物聯網實踐能力培養的研究與探索

安 健, 任東勝, 桂小林, 李遠康

(1. 西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安 710049；2. 西安交通大學 教師教學發展中心, 陜西 西安 710049)

物聯網作為7大新興戰略性產業之一,已列入國家“十二五”和“十三五”發展規劃,受到工業界、學術界的廣泛關注。目前,物聯網人才的缺乏已成為制約其產業深度發展的關鍵瓶頸之一。物聯網作為一門新型交叉學科,涉及計算機、通信技術、電子技術等專業知識,單純的理論學習很難將多學科融合在一起,所以實踐是其人才培養過程中的核心方法[1]。但現有物聯網實驗教學過程中存在著脫離實際應用、操作細節不易展示等問題,且多為驗證性實驗。在這種實驗教學模式下,學生很難調動起學習的積極性和創造性,很難學到操作的技術細節,也不能融會各個學科的知識[2-3]。這種局限性也會影響到學生的今后工作,導致了物聯網人才培養與社會需求的脫節。

以我校陜西省網絡重點實驗室、國家級實驗教學示范中心(計算機教學實驗中心)為實踐基地,以物聯網開放專題實驗為切入點,提出了一種實踐能力培養模式,以項目為導向、以硬件積木為工具,將課堂教學和視頻自學有機結合,調動學生的積極性和創造性,進一步強化學生的工程實踐能力。

1 傳統物聯網實驗教學存在的問題

物聯網工程專業的實驗教學目標是培養能夠系統掌握物聯網相關理論、方法和技能,具備通信技術、網絡技術、傳感技術等專業知識的高級工程技術人才[4]。對于物聯網工程這一新興交叉學科,實驗教學是其專業教學的重中之重,也是學生掌握多學科知識的捷徑。而目前高校物聯網工程類實驗課程的教學流程,大多為通過PPT講解相關的知識點,然后再通過集成度很高的模塊化實驗箱做驗證性實驗[5]。現有的實驗教學模式主要存在以下問題和不足[6]。

(1) 當前物聯網實驗多為驗證性實驗,很難調動起學生的積極性和創造性。由于物聯網是一個新型的交叉學科,對于該專業的實驗教學應該探索新的思路和方法,但大多高校仍然沿用計算機類其他專業的實驗教學思路,這種局限性在一定程度上限制了對學生的能力培養。另外在當前情況下,受限于實驗課時和實驗室的硬件條件,又考慮到學生能力的參差不齊,學生在課上完成設計性和創新性實驗的難度很大。

(2) 實驗教學方法單一、內容比較陳舊重復,使得學生對實驗課難以提起興趣。目前大多高校的實驗課教學形式都是通過PPT或者實驗指導書講解實驗原理和實驗步驟,然后學生按照實驗指導書機械地重復,得到最終的結果即為實驗成功。在這種教學模式下,學生只能被動地完成整個實驗流程,缺少思考,也不能提升實踐能力。

(3) 實驗教學內容脫離實際應用,未能與時俱進。當下很多高校的物聯網實驗課都是在集成度很高的實驗箱上做驗證實驗,但實驗箱只是一些器件的堆積,缺乏實際意義,很多學生做完實驗也不能體會如何將實驗內容應用到具體實例上。此外,計算機學科,尤其是物聯網這個新興專業一直都在進化和改變,可是實驗課程往往是一成不變的,學生掌握的很可能是過時的技術和理念,這些都影響了學生日后的實際工作。

(4) 實驗教學方式缺少對技術細節,尤其是硬件細節的展示。物聯網專業涉及很多嵌入式和傳感器等硬件知識,而受限于教室環境和師生相對數量,傳統的教學方式很難將硬件的細節做到很好地展示。這不僅影響學生的學習質量,還有可能因對硬件的違規操作出現安全問題。

2 物聯網開放實驗教學模式

物聯網開放實驗教學模式以項目為導向、以硬件積木為工具,融合了課堂教學和視頻教學2種教學方式。本課程主要面向大三和大四有一定編程能力和物聯網理論基礎,且有興趣提升項目實踐能力的學生。物聯網開放實驗教學模式框架如圖1所示。

圖1 物聯網開放實驗教學模式框架

2.1 利用硬件積木作為實踐工具

物聯網把所有物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來,進行信息交換,以實現智能化識別和管理。而信息采集、數據交換都需要智能硬件支撐,因此物聯網專業相比計算機類其他學科更注重硬件知識的學習。物聯網使用傳感器設備采集信息及藍牙模塊或者WIFI模塊等來進行數據傳輸,還需要微控制器對數據進行處理和監控整個系統的運行邏輯。這樣看來物聯網系統與嵌入式系統很相似,但實際上物聯網是嵌入式系統與互聯網發展到高級階段的融合體[7]。嵌入式系統將智能微處理器嵌入到物理對象中,實現物理對象的智能化。而物聯網要實現遙控、智控、人—物交互、物—物交互,這就需要融合嵌入式技術與互聯網。

目前嵌入式教學仍存在很多難點和問題[8],首先嵌入式專業涉及面太廣、綜合性太強、入門難度太大。此外還要求學生有良好的軟硬件知識,理解底層硬件和外設以及內核和驅動的工作原理。與此同時嵌入式技術發展很快,而教師和實驗環境很難同步跟進。因此對于物聯網專業的學生,既要掌握網絡知識,編程語言等軟件知識,又要掌握嵌入式等硬件知識存在非常大的難度。

考慮到嵌入式教學存在的難點,以及物聯網專業學生對于硬件學習的需求,本文提出的物聯網開放實驗教學模式，采用專為軟件開發者設計的智能硬件開發平臺,并將硬件積木作為實踐工具[9]。硬件開發的門檻很高,作為物聯網專業的學生雖不用將硬件開發掌握到寄存器級別,但也應該熟練掌握單片機及傳感器的使用。智能硬件開發平臺降低了硬件開發的入門難度,諸如樹莓派、Arduino以及英特爾推出的愛迪生系列都是目前很流行的硬件平臺。通過學習，這些硬件平臺可以使學生快速進入硬件開發,即使沒有硬件基礎,也能在短時間內開發出軟硬結合的智能小設備。下面對Arduino平臺[10]與硬件積木的結合作簡單介紹,Arduino UNO開發板如圖2所示。

圖2 Arduino UNO開發板

Arduino相對其他智能硬件平臺更容易入門,不需要太多的單片機基礎和編程基礎,只需基本的C語言,對于初學者來說極易掌握。其次它價格低廉,具備跨平臺特點,而且Arduino的軟硬件全部開源,有很多技術資料可以參考,是一個對初學者很友好，且性價比很高的平臺。

Arduino采用主控板加外接硬件的方式工作,主控板即為圖2中的開發板,外接硬件可以為各式各樣的傳感器或控制器,即前面提到的硬件積木。主控板結合擴展板使用,可以解決連接傳感器過多時IO接口不夠用的問題。硬件積木具有通用性,可用于各種平臺,通過硬件積木的組合結合實用場景可以設計出不同的智能設備。這種方式提高了學生的積極性和創造性,鍛煉了學生的動手能力,在提高了硬件學習趣味性的同時降低了難度。

2.2 融合課堂教學和視頻教學

物聯網開放實驗教學模式的第二個特點是融合課堂教學和視頻教學[11]。教學流程為學生在課前通過觀看教學視頻完成預習和自學,在課上教師強調知識重點及注意事項并引導學生完成實驗操作。

視頻教學諸如MOOC(massive open online course)和SPOC[12](small private online course)是近年來出現的在線學習模式,通過將知識講解錄制成視頻發布到互聯網上,使得學生在課前可以自主學習。其中SPOC是針對小規模、特定人群的視頻教學模式,本文提出的視頻教學模式類似于SPOC模式。在大學校園課堂,結合課堂教學和視頻教學,實施翻轉課堂教學。這種教學模式重新調整了課堂內外時間,將學習的決定權從教師轉移給學生,教師從知識的傳授者轉變為學習的指導者和促進者,教學視頻承擔起知識傳授的責任。這種融合后的教學模式有以下幾方面優點[13]:

(1) 直觀性。能夠突破視覺限制,多角度全方位觀察實驗進行。在傳統的硬件實驗教學中很難直觀地展示技術細節,但通過視頻學生可以完整地了解整個操作過程,不僅有利于學生掌握對硬件的操作,還能降低因違規操作帶來的危險性。

(2) 提高教學效率。通過視頻的方式將大信息量的學習內容傳達給學生,節省了時間,并且交互性更強、學生參與性更強,在視頻學習階段可以反思并發現問題,在課堂上向教師提問解決問題。

(3) 可重復性。傳統教學中針對難點和遺忘的情況,只能請教師解答,增加了教師的工作強度,還存在解答不及時的情況。學生可以通過觀看視頻掌握難點和解決遺忘問題,視頻作為可重復利用的資源方便學生強化學習,也在一定程度上減輕教師負擔。

(4) 利用碎片化時間。微視頻的時長都比較短,且內容豐富。通過觀看視頻學生可以將課余時間利用起來,并且視頻教學能夠激發學生的學習興趣,使學生注意力更集中。

教學使用的視頻不同于實時講授,在錄制時應注意以下幾點:首先,考慮到學生有限的課余時間,視頻長度不能超過15 min,太長的視頻會降低學生的學習興趣；其次要有明確的主題,內容要直奔主題進行講解；最后要注意在講解過程中聲音清晰明亮,吸引學生注意力。

在實驗教學開展過程中,錄制了Arduino教學視頻,對Arduino開發板及各類傳感器進行了講解,實驗課程共32學時,共錄制教學視頻46個。考慮到方便學生獲取并觀看教學視頻,將視頻上傳到課程微信公眾號中,在課前通過推送的方式將視頻發布給學生,這樣學生在移動端即可觀看視頻。部分視頻信息如表1所示。

表1 部分視頻展示

2.3 利用開放項目實戰提升綜合能力

物聯網專業的培養目標要求學生能夠設計出具體應用的解決方案并實現[14]。在以往的傳統實驗教學模式下,課程實驗多為驗證性實驗,學生很難通過實驗貫通所學知識。在新的實驗教學模式中,增加設計型、綜合性和創新型實驗,利用項目實戰將學生所學知識連接起來,提升學生的綜合能力。

在學習了單片機和傳感器的基礎知識后,結合一定的編程知識,學生均有能力設計并實現小型智能硬件設備。將開放實驗的考核設置為開放項目設計,學生2人一組,題目由學生自由選擇,根據現實場景中的現實問題設計出硬件解決方案并初步實現。學生在選擇題目時可以根據自己的興趣愛好和能力來確定場景和解決方案,解決了傳統教學中不考慮學生能力,統一施教的弊端。在設計方案的過程中,學生需要查閱資料,綜合多門課程知識,為了達到最佳效果,學生需要真正動腦思考、精心設計,整個設計和實現的過程調動了學生的積極性和創造性,提高了學生發現問題、分析問題、解決問題和團隊協作的能力。部分學生的開放項目設計如表2所示。

表2 部分項目設計展示

為進一步鍛煉學生能力,并將學生的項目設計工作延續下去,在項目設計之外,組織學生參加競賽及大學生創新創業項目。學生可以進一步完善項目,經歷項目從設計到實現的整個流程。除此之外鼓勵學生參加ITP(信息新蕾計劃),參加實驗室或學院的科研課題組,承擔具體工作。通過競賽、項目和課題組工作,更加調動了學生的積極作用,同時也促進了項目進展,學生還有機會發表論文和專利,增強了學生在讀研或工作中的競爭力,真正實現了通過實戰提升能力,教育人才。

3 物聯網開放實驗教學實踐結果

物聯網開放實驗教學模式應用于物聯網開放實驗課,該課程選課人數為26人。物聯網開放實驗教學模式的實踐結果統計如表3—表5所示。

表3 課前效果統計 %

表4 課中效果統計 %

表5 課后效果統計 %

從表3中可以看出,在傳統教學方法下大多數學生并沒有預習的習慣,也就不能在課前發現問題,學生在課上完全接受教師的講解,在理解的同時還要完成實驗,效果不好,也沒有利用起學生的課余時間。在開放教學模式下學生通過觀看視頻可以提前預習并及時發現問題,教師課上針對問題集中講解即可,提高了教學效率。

如表4所示,開放實驗教學模式通過視頻可以很好地將對硬件的操作細節進行展示,而傳統模式只能通過教師展示,費時且效果不好。通過掌握技術細節可以在很大程度上降低學生實驗時的操作失誤率。

表5為新模式的實踐效果以及學生對新模式的好評率,可以看到新模式下學生項目設計的效果有明顯上升,并且學生對新的教學模式更有好感。

在課堂之外,開放實驗的教學模式提升了學生的積極性和創造性,提升了學生發現問題并解決問題的能力,還鍛煉了學生的團隊協作能力。通過項目實踐,學生在各類物聯網競賽中收獲了很好的成績,對在實驗室課題組的工作也有很大幫助,使得學生在今后的學習或工作中更具競爭力。

4 結語

針對物聯網實驗教學現存的問題,以“物聯網開放實驗”為切入點,以我校陜西省網絡重點實驗室為實踐基地,提出了一種物聯網開放實驗教學模式,通過對智能硬件平臺的學習,使學生快速掌握智能微控制器和各類傳感器,并將課堂教學和視頻教學有機結合,提升了教學效率,最終通過開放項目進行實戰,提升學生綜合素質。新的教學模式更能調動學生的積極性和創造性,有利于學生掌握硬件技術,也鍛煉了學生設計解決方案并實現的能力,真正做到了對物聯網人才的培養。