“口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用

刘 艳， 秦昌明

(1. 大连大学 信息工程学院， 辽宁 大连 116622； 2. 大连大学 教务处，辽宁 大连 116622)

“口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用

刘 艳1， 秦昌明2

(1. 大连大学 信息工程学院， 辽宁 大连 116622； 2. 大连大学 教务处，辽宁 大连 116622)

为了提高物联网工程专业学生的“工程应用”、“实际动手”、“创新实践”能力，在创新实践教学中引进“口袋”实验室，建立基于“一套平台贯穿一系列课程体系，三年实践不断线”的创新实践教学新体系，旨在打破实验的空间限制，让学生在项目实践中学习和掌握系统的知识体系，充分发挥学生的想象力和创造力，培养学生知识综合运用能力和工程实践能力。

物联网； 实验教学； 口袋实验室； 能力培养

1 物联网工程专业实验教学现状分析

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络[1]。物联网技术是由通信、计算机、电子等多学科融合形成的、应用性非常强的、现有信息技术综合集成化的工程应用技术[2]。在我国，物联网的发展走的是以应用为引导、技术与应用相互促进、最终形成和谐的物联网应用创新体系和技术创新体系，推动物联网产业发展的道路[3]。因此，我国物联网产业的发展，需要大批高素质、创新型的工程技术人才，而创新型工程技术人才的培养，关键是建立创新型的工程实践教学体系。

在我国高校，物联网工程专业是一个“新建专业”，多数师资都是从计算机、通信、控制等其他相关专业调整过来的，加之部分教师本身就缺乏生产或实际工程项目研发经历，因此，普遍存在对物联网实验教学，尤其是工程实践教学功能、模式认知不够的问题，导致采购的实验仪器设备与实际教学目标不相符，“傻瓜型”实验箱居多，这种现象在地方高校尤为严重[4-5]。这些实验箱通常集成度较高、功能也比较丰富，但留给师生二次开发的资源十分有限，实验过程中通常只需要学生调节预留开关，或仅仅按说明书设定好参数，然后在上位机或实验箱上直接观测实验现象或结果，根本不具备为学生开设自主性设计性实验的环境，更谈不上进行启发性创新性实验。在物联网综合实训方面，国内多数高校采用智能家居、智慧农业大棚等成形实训系统，在这些系统上，学生更多的是在进行简单的操作配置和观看演示效果[6-7]。通过上述实验过程，学生可以一定程度获取对物联网系统的感性认识，但由于缺少实际动手实践机会，学生会很快丧失学习兴趣，不利于培养学生的工程意识和创新型思维。

2 “口袋”实验室

传统的实验模式是学生需要在规定时间、指定仪器或实验箱上进行限定性实验，以验证所学理论知识。这种学习方式具有一定时滞性，当学生一旦有灵感而又无法进入实验室时，灵感可能就永远实现不了，因为等下一次进入到实验室时，由于其他的操作任务而无暇实现之前的想法，或者之前的想法早已遗忘。另外，实验箱的价格相对较高、体积较大，直接购置，学生难以承担，且携带也极不便。

“口袋”实验室理念[8-9]近几年由美国德州仪器(TI)和赛灵思(Xilinx)中国大学计划项目引入中国，泛指各种功能强大的小型开发板，倡导一种不受时间、空间限制的全新实验教学模式。目前，现有芯片制造技术可以生产出1元硬币大小的“口袋”实验室，如图1所示，可堆叠的创意开源硬件Microduino，它们具有“小身材，大能量，开源性”的优点，方便学生二次开发。

图1 可堆叠的创意开源硬件Microduino

器件的小型化和低成本使“口袋”实验室能打破实验的空间限制，学生不必到实验室预定位置进行实验，可以在任何时间、任何地点实现其任何想法，可以随时随地进行理论与实践的结合，学生之间可以随时交换实验体会和想法，从而能够有效提高学生学习的趣味性，提高动手实践能力、理论与实践结合能力，增进学生之间感情，强化其探索精神与创新意识。

此外，“口袋”实验室若与物联网公共云服务配合，还可打通物联网的感知层和应用层，实现真正意义上的实际项目开发。

3 Yeelink云服务

Yeelink是国内首个开放的通用物联网平台，致力于建立一个完全开放性物联网云端，提供传感器数据的接入、存储和展现服务，能够为编程开发者、软硬件厂商提供一个开源的物联网平台，使得物联网开发者无需关心网络服务器实现网络互联的细节，就可以拥有驾驭物联网电子产品的基本能力，提高开发的效率和降低开发的难度[10]。目前，Yeelink SDK只做Arduino平台，Arduino是一个开源的、拥有简单输入输出的电路板，它沿用了Processing语言的开发环境且IDE(集成开发环境)完全免费开源[11-12]。

4 基于“口袋”实验室与Yeelink云服务的创新实验教学体系

学习并掌握物联网关键技术理论、提高学生工程实践能力和创新能力、培养适合国家和行业发展的专业工程技术人才，已成为高校物联网工程专业的核心教育目标[13]。针对上述人才培养目标，我们提出基于“口袋”实验室和Yeelink云服务、3年实践不断线的创新实践教学新模式。通过前期实践，该人才培养模式取得了良好的实践效果。

4.1 物联网“口袋”实验室建设

为丰富学生第二课堂，保证最多的学习时间和充分自由的空间，让学生随时可以在寝室、图书馆等场所自主进行物联网创意作品设计，提供“让想象落地”的平台，我校物联网工程专业推行了“口袋”实验室计划。2014年初，我校电工电子实验中心与上海塔普仪器制造有限公司合作，引进Microduino物联网创新套件，筹建了物联网“口袋”实验室。如图1、图2所示，套件中各模块体积较小，可以独立使用、叠加使用，且软硬件开源，便于学生在此基础上做“硬件再发明”的科技达人。

图2 Microduino无线通信模块

套件中包含多种传感器模块和无线组网模式，硬件资源设有Arduino、Microduino兼容接口，有WiFi通信模块、ZigBee通信模块、20多种传感器模块、MIP架构的多功能嵌入式网关、CortexA9+FPGA一体化嵌入式系统模块、4G通信模块和其他配套执行结构，支持物联网感知层、传输层、应用层电子原型系统开发。

“口袋”实验室采用开放式管理模式，学生可以根据专业课程进展情况和个人设计兴趣从实验中心借用相关模块用于课后自主学习。“口袋”实验室计划的实施不仅减轻了学生与教师的压力，而且保证了学生不会因为时间与空间的限制而带着问题结束课程，或使瞬间创意灵感消失而留有遗憾。

4.2 创新性实践教学的实施

瑞士学者皮亚杰曾说：“教育的目的在于培养可以创造新事物的人，而非重复上一辈子已经做过的事，这些人应该具备创造力、开拓性并善于发现。”为大力推进创新型人才培养，我们尝试着基于“口袋”实验室和Yeelink云服务，以远端数据采集/控制技术为主要方向，在第一、第二课堂中开展了学生为主体的创新实践教学活动。

首先，在课堂上不再仅仅局限于欣赏已有的案例，一步一步研究清楚现有的发明是如何实现的传统模式，而是致力于将“玩中学、做中学”的精神融入到必修课程的教学活动中，鼓励学生利用“口袋”实验的开源技术，把传统课堂与创意作品的创新实践活动结合起来，采用创意作品由简单逐步过渡到复杂的设计模式，引导学生循序渐进地掌握物联网开发要领，为后续物联网工程应用实践打下坚实的基础。在整个专业课程学习期间，我们鼓励学生利用“口袋”实验室先将身边触手可及的智能手机变身成为一个实用电器的遥控器或工作状态的提醒器，体验点对点间的无线通信。随着所学专业知识的不断深入，再让学生考虑通过Zigbee组网技术增加受控设备数量，实现一台手机同时控制多台设备的功能，最后，介绍Yeelink云服务资源给学生，启发他们尝试打通物联网的感知层和应用层，实现真正意义上的远端智能控制系统的项目实践。这种随课程进程逐步深入的实践模式，不仅有助于帮助学生建立完整的、系统的物联网知识体系，而且还可以保证学生3年实践不断线。

其次，将“口袋”实验室应用于第二课堂，组成学生兴趣小组，利用口袋实验室让基础好的学生学习与专业相关的课外内容，扩展学生的知识面，同时培养学生由被动地接受知识，转变为结合自己的研究兴趣和研究方向，自己发现问题，并带着问题有目的地寻找解决路径，从而获得新知识、新启蒙的能力。通过近一年的实践，学生的创新创业意识有了明显提高。

图3是学生兴趣小组历时半年课余时间，基于“口袋”实验室和Yeelink云服务独立设计完成的一个典型项目案例——“Microduino+Wechat的智能家居控制系统”创意方案和原型产品。它是基于微信公众平台(见图4)和“口袋”实验室模块(见图5)实现了智能家居的远端控制，该系统主要有3个功能模块：

(1) 采集模块。采用型号为DHT11的温湿度传感器，以及基于PT550环保型光敏二极管的光线传感器等完成对空间环境的数据信息的实时采集。

(2) 控制模块。以Microduino core为控制单元，叠加搭配Enc28j60+Rj45模块，实现对数据处理、传输及控制。

(3) 云平台及移动终端。基于SAE和微信，实现数据储存和用户查询、控制等功能。

图3 Microduino+Wechat的智能家居控制系统设计构思

图4 微信下的指令测试

图5 开发所需的“口袋”实验室模块

传感器将环境中的温度、湿度、光照强度等一系列A/D量采集到主控板Microduino core(Atmel ATmega328P)上，通过Microduino Enc28j60(兼容IEEE 802.3的以太网控制器)+Rj45(网卡接口)模块上传数据到支持PHP和SQL的Yeelink云平台上，此时只需通过微信公众平台，发送相应文字或语音指令，即可实现智能远端控制。

项目实施过程中，学生经历了课题组研究选题，广泛搜集资源，与合作公司技术人员沟通交流，自主学习、构思、策划、调试全过程，指导教师只在目的、条件和要求方面给予了一定指导，设计的过程、方法和最后结果全部由学生自行得出。

5 结束语

目前，“口袋”实验室由于可以随身携带，已渐渐为高校众多学子所熟知，正逐渐成为他们日常生活的一部分。“口袋”实验室不仅可以帮助学生更快地熟悉相关技术产品、展开项目实践、进入开发者的角色，而且与专业实验结合后，还可将枯燥的专业课程学习和学生兴趣有机地结合在一起，诠释“激发兴趣，挖掘潜力”的观点，将学习和兴趣融为一体，是培养创新型人才的有效途径之一。如今，“口袋”实验室也成了众多高校的选择。

References)

[1] 刘云浩. 物联网导论[M]. 北京: 科学出版社, 2013.

[2] 欧阳志友, 孙知信, 许建真,等. 物联网实验教学中心建设与实践[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(11): 125-127.

[3] 教育部高等院校计算机科学与技术专业教学指导分委员会物联网工程专业教学研究专家组. 高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012.

[4] 闫春娟. 物联网专业实验室的创新建设[J]. 高校实验室工作研究, 2012 (2): 89-91.

[5] 丁轲, 李广录, 赵芙蓉,等. 地方高校实验室管理存在的问题及改革对策[J]. 实验室科学, 2010, 13(5):135-138.

[6] 易军, 周伟, 张元涛. 面向智能化油田的物联网特色建设实验室[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(5): 249-251.

[7] 李天松, 周海燕, 蔡成林. 北斗导航与物联网的联合实验室建设[J]. 实验技术与管理, 2013, 30(6): 158-162.

[8] 罗志刚. 赛灵思大学计划助 All Programmable SoC 教学与科研[J]. 中国教育信息化, 2013(13):91.

[9] Worldwide University News [EB/OL]. http://www.ti.com/ww/cn/uprogram/enewsletter/China_2012_Spring.htm.

[10] 郑平燕. 简易智能家居物联网的研究与设计[J].科教导刊, 2013(7): 175-176.

[11] Banzi M. Getting Started with Arduino[M]. California: O’ Reilly,2009.

[12] 崔阳, 张维华, 白云峰. 一种基于Arduino 的智能家居控制系统[J]. 电子技术应用, 2014, 40(4):123-125.

[13] 安健, 桂小林, 杨麦顺. 物联网工程专业实验教学初探[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(10):151-155.

Application of “Pocket Laboratories” in experimental teaching of Internet of Things engineering

Liu Yan1， Qin Changming2

(1. Information Engineering Institute, Dalian University, Dalian 116622, China; 2. Dean’s Office, Dalian University, Dalian 116622, China)

In order to enhance the students’ technical application ability, practical operative ability, innovative and practical ability in Internet of Things field, the “Pocket Laboratories” plan is introduced in the innovative practical teaching. The new practical teaching system is established based on a “Pocket Laboratories” platform covering a new innovative practical teaching system with a series of curriculum systems and three years continuous practicing ideas. The aim of the reform is to break the space limitation of experiments, to make students learn and master systematic body of knowledge in the actual project, to foster students’ imagination and creativity, and to cultivate students’ ability of comprehensive use in theoretical knowledge and engineering practice.

Internet of Things; experimental teaching; pocket laboratories; ability training

2014- 04- 06

2014年辽宁省高等教育教学改革项目“面向产业的地方高校物联网工程应用型人才培养体系创新研究与实践”(UPRP20140114)；2014年大连大学校级重点资助项目“物联网工程专业卓越工程师教育培养体系的研究与实践”

刘艳(1967—)，女，辽宁大连，博士，副教授，自动化系主任、物联网工程专业负责人，研究方向为RFID技术及应用、物联网技术、电力传动系统控制等.

E-mail：linda_whb@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0212- 04