物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及其在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

許東濱 梁明輝 王曉東 劉雅楠

[摘要] 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)作為新興學(xué)科，以醫(yī)學(xué)生培養(yǎng)為目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)還處于摸索階段，該文根據(jù)該校的專業(yè)特色和教學(xué)需求，從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)原則、實(shí)驗(yàn)室資源建設(shè)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)3個(gè)方面，詳細(xì)介紹了該校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)物聯(lián)網(wǎng)師資人才培養(yǎng)和校企合作形式進(jìn)行了討論，具有一定的借鑒作用。

[關(guān)鍵詞] 物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；生物醫(yī)學(xué)工程；實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)] R642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1672-5654（2018）01（c）-0147-03

Internet of Things Laboratory Construction and Its Application in the Experimental Curriculum Design for Biomedical Engineering

XU Dong-bin， LIANG Ming-hui， WANG Xiao-dong， LIU Ya-nan

Imaging and Biological Experiment Center， Medical Technological School of Qiqihar Medical College， Qiqihar， Heilongjiang Province， 161006 China

[Abstract] Internet of things， as en emerging discipline， and the Internet of things laboratory construction and laboratory teaching aimed at medical students culture are still in the exploration phase， and the paper introduces the construction experience of internet of things laboratory from the three aspects of construction principle of laboratory， laboratory resource construction and Internet of things laboratory curriculum system design according to the professional features and teaching demands of our school in detail， and designs the Experimental curriculum for biomedical engineering and finally discusses the training of teachers and talents of internet of things， and cooperation form of schools and enterprises， which is worth reference.

[Key words] Internet of things； Laboratory construction； Biomedical engineering； Experimental curriculum design

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IOT，Internet of Things）是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新興發(fā)展一門多學(xué)科交叉融合的熱門學(xué)科，自出現(xiàn)以來就得到各國政府的重視和扶持。2015年李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中就指出：在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)更加成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)的引擎，擁有合格的物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用專業(yè)人才成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)升級(jí)轉(zhuǎn)型，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵[1]。

生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering，BME） 是醫(yī)學(xué)與工學(xué)高度綜合和交叉的學(xué)科。主要研究領(lǐng)域涵蓋基因工程、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，醫(yī)療器材設(shè)計(jì)和維修，以及醫(yī)用軟件研發(fā)等各個(gè)方面。其主要目的是從工學(xué)角度，利用現(xiàn)代科學(xué)，研究人體結(jié)構(gòu)，開發(fā)醫(yī)療設(shè)備，為了解生命規(guī)律和防病治病提供技術(shù)手段。現(xiàn)在已有多所醫(yī)學(xué)院校開設(shè)了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，并致力于培養(yǎng)出兼具工程技術(shù)研發(fā)和生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)能力的研究性人才[2]。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本身具有高度的前沿性和先進(jìn)性，要求不斷調(diào)整課程設(shè)置以適應(yīng)社會(huì)的需求和時(shí)代的發(fā)展[3]。該校自2012年開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，2016年基本完成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作。該論文主要結(jié)合該校的生物醫(yī)學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程和實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說明和探討，希望對(duì)其他院校進(jìn)行相關(guān)建設(shè)提供借鑒[4]。

1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo)和原則

1.1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)

每所大學(xué)都有區(qū)別于其他大學(xué)的優(yōu)勢(shì)或特色，因此在對(duì)于人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位也都有所不同。比如我校作為醫(yī)學(xué)院校，同時(shí)又是應(yīng)用型本科院校，主要培養(yǎng)的是醫(yī)學(xué)相關(guān)的應(yīng)用型人才，所以在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中，需充結(jié)合學(xué)校特色，因此學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)該以滿足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、 實(shí)訓(xùn)為主， 旨在滿足培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)傾向于醫(yī)療設(shè)備方向。

1.2 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)具有先進(jìn)性

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一門新興的信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其發(fā)展速度迅猛是毋容置疑的，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)本身就具有滯后性的特點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)就應(yīng)該在滿足基本教學(xué)的同時(shí)，具備先進(jìn)性的特點(diǎn)。課堂理論與先進(jìn)應(yīng)用形式相結(jié)合，才能做到教學(xué)上事半功倍。

1.3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要具備開放性。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的開放性不只是說物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要滿足開放性實(shí)驗(yàn)的需求，其意義還要求物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的集成程度不能太高，學(xué)生不能只看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)涉及的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，了解工作的原理及進(jìn)行可能的故障排查。

1.4 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要具備可擴(kuò)展性。

物聯(lián)網(wǎng)定義本身就是一個(gè)物與物相連的網(wǎng)，這就要求物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以靈活接入網(wǎng)絡(luò)，并能夠進(jìn)行通信互聯(lián)，所以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上不能僅限于滿足單一的功能，而是可以通過設(shè)備內(nèi)的模塊組合以及設(shè)備間的通信互聯(lián)，完成綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)需求。同時(shí)為了滿足技術(shù)的更新?lián)Q代需要以及規(guī)模擴(kuò)展需要，設(shè)備應(yīng)具有通用接口，而且設(shè)備本身從硬件和軟件上，就應(yīng)該具有一定的可擴(kuò)展性。

1.5 實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與電子電路、單片機(jī)嵌入式、通信系統(tǒng)等知識(shí)緊密相關(guān)，所以物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，可以充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源，比如信號(hào)發(fā)生儀器、示波器、單片機(jī)、傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等儀器，這樣不但提高了儀器的利用率，同時(shí)在儀器使用的過程中，也可以幫助學(xué)生將不同科目的知識(shí)融會(huì)貫通，提高綜合能力和科研意識(shí)[5]。

2 實(shí)驗(yàn)室資源建設(shè)

該校在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)選購的是北京精儀達(dá)勝科技有限公司制造的EL-NC900物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)主機(jī)采用當(dāng)前最流行的低功耗、小封裝的Cortex-M3芯片做主控芯片，同時(shí)采用CC2420 Zigbee模塊芯片作為無線通訊模塊，性能穩(wěn)定且功耗極低。可確保短距離通信的有效性和可靠性。

該平臺(tái)的特點(diǎn)是具有一定是集成度，又兼顧模塊化的特點(diǎn)，主機(jī)與利用率較高的芯片模塊集成在一起，通過使能撥碼開關(guān)和數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信連接。同時(shí)，利用無線通信模塊（包括射頻模塊和ZigBee模塊等）將主機(jī)與傳感器、執(zhí)行終端相連接。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是利用率高的器件集成起來方便維護(hù)，利用率低的傳感器和執(zhí)行器可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活搭配，使用方便，具有一定的可擴(kuò)展性，可滿足設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需求。

同時(shí)。應(yīng)在PC端配置安裝配套的軟件，以滿足實(shí)驗(yàn)仿真的需要。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的軟件部分主要包括：Keil uVerson 4編程客戶端，IOT節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，以及串口調(diào)試助手軟件。下圖1為IOT節(jié)點(diǎn)監(jiān)控軟件的界面截圖。

同時(shí)，為充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)安裝以太網(wǎng)路由器，并為每套設(shè)備的PC配置網(wǎng)線和可用IP地址。

3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)需要考慮到兩方面的因素：①課程教學(xué)目標(biāo)需要，課程設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)涵蓋和難易程度，需要與該專業(yè)該課程的教學(xué)目標(biāo)相適應(yīng)；②硬件平臺(tái)的限制，這是物聯(lián)網(wǎng)開課的決定性因素，所以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)以滿足教學(xué)為主，兼顧科研開發(fā)，還要滿足學(xué)生參加大賽的需求[6]，同時(shí)針對(duì)研發(fā)和參賽需求，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要有一定的靈活性和開放性[7]。

在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)上，根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)以“夠用”和“適用”為原則，即生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的學(xué)習(xí)，不應(yīng)過于追求全面和深入，只需學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，并能夠動(dòng)手操作物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備即可。實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)將重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和幫助學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

該校現(xiàn)有的培養(yǎng)方案，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的主要基礎(chǔ)課和專業(yè)課包括17門考試課和15門考查課。參考物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程設(shè)置，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)基礎(chǔ)課程包括：C語言程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用、電路基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫管理；專業(yè)核心課程包括：物聯(lián)網(wǎng)概論、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) （無線通訊）、物聯(lián)網(wǎng)上位機(jī)開發(fā)、RFID技術(shù)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)、 能設(shè)備應(yīng)用開發(fā)（基于Android平臺(tái)）、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品管理與維護(hù)[8]。

考慮到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，去除掉兩個(gè)專業(yè)的交叉課程，并精簡(jiǎn)部分課程，可以在現(xiàn)有課程體系結(jié)構(gòu)下，增設(shè)物聯(lián)網(wǎng)概論、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理、傳感器技術(shù)、嵌入式開發(fā)、RFID射頻及ZigBee組網(wǎng)技術(shù)等課程。同時(shí)可以在實(shí)踐環(huán)節(jié)，增設(shè)課程設(shè)計(jì)及開放性實(shí)驗(yàn)。具體相見圖2的體系增設(shè)建議。

4 物聯(lián)網(wǎng)師資人才培養(yǎng)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室及課程建設(shè)，不局限于配套設(shè)施完善和課程體系設(shè)計(jì)，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的目的，關(guān)鍵在于如何有效的利用，而實(shí)驗(yàn)室的利用主要是教師的課程實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)的。物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新興學(xué)科，對(duì)教師的知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)踐能力都有極高的要求。教師只有通過不斷地學(xué)習(xí)、教學(xué)和科研實(shí)踐的積累才能對(duì)相關(guān)技術(shù)有深入理解進(jìn)而提升應(yīng)用能力。高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師應(yīng)該多參加培訓(xùn)、專家講座、 到企業(yè)參觀考察，通過多種途徑不斷學(xué)習(xí)提高。同時(shí)，也可以聘請(qǐng)一些來自企業(yè)的人才和行業(yè)專家作為兼職指導(dǎo)教師，以促進(jìn)教師和學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的共同提高[9]。

該校的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室是與北京精儀達(dá)勝科技有限公司采用校企合作的模式共同建設(shè)共同創(chuàng)建的。一方面是因?yàn)槠髽I(yè)需要學(xué)校培養(yǎng)更多具備物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的生物醫(yī)學(xué)工程人才到公司工作；另一方也是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室建設(shè)初期，師資力量較為薄弱，選擇有技術(shù)實(shí)力的企業(yè)合作，教學(xué)方案設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前景和符合市場(chǎng)的需求，這樣既能使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)并積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，又能使教學(xué)信息與市場(chǎng)要求同步，符合產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的要求[10]。

5 結(jié)語

隨著我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，僅具備醫(yī)學(xué)知識(shí)的人才已經(jīng)很難社會(huì)的需要，如何培養(yǎng)既具備醫(yī)學(xué)知識(shí)又兼具工程知識(shí)的復(fù)合型人才日漸成為醫(yī)學(xué)生培養(yǎng)的發(fā)展方向。該文針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，詳細(xì)闡述了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程，并提出一套較為詳盡的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)方案，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和可行性。

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（收稿日期：2017-10-31）