí)際工程案例中濃縮、提煉而來，它們將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、移動開發(fā)、移動通信和嵌入式網(wǎng)關(guān)等技術(shù)綜合運(yùn)用在同一套系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)分散知識點(diǎn)的綜合運(yùn)用，并實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)到知識面的過渡，如單片機(jī)實(shí)驗(yàn)所用的51 單片機(jī)模塊、32 單片機(jī)模塊、ARM 嵌入式模塊、RFID 實(shí)驗(yàn)?zāi)K及無線傳感器模塊等。開放實(shí)驗(yàn)平臺整合資源自主定制研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了傳感器模塊的復(fù)用，搭載了多種常用傳感器開放接口，因?yàn)閭鞲衅鞲骺贫紩婕?，只是使用的主控不一，因此?dú)立成模塊化方便復(fù)用;在單片機(jī)主控板模塊，選擇市場主流的51 單片機(jī)、STM32F103 單片機(jī)、ARM 樹莓派嵌入式主控板，同時預(yù)留主控板放置位，方便接入其他類型主控板;在無線通信模塊，除了搭配傳感器模塊、單片機(jī)模塊外，還加入了無線卡接口和網(wǎng)絡(luò)接口，同時配置一臺PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)云平臺接入和上位機(jī)開發(fā)功能。開放平臺盡可能多的配置齊全，沒有配置的由于平臺是模塊化設(shè)計，所以也可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)接入利用平臺資源實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。開放實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺部分模塊展示如圖3 所示。

圖3 開放實(shí)驗(yàn)室綜合實(shí)驗(yàn)平臺部分實(shí)驗(yàn)?zāi)K

四、物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室軟件管理系統(tǒng)建設(shè)

要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開放實(shí)驗(yàn)室的智能化管理，還必須借助開放實(shí)驗(yàn)室軟件管理平臺，本實(shí)驗(yàn)室軟件管理平臺融合了實(shí)驗(yàn)云平臺預(yù)約、實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)儀器遠(yuǎn)程管理及實(shí)驗(yàn)服務(wù)云對接等功能。

(一)實(shí)驗(yàn)云平臺預(yù)約

開放實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)教學(xué)云平臺，采用B/S 架構(gòu)，可以提供實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)所需的基礎(chǔ)理論課件、實(shí)驗(yàn)教案、實(shí)驗(yàn)全流程講解視頻和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等資源。在線預(yù)約實(shí)驗(yàn)時會根據(jù)學(xué)生年級匹配設(shè)備使用權(quán)限，還會要求完成指定的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備課程學(xué)習(xí)，模板化教學(xué)，同時又為優(yōu)秀教師提供靈活的難度控制，極大降低備課難度，提升實(shí)戰(zhàn)教學(xué)品質(zhì)。學(xué)生通過預(yù)約管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空閑時間的實(shí)踐動手練習(xí)，提升理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化效率，預(yù)約成功的學(xué)生會自動獲取開放實(shí)驗(yàn)室的門禁通行權(quán)限和實(shí)驗(yàn)平臺開機(jī)使用權(quán)限。

(二)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)及管理

通過實(shí)驗(yàn)室軟件管理系統(tǒng)，教師可以遠(yuǎn)程演示儀器設(shè)備使用方法，同時也可以遠(yuǎn)程監(jiān)測學(xué)生實(shí)驗(yàn)平臺上的設(shè)備儀器設(shè)置參數(shù)、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時畫面，可以在學(xué)生使用有問題時遠(yuǎn)程操作，也可以鎖定儀器設(shè)置參數(shù)不讓學(xué)生隨意修改，有效管理，使用便捷。

(三)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)融合平臺建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用廣泛，遍及家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、物流及食品安全等各個領(lǐng)域，其具體的應(yīng)用方式、產(chǎn)業(yè)模式、產(chǎn)品形態(tài)會有比較大的差異，但是其體系結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)都是一致的[11-12]。共性核心技術(shù)和設(shè)備是：感知執(zhí)行器、智能節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的感知層;網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)服務(wù)、Web 服務(wù)等構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層;各種客戶端應(yīng)用、應(yīng)用管理系統(tǒng)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層。豐富的數(shù)據(jù)分析：提供豐富的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析結(jié)果展示，幫助教師從整體上把握設(shè)備的使用情況。同時云服務(wù)平臺還融合了主流的阿里云、ONENET 云平臺服務(wù)接口和開發(fā)指南，方便學(xué)生學(xué)習(xí)開發(fā)云服務(wù)與實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)對接。

五、結(jié)束語

從物聯(lián)網(wǎng)開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃到落地實(shí)踐，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)、硬件配置和軟件管理系統(tǒng)應(yīng)用等逐步實(shí)現(xiàn)，塔里木大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開放實(shí)驗(yàn)室自主預(yù)約制建設(shè)體系探索與實(shí)踐取得初步成功，但其對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)和科研能力的提升效果還需長期觀察總結(jié)。本文從物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開放實(shí)驗(yàn)室自主預(yù)約制建設(shè)體系探索到實(shí)踐落地，從塔里木大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合專業(yè)、課程、設(shè)備特點(diǎn)，提出從實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)、硬件配置和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件管理三方面實(shí)現(xiàn)開放實(shí)驗(yàn)室智能化管理、實(shí)驗(yàn)硬件模塊化、實(shí)驗(yàn)儀器全面化的建設(shè)方法，以加強(qiáng)學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室的密切聯(lián)系，提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)本身的關(guān)注度，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的高效轉(zhuǎn)化。