物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)課程教學(xué)改革探究

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摘要：物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中的一門專業(yè)課程，可以幫助學(xué)生整合之前學(xué)到的知識點(diǎn)，培養(yǎng)系統(tǒng)性思維，在專業(yè)能力的培養(yǎng)中有重要作用。文中以作者的教學(xué)經(jīng)歷結(jié)合這門課的特點(diǎn)，對當(dāng)前本科生物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制系統(tǒng)教學(xué)改革提出一些教學(xué)意見和實(shí)施方案，旨在提升培養(yǎng)人才質(zhì)量，探索培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的有效途徑。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；教學(xué)改革；控制技術(shù)；教學(xué)方式；人才培養(yǎng)；思維創(chuàng)新

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(xué)旨在提升學(xué)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(jì)、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(gè)交叉學(xué)科，核心技術(shù)覆蓋整個(gè)信息學(xué)科，包括傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)等傳統(tǒng)學(xué)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(jì)范圍廣，可以幫助學(xué)生整合學(xué)到的各類知識點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)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(xué)的知識點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(shí)間較短，專業(yè)性較強(qiáng)，相關(guān)教材較少，如清華大學(xué)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(xué)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(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和建議。

1教學(xué)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(xué)內(nèi)容較復(fù)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(jī)原理等基礎(chǔ)課程的相關(guān)知識，本科教學(xué)多數(shù)安排在三年級。學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)和硬件有一定的了解，但限于課時(shí)，對這些知識點(diǎn)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(xué)內(nèi)容進(jìn)行講授，結(jié)合RFID與ZigBee實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)踐，在傳授基礎(chǔ)知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)中的實(shí)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(shí)現(xiàn)某種功能，達(dá)到某些指標(biāo)，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(dǎo)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(lán)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(diǎn)，在實(shí)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(jìn)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(diǎn)以及合適的應(yīng)用場景。并且引導(dǎo)學(xué)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(shí)現(xiàn)同類技術(shù)有依據(jù)的選擇。這樣，學(xué)生通過歸納分析不僅能更快速地掌握知識點(diǎn)，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(diǎn)，提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)范圍廣，包括傳感器，識別技術(shù)，RFID，模擬與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的檢測、處理與融合，微處理器，人機(jī)交互，通信技術(shù)，驅(qū)動與控制技術(shù)等。對于這些知識，學(xué)生僅僅有概念還不夠，還需要將所學(xué)的知識點(diǎn)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(dá)到使學(xué)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(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的地位，同時(shí)在講授各知識點(diǎn)時(shí)，明確各個(gè)知識點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中的作用。其次，引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)末端到執(zhí)行器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，布置開放性作業(yè)以及習(xí)題，給出應(yīng)用環(huán)境，讓學(xué)生設(shè)計(jì)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(xué)生有系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維。最后，在系統(tǒng)總結(jié)時(shí)，從系統(tǒng)框架出發(fā)，填充知識點(diǎn)，幫助學(xué)生掌握整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制系統(tǒng)。

1.3增加學(xué)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(xué)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(xué)生自學(xué)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(diǎn)講解傳感器的原理，而更強(qiáng)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(xué)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(shí)同理。課下作業(yè)可以讓學(xué)生去查找符合某個(gè)條件的傳感器的型號，或者給學(xué)生某型號的技術(shù)手冊，讓學(xué)生查閱，并且說明得到哪些重要的信息。這樣在課堂上就強(qiáng)制學(xué)生擁有查閱技術(shù)手冊的經(jīng)驗(yàn)，初步掌握讀取技術(shù)手冊的方法，旨在使學(xué)生以后從事該專業(yè)領(lǐng)域的工作時(shí)，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(xué)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(xué)生已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)知識以及專業(yè)思維。同時(shí)，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(tuán)隊(duì)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(xué)生在學(xué)習(xí)各類知識的同時(shí)需要學(xué)會撰寫說明書以及科技論文。在授課過程中，詳細(xì)講述撰寫說明書的要點(diǎn)、寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容等，對于科技論文，不要求學(xué)生有很強(qiáng)的創(chuàng)新點(diǎn)，要求學(xué)生寫出從摘要、關(guān)鍵詞、引言到總結(jié)、參考文獻(xiàn)框架的小論文，鍛煉學(xué)生寫作能力的同時(shí)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)論文打好基礎(chǔ)。布置一些學(xué)生感興趣的題目為作業(yè)，批閱后對其進(jìn)行點(diǎn)評。實(shí)際教學(xué)過程中，證明學(xué)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(shí)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(shí)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(dǎo)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(shí)事，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注前沿技術(shù)的應(yīng)用，在增強(qiáng)學(xué)生興趣的同時(shí)開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(diǎn)在于多學(xué)科交叉性強(qiáng)、技術(shù)更新快、概念較多且抽象，因此，如何讓學(xué)生快速掌握知識點(diǎn)、培養(yǎng)自主查閱資料以及工程實(shí)踐能力是教學(xué)方式改革重點(diǎn)考慮的問題。首先，為了讓學(xué)生快速掌握知識點(diǎn)，在傳統(tǒng)授課的基礎(chǔ)上，增加互動與演示，上課時(shí)針對特定問題，多提問，可以拓展學(xué)生思維，讓學(xué)生說明自己的理解，同時(shí)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(xué)生理解。其次，為了培養(yǎng)學(xué)生自主查閱資料的能力，以小組為單位，為學(xué)生布置一些開放性的作業(yè)。課時(shí)允許的情況下，讓學(xué)生在課堂上做匯報(bào)，同學(xué)之間相互提問及互評，教師進(jìn)行點(diǎn)評；課時(shí)緊張的情況下，對學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行批注修改。對于一些不重要的知識點(diǎn)，嘗試采用由課堂講授改為安排學(xué)生課下閱讀自學(xué)的方式。在有些課上會單獨(dú)預(yù)留出幾分鐘請1～2位同學(xué)為大家簡單講解自習(xí)閱讀的內(nèi)容，對學(xué)生掌握不夠的知識內(nèi)容，再進(jìn)行講解。最后，為了提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，課程配套相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。采用RFID實(shí)驗(yàn)箱和歐爾斯的物聯(lián)網(wǎng)ZigBee增強(qiáng)套件實(shí)驗(yàn)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(xué)生在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)一些新的功能，比如在IC卡中存儲學(xué)號。讓學(xué)生對所學(xué)知識有一定了解的情況下，以實(shí)際工作任務(wù)的形式完成實(shí)驗(yàn)，加深對知識點(diǎn)的印象，提高工程實(shí)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(xué)內(nèi)容和方式進(jìn)行改革的最終目的還是使學(xué)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(shí)踐能力，同時(shí)也為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)知識打下良好的基礎(chǔ)。對于以上幾項(xiàng)課程教學(xué)改革意見，作者在教學(xué)活動中不同程度地進(jìn)行了實(shí)踐，初步取得了一定的效果，但仍然有進(jìn)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。

作者:楊守瑞 黃薇 石凡 王曉曄 溫顯斌 單位:天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院