物聯網專業開放實驗室自主預約制建設體系探索與實踐

孟洪兵，陳 軍，楊安迪，韓清華，施明登

(塔里木大學 信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

關鍵字：開放實驗室;物聯網工程;智能化管理;云服務;智能

為推進“四個回歸”，建設一流本科教育，進一步落實全國教育大會和新時代全國高等學校本科教育工作會議精神，新疆塔里木大學從去年開始按照自治區教育廳《關于在我區本科高校開展學分制管理改革試點工作的指導意見》和教育部對塔里木大學審核評估整改要求，修訂本科專業人才培養方案，特別提出提高實踐教學比重，強化實踐能力培養，推進實驗、實習獨立設課，構建分層次、分階段的梯度實踐教學體系。而其中物聯網專業實踐教學迎來較大改革，要提升實踐教學，主要從實驗室實踐和生產實踐兩方面推進[1-3]。本文主要從物聯網開放實驗室自主預約制建設體系著手進行探索與實踐，根據物聯網專業的人才培養目標，提出組合課程實踐路線，進行相關課程組合，并將課程按照年級及必修或選修進行合理的分配，構建出課程綜合實驗體系，物聯網專業的學生可以在開放實驗體系里找到符合其職業規劃的學習路線圖，從而實現對差異化人才培養的有效支撐。

本文在與兄弟高校實驗室建設交流、先進儀器設備供應商探討的基礎上，首先從物聯網開放實驗室面對的學生、支持的課程和擁有的儀器三個方面分析了開放實驗室的特點，進而引出在建設物聯網開放實驗室時，應實現管理智能化、實驗模塊獨立化、實驗儀表全面化這一總體目標[4-5]，將設備儀表整合在一個平臺，實現既能單臺開放也能多臺聯動，既能單科實驗也能綜合實驗，突出物聯網開放實驗室通用性、易用性和開放性。基于此思想，物聯網開放實驗室從實驗教材建設、硬件配置和軟件管理三方面著手，逐步健全學生實驗管理體系，逐步培養學生的條理性，密切學生與實驗室之間的關系，使學生的注意力更多放在實驗設計本身，有利于提高學生的實踐能力、創新能力。

一、物聯網開放實驗室特點

針對物聯網開放實驗室所面對的學生特點、專業應用特點、開設課程特點及擁有的設備儀器制定實驗室建設方案，才能形成有效、清晰的建設思路。

(一)學生特點

物聯網專業學生一般在大二第一學期開始接觸專業基礎課程實驗，學習相對大一基礎公共課來說開始由泛而精，由難到易，由理論過渡到實踐應用。雖然有一個逐步過渡的過程，但對大部分學生來說，還是無法及時適應專業學習進度，具體表現為很多專業名詞、實驗設備第一次接觸，沒有形成直觀印象，感覺陌生復雜，實驗原理、步驟晦澀難懂，難以記憶，導致無力感油然而生[6-8]，而實驗課程一般又安排在學期末理論課程結束后，無法及時消除學生過渡期的迷惘。如果無法解決學生初次面臨的課程“恐學”情緒，會直接導致學生厭學煩躁，焦慮感激增，為此物聯網專業開放實驗室的建設可以及時有效解決這一窘迫狀況，學生在課堂學習理論知識時教師可以通過展示儀器設備、實現原理電路演示等直觀加深學生印象，學生利用課余時間自主預約，去實驗室親自動手實踐、摸索，進一步激發學習興趣，通過配套的實驗教材迅速上手，甚至通過實驗軟件管理系統申請教師技術協助，從課堂理論學習轉向理論實踐交叉同步，增強學習自信心，提升實驗創新能力。

(二)課程特點

物聯網專業課程是綜合性、實踐性非常強的課程，從電子基礎到傳感器原理，從無線通信到微控制器，從數據采集到云平臺處理整體形成閉環系統，需要學生既要掌握基礎原理又要設計實踐，因此開放實驗室建設需要提供閉環系統中的每一個環節實驗需求。由于實現的功能明確但實現的方法很多，針對這樣的課程特點，物聯網開放實驗室在建設過程中提供了示例實驗，但不限制學生拓展和發揮，除了完成基礎實驗任務外，鼓勵學生自主設計實驗、創新實驗，充分發揮主觀能動性，對于效果較好的實驗設計，吸納融入實驗室示例實驗中，提供實驗設計說明，激發學生學習動力。

(三)儀器設備特點

物聯網開發實驗室應具備豐富的儀表和設備，主要包括可編程穩壓電源、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PC 機及有線/無線接口等。傳統實驗平臺由廠家自主設計研發，各儀器儀表獨立成件，整合一體，相互獨立，因此造成諸多問題，如接線標準不同，線材種類復雜、接口不一，儀器教學調試困難，難以統一管理，模塊重復性高，可復用性差等[9]。如果物聯網專業開放實驗室能夠整合資源統一規范，便于升級復用，將會極大便捷學生使用，轉移學生實驗重心到實驗本身上去。

綜上物聯網開放實驗室所面對的特點，本文提出從實驗教材建設、硬件配置和實驗系統軟件管理三方面實現建設目標，達成實驗室智能化管理、實驗硬件模塊化、實驗儀器全面化任務要求。

二、物聯網開放實驗室實驗教材建設

針對單片機、傳感器、ZigBee 無線傳感網、RFID 及物聯網信息安全等各門物聯網工程專業課而言，實驗是必不可少的教學環節。開放實驗室以各類型的物聯網工程應用實訓裝置、多功能物聯網綜合實訓臺、物聯網智能家居實訓系統為主，為本門專業課程提供實驗環境支撐，多種實驗室設備用于支持知識點學習，支撐實驗教學及科研活動。但要實現實驗，除了具備基礎理論知識外，最重要的是要有詳細實驗步驟的實驗指導書，單獨實驗儀器說明書無法指導完成綜合實驗，教學用教材無法指導實驗接線，因此在本科生實驗教學中，匹配實驗平臺的綜合而詳實的實驗指導書是學生自主完成實驗的重要條件，讓學生可以依據實驗教材一步一步實現實驗效果，可以極大地激發學生實驗興趣，進而發揮主觀能動性，創造性地發揮，完成更多實驗。

在物聯網開放實驗室建設中，為各專業所有實驗課程匹配編寫了實驗教材，目前合計完成6 門課程單獨實驗，2 門課程綜合實驗。單獨課程實驗中，實驗分為基礎實驗和創新實驗，基礎實驗從儀器認知、使用到基礎實驗逐步實現，從接線到實驗效果說明，從文字圖片描述到全程實驗視頻錄制都提供的詳細的指導說明，學生依照步驟完全可以零差別實現;創新實驗中，給出實驗原理、步驟、功能及效果，啟發學生自主探索實驗。實驗由易到難，指導由詳實到點撥，既有層次又有深度，立體化培養，可以滿足不同學習能力的學生實驗。

在綜合實驗中，實驗教材只給出一種實驗示例，滿足實驗最低要求，鼓勵學生跨課程、跨年級組隊實現物聯網專業閉環實驗，即從數據采集、數據處理、遠程管理、終端控制進行一體化實踐，形成學生有專長，團隊有協作，老師有指導，相互學習交流探討模式。

三、物聯網開放實驗室硬件建設

為了使開放實驗室實現智能化管理，各科實驗模塊化，實驗儀器全面化，實驗室建設過程中積極協同廠家整合資源，根據建設策略定制化開發，研制了開放實驗室的綜合性模塊化實驗平臺。

(一)電源模塊

每個實驗平臺的每個實驗儀器加入電源管理硬件模塊，實現遠程電源控制管理，配合軟件預約系統實現實驗平臺的有效管理。如大二學生只學習了單片機主控板，在不特殊申請的前提下，其只能通過預約系統申請單片機模塊的開機使用;如學習了傳感器課程即可開放傳感器模塊使用權限。這也為基礎認知實驗、獨立實驗提供逐步學習的硬件保障，可以保證在學生不熟悉其他儀器的情況下無法開機使用，既是對實驗室的保護，也是提高學生專注度的一種方法，做到逐步認知，逐步學習，逐步使用。

(二)智能儀器儀表模塊

通過智能網絡互聯，配合實驗室軟件管理系統，可實現如編程電源、示波器、臺式萬用表和信號發生器等設備的遠程操作、參數設置及界面監測等功能，學生既可自行使用設置，也可使用教師預置參數，遇到問題教師也可以遠程一鍵下發設置參數或遠程監測界面提供技術指導，幫助學生完成實驗。教師端遠程查看學生終端儀表界面如圖1 所示;遠程設置學生平臺參數如圖2 所示。

圖1 教師端遠程查看學生終端儀表界面

圖2 遠程設置學生平臺儀器參數

(三)功能模塊硬件設計

除了智能儀器儀表外，實驗平臺最重要的是各科實驗所需的功能模塊[10]，本系統脫胎于實際物聯網運用案例，從實際工程案例中濃縮、提煉而來，它們將無線傳感器網絡、RFID、移動開發、移動通信和嵌入式網關等技術綜合運用在同一套系統中，實現分散知識點的綜合運用，并實現知識點到知識面的過渡，如單片機實驗所用的51 單片機模塊、32 單片機模塊、ARM 嵌入式模塊、RFID 實驗模塊及無線傳感器模塊等。開放實驗平臺整合資源自主定制研發，實現了傳感器模塊的復用，搭載了多種常用傳感器開放接口，因為傳感器各科都會涉及，只是使用的主控不一，因此獨立成模塊化方便復用;在單片機主控板模塊，選擇市場主流的51 單片機、STM32F103 單片機、ARM 樹莓派嵌入式主控板，同時預留主控板放置位，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、單片機模塊外，還加入了無線卡接口和網絡接口，同時配置一臺PC 機實現云平臺接入和上位機開發功能。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計，所以也可以實現單獨接入利用平臺資源實現實驗。開放實驗室實驗平臺部分模塊展示如圖3 所示。

圖3 開放實驗室綜合實驗平臺部分實驗模塊

四、物聯網開放實驗室軟件管理系統建設

要實現物聯網專業開放實驗室的智能化管理，還必須借助開放實驗室軟件管理平臺，本實驗室軟件管理平臺融合了實驗云平臺預約、實驗室門禁系統、實驗儀器遠程管理及實驗服務云對接等功能。

(一)實驗云平臺預約

開放實驗室引進教學云平臺，采用B/S 架構，可以提供實驗準備環節所需的基礎理論課件、實驗教案、實驗全流程講解視頻和實驗指導書等資源。在線預約實驗時會根據學生年級匹配設備使用權限，還會要求完成指定的實驗準備課程學習，模板化教學，同時又為優秀教師提供靈活的難度控制，極大降低備課難度，提升實戰教學品質。學生通過預約管理系統可以實現空閑時間的實踐動手練習，提升理論到實踐的轉化效率，預約成功的學生會自動獲取開放實驗室的門禁通行權限和實驗平臺開機使用權限。

(二)實驗遠程教學及管理

通過實驗室軟件管理系統，教師可以遠程演示儀器設備使用方法，同時也可以遠程監測學生實驗平臺上的設備儀器設置參數、數據采集和實時畫面，可以在學生使用有問題時遠程操作，也可以鎖定儀器設置參數不讓學生隨意修改，有效管理，使用便捷。

(三)物聯網云服務融合平臺建設

物聯網的應用廣泛，遍及家居、農業、工業、物流及食品安全等各個領域，其具體的應用方式、產業模式、產品形態會有比較大的差異，但是其體系結構和核心技術都是一致的[11-12]。共性核心技術和設備是：感知執行器、智能節點、數據網關構成物聯網的感知層;網絡通信、大數據服務、Web 服務等構成物聯網的網絡層;各種客戶端應用、應用管理系統構成物聯網的應用層。豐富的數據分析：提供豐富的數據統計與分析結果展示，幫助教師從整體上把握設備的使用情況。同時云服務平臺還融合了主流的阿里云、ONENET 云平臺服務接口和開發指南，方便學生學習開發云服務與實驗平臺數據對接。

五、結束語

從物聯網開放實驗室建設規劃到落地實踐，經過實驗教材建設、硬件配置和軟件管理系統應用等逐步實現，塔里木大學物聯網專業開放實驗室自主預約制建設體系探索與實踐取得初步成功，但其對學生學習興趣的培養和科研能力的提升效果還需長期觀察總結。本文從物聯網專業開放實驗室自主預約制建設體系探索到實踐落地，從塔里木大學物聯網專業學生實際情況出發，結合專業、課程、設備特點，提出從實驗教材建設、硬件配置和實驗系統軟件管理三方面實現開放實驗室智能化管理、實驗硬件模塊化、實驗儀器全面化的建設方法，以加強學生與實驗室的密切聯系，提高學生對實驗本身的關注度，促進學生學習成果的高效轉化。