物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)改革探討

聶卓赟　郭東生　王 飛

華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院　福建廈門　361021

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)改革探討

聶卓赟郭東生王 飛

華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院福建廈門361021

分析了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的思路和措施，突出了教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；教學(xué)改革

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)是自動(dòng)化、電子、電氣、機(jī)械等專業(yè)的一門專業(yè)課程，在現(xiàn)代裝備制造業(yè)、航空航天、工業(yè)制造等各個(gè)領(lǐng)域具有舉足輕重的作用，其課程內(nèi)容是由傳感器原理、檢測(cè)電路和綜合應(yīng)用組成，具有知識(shí)涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)、行業(yè)結(jié)合緊密等特點(diǎn)［1］。在現(xiàn)有的教學(xué)大綱中，現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與其他課程，例如：物理、電路理論、數(shù)字/模擬電路等課程，知識(shí)重復(fù)性較高，容易產(chǎn)生重復(fù)性教學(xué)和無(wú)重點(diǎn)教學(xué)等問(wèn)題。在檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，常規(guī)的“連線+數(shù)據(jù)記錄”的方式難以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新意識(shí)。因此，有必要在教學(xué)中理清課程的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行改革。

隨著移動(dòng)終端的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)成為未來(lái)IT行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT），又稱傳感網(wǎng)，指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)并形成一個(gè)可實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和可管理的網(wǎng)絡(luò)。作為物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，傳感器和檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能信息采集與環(huán)境識(shí)別功能，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。可以預(yù)計(jì)，在未來(lái)的工業(yè)系統(tǒng)中，傳感器檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集都是在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下進(jìn)行的。因此現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程的教學(xué)需要以技術(shù)發(fā)展為導(dǎo)向。

結(jié)合現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展情況，筆者針對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出的改革方案概括為：在教學(xué)中充分抓住知識(shí)點(diǎn)的共性問(wèn)題，應(yīng)用實(shí)踐與理論教學(xué)并重；綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展涉及的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充；物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，采用自主設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1　物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的檢測(cè)技術(shù)發(fā)展

簡(jiǎn)單來(lái)講，物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)包括以下3個(gè)層次。

（1）感知層。利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。通過(guò)各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去。

（3）應(yīng)用層。把感知層得到的信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等實(shí)際應(yīng)用。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等革命性技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)涵越來(lái)越豐富，實(shí)現(xiàn)形式多樣化、網(wǎng)絡(luò)化。為了適應(yīng)新的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)，現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展逐漸表現(xiàn)出新的特征：一是傳感器向微型化、集成化、無(wú)源化方向發(fā)展；二是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)系統(tǒng)［2］；三是檢測(cè)系統(tǒng)的智能化、虛擬化。

2　教學(xué)內(nèi)容改革

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程涉及的知識(shí)面廣，與前期學(xué)習(xí)課程關(guān)系較為緊密，重復(fù)性知識(shí)較多。例如：傳感器的接口電路部分，涉及大量電橋電路、運(yùn)算放大器、變壓器等相關(guān)理論知識(shí)，在電路理論課程中已深入講解，但這些內(nèi)容在檢測(cè)技術(shù)中較為重要，為了加深學(xué)生對(duì)檢測(cè)技術(shù)的理解，往往在這些內(nèi)容上耗費(fèi)大量課時(shí)。因此，教學(xué)內(nèi)容改革的第一步即是合理的安排教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)。對(duì)于這部分重復(fù)性知識(shí)，筆者的處理方式是集中課時(shí)對(duì)電路理論等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行回顧。圖1給出了本文提出的課程教學(xué)內(nèi)容改革架構(gòu)。就《阻抗型傳感器》這部分較為重要內(nèi)容，筆者在授課前對(duì)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(jìn)行統(tǒng)一復(fù)習(xí)，在教學(xué)中將重點(diǎn)放在傳感器和接口電路的設(shè)計(jì)與使用上，由于對(duì)重復(fù)性的知識(shí)進(jìn)行了縮減，因此該部分的知識(shí)脈絡(luò)更加清晰。從教學(xué)的課時(shí)量上來(lái)看，原來(lái)的教學(xué)計(jì)劃需要6個(gè)教學(xué)課時(shí)完成，而采用新的教學(xué)方案后，僅需4個(gè)課時(shí)即可清晰的介紹該部分內(nèi)容。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明：學(xué)生能快速、清晰的掌握阻抗型傳感器技術(shù)架構(gòu)和設(shè)計(jì)原理，達(dá)到了良好的教學(xué)效果，同時(shí)還節(jié)省了約三分之一的課時(shí)量，用于后續(xù)增補(bǔ)內(nèi)容學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖1　現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容改革架構(gòu)

可以預(yù)見，未來(lái)的傳感器和檢測(cè)技術(shù)都是在物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一架構(gòu)下進(jìn)行。為此，在課程的概述階段，引入物聯(lián)網(wǎng)的工程實(shí)例，給出物聯(lián)網(wǎng)的定義、具體實(shí)現(xiàn)形式、涉及的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用的范圍等，以幫助學(xué)生建立物聯(lián)網(wǎng)概念，了解檢測(cè)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的基礎(chǔ)作用。圖2給出了典型工業(yè)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，可以看到針對(duì)工業(yè)設(shè)備的過(guò)程數(shù)據(jù)采集，不論是傳統(tǒng)的傳感器檢測(cè)、智能裝置檢測(cè)，還是射頻識(shí)別技術(shù)，都是通過(guò)結(jié)點(diǎn)的方式連接成相互通訊的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集成的工業(yè)網(wǎng)信息平臺(tái)。

圖2　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)例分析

射頻技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。與常規(guī)的物理量測(cè)量不同的是，射頻是一種面向標(biāo)簽數(shù)據(jù)的檢測(cè)。在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)教學(xué)，主要是圍繞物體的物理屬性進(jìn)行，而射頻技術(shù)主要是針對(duì)物體的信息屬性進(jìn)行識(shí)別。在教學(xué)內(nèi)容改革中，筆者強(qiáng)調(diào)需要射頻識(shí)別技術(shù)與傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)都是對(duì)實(shí)物對(duì)象屬性特征的獲取技術(shù)，都屬于檢測(cè)技術(shù)范疇。因此，有必要將射頻技術(shù)作為檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中的重要內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。

此外，智能傳感器技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也是在教學(xué)改革中需要適當(dāng)增加的內(nèi)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(jī)，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(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，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(guò)無(wú)線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，形成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)。

上述內(nèi)容都是對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的重要補(bǔ)充，與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合在一起，能夠形成一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)教學(xué)的完整架構(gòu)。由于教學(xué)內(nèi)容面向?qū)嶋H，直接從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)，避開了重復(fù)的理論推導(dǎo)，學(xué)生能夠更多直接、快速的把握檢測(cè)技術(shù)的知識(shí)脈絡(luò)，較好的理解和掌握檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)成、信號(hào)流從檢測(cè)點(diǎn)到客戶端的完整過(guò)程。目前，筆者已經(jīng)在教學(xué)中采用和推廣，取得了較好的教學(xué)效果。

3　教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革

為了能夠讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，切實(shí)掌握物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用，筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提出圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案。結(jié)合常見的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用背景，選擇化工過(guò)程、電機(jī)系統(tǒng)、智能家居等典型應(yīng)用案例，在必要的硬件條件下，讓學(xué)生自行搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解檢測(cè)技術(shù)在各種典型行業(yè)中的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

圖3　基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)方案

與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同的是，該實(shí)驗(yàn)面向物聯(lián)網(wǎng)終端用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)，除了傳感器原理和檢測(cè)技術(shù)外，還加入了具有數(shù)據(jù)處理和傳輸能力的節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳輸機(jī)制［3］，其中采用Arduino實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)，Zigbee實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，采用PC機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)終端為用戶提供檢測(cè)數(shù)據(jù)和曲線［4］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，該系統(tǒng)由學(xué)生進(jìn)行分組模塊化實(shí)現(xiàn)，最終進(jìn)行整合和聯(lián)合調(diào)試。目前，上述實(shí)驗(yàn)方案還處于設(shè)計(jì)和論證階段，尚未在教學(xué)進(jìn)行實(shí)踐。表1給出了與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的比較，比較結(jié)果表明該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）實(shí)驗(yàn)針對(duì)具體的行業(yè)對(duì)象進(jìn)行，兼顧了傳感器原理、檢測(cè)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。能夠讓學(xué)生全面的掌握物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的檢測(cè)技術(shù)。

（2）相對(duì)于傳統(tǒng)的“連線+數(shù)據(jù)記錄”實(shí)驗(yàn)方式，該方案方式靈活，能夠培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)配合能力。

（3）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)所需的專業(yè)知識(shí)在前期學(xué)習(xí)中都已涉及，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一次靈活運(yùn)用、自主運(yùn)用的綜合機(jī)會(huì)。

表1　實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案比較

在實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施中，可按照如下方式進(jìn)行操作。教師提前規(guī)劃實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并進(jìn)行模塊化劃分和項(xiàng)目分配。在教學(xué)初期，可以進(jìn)行Arduino數(shù)據(jù)處理模型設(shè)計(jì)、zigbee無(wú)線通信設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。在教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合教學(xué)進(jìn)度，針對(duì)具體的過(guò)程變量，設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器和接口電路進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集。在教學(xué)后期，對(duì)整套裝置進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試：其中，每個(gè)模塊分配5名學(xué)生共同完成，制定能力較強(qiáng)的學(xué)生作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人；在項(xiàng)目進(jìn)行中，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說(shuō)明書和實(shí)驗(yàn)報(bào)告；最后，進(jìn)行小組答辯和項(xiàng)目驗(yàn)收。上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，能夠促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實(shí)際和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的學(xué)習(xí)氛圍，是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的有效途徑。

4　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)教學(xué)改革與實(shí)踐研究，本文探討了自動(dòng)化、電子、電氣、機(jī)械等專業(yè)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)課程在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的教學(xué)改革問(wèn)題。通過(guò)改革，使教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻m應(yīng)專業(yè)技術(shù)發(fā)展。從前期的教學(xué)效果來(lái)看，上述改革能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固專業(yè)知識(shí)，并且有效地提高了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。

［1］ 孫傳友.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)及儀表［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］ 陳靜.傳感器與檢測(cè)技術(shù)教學(xué)改革探索［J］.中國(guó)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（6）：89-100.

［4］ 劉瑩，祝學(xué)云，范文.檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：61403149）；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：2015J01261）；福建省高校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號(hào)：JAS151403）；華僑大學(xué)研究生課程建設(shè)教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：14YJG10）。