物联网实践能力培养的研究与探索

安 健, 任东胜, 桂小林, 李远康

(1. 西安交通大学 电子与信息工程学院, 陕西 西安 710049；2. 西安交通大学 教师教学发展中心, 陕西 西安 710049)

物联网作为7大新兴战略性产业之一,已列入国家“十二五”和“十三五”发展规划,受到工业界、学术界的广泛关注。目前,物联网人才的缺乏已成为制约其产业深度发展的关键瓶颈之一。物联网作为一门新型交叉学科,涉及计算机、通信技术、电子技术等专业知识,单纯的理论学习很难将多学科融合在一起,所以实践是其人才培养过程中的核心方法[1]。但现有物联网实验教学过程中存在着脱离实际应用、操作细节不易展示等问题,且多为验证性实验。在这种实验教学模式下,学生很难调动起学习的积极性和创造性,很难学到操作的技术细节,也不能融会各个学科的知识[2-3]。这种局限性也会影响到学生的今后工作,导致了物联网人才培养与社会需求的脱节。

以我校陕西省网络重点实验室、国家级实验教学示范中心(计算机教学实验中心)为实践基地,以物联网开放专题实验为切入点,提出了一种实践能力培养模式,以项目为导向、以硬件积木为工具,将课堂教学和视频自学有机结合,调动学生的积极性和创造性,进一步强化学生的工程实践能力。

1 传统物联网实验教学存在的问题

物联网工程专业的实验教学目标是培养能够系统掌握物联网相关理论、方法和技能,具备通信技术、网络技术、传感技术等专业知识的高级工程技术人才[4]。对于物联网工程这一新兴交叉学科,实验教学是其专业教学的重中之重,也是学生掌握多学科知识的捷径。而目前高校物联网工程类实验课程的教学流程,大多为通过PPT讲解相关的知识点,然后再通过集成度很高的模块化实验箱做验证性实验[5]。现有的实验教学模式主要存在以下问题和不足[6]。

(1) 当前物联网实验多为验证性实验,很难调动起学生的积极性和创造性。由于物联网是一个新型的交叉学科,对于该专业的实验教学应该探索新的思路和方法,但大多高校仍然沿用计算机类其他专业的实验教学思路,这种局限性在一定程度上限制了对学生的能力培养。另外在当前情况下,受限于实验课时和实验室的硬件条件,又考虑到学生能力的参差不齐,学生在课上完成设计性和创新性实验的难度很大。

(2) 实验教学方法单一、内容比较陈旧重复,使得学生对实验课难以提起兴趣。目前大多高校的实验课教学形式都是通过PPT或者实验指导书讲解实验原理和实验步骤,然后学生按照实验指导书机械地重复,得到最终的结果即为实验成功。在这种教学模式下,学生只能被动地完成整个实验流程,缺少思考,也不能提升实践能力。

(3) 实验教学内容脱离实际应用,未能与时俱进。当下很多高校的物联网实验课都是在集成度很高的实验箱上做验证实验,但实验箱只是一些器件的堆积,缺乏实际意义,很多学生做完实验也不能体会如何将实验内容应用到具体实例上。此外,计算机学科,尤其是物联网这个新兴专业一直都在进化和改变,可是实验课程往往是一成不变的,学生掌握的很可能是过时的技术和理念,这些都影响了学生日后的实际工作。

(4) 实验教学方式缺少对技术细节,尤其是硬件细节的展示。物联网专业涉及很多嵌入式和传感器等硬件知识,而受限于教室环境和师生相对数量,传统的教学方式很难将硬件的细节做到很好地展示。这不仅影响学生的学习质量,还有可能因对硬件的违规操作出现安全问题。

2 物联网开放实验教学模式

物联网开放实验教学模式以项目为导向、以硬件积木为工具,融合了课堂教学和视频教学2种教学方式。本课程主要面向大三和大四有一定编程能力和物联网理论基础,且有兴趣提升项目实践能力的学生。物联网开放实验教学模式框架如图1所示。

图1 物联网开放实验教学模式框架

2.1 利用硬件积木作为实践工具

物联网把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来,进行信息交换,以实现智能化识别和管理。而信息采集、数据交换都需要智能硬件支撑,因此物联网专业相比计算机类其他学科更注重硬件知识的学习。物联网使用传感器设备采集信息及蓝牙模块或者WIFI模块等来进行数据传输,还需要微控制器对数据进行处理和监控整个系统的运行逻辑。这样看来物联网系统与嵌入式系统很相似,但实际上物联网是嵌入式系统与互联网发展到高级阶段的融合体[7]。嵌入式系统将智能微处理器嵌入到物理对象中,实现物理对象的智能化。而物联网要实现遥控、智控、人—物交互、物—物交互,这就需要融合嵌入式技术与互联网。

目前嵌入式教学仍存在很多难点和问题[8],首先嵌入式专业涉及面太广、综合性太强、入门难度太大。此外还要求学生有良好的软硬件知识,理解底层硬件和外设以及内核和驱动的工作原理。与此同时嵌入式技术发展很快,而教师和实验环境很难同步跟进。因此对于物联网专业的学生,既要掌握网络知识,编程语言等软件知识,又要掌握嵌入式等硬件知识存在非常大的难度。

考虑到嵌入式教学存在的难点,以及物联网专业学生对于硬件学习的需求,本文提出的物联网开放实验教学模式，采用专为软件开发者设计的智能硬件开发平台,并将硬件积木作为实践工具[9]。硬件开发的门槛很高,作为物联网专业的学生虽不用将硬件开发掌握到寄存器级别,但也应该熟练掌握单片机及传感器的使用。智能硬件开发平台降低了硬件开发的入门难度,诸如树莓派、Arduino以及英特尔推出的爱迪生系列都是目前很流行的硬件平台。通过学习，这些硬件平台可以使学生快速进入硬件开发,即使没有硬件基础,也能在短时间内开发出软硬结合的智能小设备。下面对Arduino平台[10]与硬件积木的结合作简单介绍,Arduino UNO开发板如图2所示。

图2 Arduino UNO开发板

Arduino相对其他智能硬件平台更容易入门,不需要太多的单片机基础和编程基础,只需基本的C语言,对于初学者来说极易掌握。其次它价格低廉,具备跨平台特点,而且Arduino的软硬件全部开源,有很多技术资料可以参考,是一个对初学者很友好，且性价比很高的平台。

Arduino采用主控板加外接硬件的方式工作,主控板即为图2中的开发板,外接硬件可以为各式各样的传感器或控制器,即前面提到的硬件积木。主控板结合扩展板使用,可以解决连接传感器过多时IO接口不够用的问题。硬件积木具有通用性,可用于各种平台,通过硬件积木的组合结合实用场景可以设计出不同的智能设备。这种方式提高了学生的积极性和创造性,锻炼了学生的动手能力,在提高了硬件学习趣味性的同时降低了难度。

2.2 融合课堂教学和视频教学

物联网开放实验教学模式的第二个特点是融合课堂教学和视频教学[11]。教学流程为学生在课前通过观看教学视频完成预习和自学,在课上教师强调知识重点及注意事项并引导学生完成实验操作。

视频教学诸如MOOC(massive open online course)和SPOC[12](small private online course)是近年来出现的在线学习模式,通过将知识讲解录制成视频发布到互联网上,使得学生在课前可以自主学习。其中SPOC是针对小规模、特定人群的视频教学模式,本文提出的视频教学模式类似于SPOC模式。在大学校园课堂,结合课堂教学和视频教学,实施翻转课堂教学。这种教学模式重新调整了课堂内外时间,将学习的决定权从教师转移给学生,教师从知识的传授者转变为学习的指导者和促进者,教学视频承担起知识传授的责任。这种融合后的教学模式有以下几方面优点[13]:

(1) 直观性。能够突破视觉限制,多角度全方位观察实验进行。在传统的硬件实验教学中很难直观地展示技术细节,但通过视频学生可以完整地了解整个操作过程,不仅有利于学生掌握对硬件的操作,还能降低因违规操作带来的危险性。

(2) 提高教学效率。通过视频的方式将大信息量的学习内容传达给学生,节省了时间,并且交互性更强、学生参与性更强,在视频学习阶段可以反思并发现问题,在课堂上向教师提问解决问题。

(3) 可重复性。传统教学中针对难点和遗忘的情况,只能请教师解答,增加了教师的工作强度,还存在解答不及时的情况。学生可以通过观看视频掌握难点和解决遗忘问题,视频作为可重复利用的资源方便学生强化学习,也在一定程度上减轻教师负担。

(4) 利用碎片化时间。微视频的时长都比较短,且内容丰富。通过观看视频学生可以将课余时间利用起来,并且视频教学能够激发学生的学习兴趣,使学生注意力更集中。

教学使用的视频不同于实时讲授,在录制时应注意以下几点:首先,考虑到学生有限的课余时间,视频长度不能超过15 min,太长的视频会降低学生的学习兴趣；其次要有明确的主题,内容要直奔主题进行讲解；最后要注意在讲解过程中声音清晰明亮,吸引学生注意力。

在实验教学开展过程中,录制了Arduino教学视频,对Arduino开发板及各类传感器进行了讲解,实验课程共32学时,共录制教学视频46个。考虑到方便学生获取并观看教学视频,将视频上传到课程微信公众号中,在课前通过推送的方式将视频发布给学生,这样学生在移动端即可观看视频。部分视频信息如表1所示。

表1 部分视频展示

2.3 利用开放项目实战提升综合能力

物联网专业的培养目标要求学生能够设计出具体应用的解决方案并实现[14]。在以往的传统实验教学模式下,课程实验多为验证性实验,学生很难通过实验贯通所学知识。在新的实验教学模式中,增加设计型、综合性和创新型实验,利用项目实战将学生所学知识连接起来,提升学生的综合能力。

在学习了单片机和传感器的基础知识后,结合一定的编程知识,学生均有能力设计并实现小型智能硬件设备。将开放实验的考核设置为开放项目设计,学生2人一组,题目由学生自由选择,根据现实场景中的现实问题设计出硬件解决方案并初步实现。学生在选择题目时可以根据自己的兴趣爱好和能力来确定场景和解决方案,解决了传统教学中不考虑学生能力,统一施教的弊端。在设计方案的过程中,学生需要查阅资料,综合多门课程知识,为了达到最佳效果,学生需要真正动脑思考、精心设计,整个设计和实现的过程调动了学生的积极性和创造性,提高了学生发现问题、分析问题、解决问题和团队协作的能力。部分学生的开放项目设计如表2所示。

表2 部分项目设计展示

为进一步锻炼学生能力,并将学生的项目设计工作延续下去,在项目设计之外,组织学生参加竞赛及大学生创新创业项目。学生可以进一步完善项目,经历项目从设计到实现的整个流程。除此之外鼓励学生参加ITP(信息新蕾计划),参加实验室或学院的科研课题组,承担具体工作。通过竞赛、项目和课题组工作,更加调动了学生的积极作用,同时也促进了项目进展,学生还有机会发表论文和专利,增强了学生在读研或工作中的竞争力,真正实现了通过实战提升能力,教育人才。

3 物联网开放实验教学实践结果

物联网开放实验教学模式应用于物联网开放实验课,该课程选课人数为26人。物联网开放实验教学模式的实践结果统计如表3—表5所示。

表3 课前效果统计 %

表4 课中效果统计 %

表5 课后效果统计 %

从表3中可以看出,在传统教学方法下大多数学生并没有预习的习惯,也就不能在课前发现问题,学生在课上完全接受教师的讲解,在理解的同时还要完成实验,效果不好,也没有利用起学生的课余时间。在开放教学模式下学生通过观看视频可以提前预习并及时发现问题,教师课上针对问题集中讲解即可,提高了教学效率。

如表4所示,开放实验教学模式通过视频可以很好地将对硬件的操作细节进行展示,而传统模式只能通过教师展示,费时且效果不好。通过掌握技术细节可以在很大程度上降低学生实验时的操作失误率。

表5为新模式的实践效果以及学生对新模式的好评率,可以看到新模式下学生项目设计的效果有明显上升,并且学生对新的教学模式更有好感。

在课堂之外,开放实验的教学模式提升了学生的积极性和创造性,提升了学生发现问题并解决问题的能力,还锻炼了学生的团队协作能力。通过项目实践,学生在各类物联网竞赛中收获了很好的成绩,对在实验室课题组的工作也有很大帮助,使得学生在今后的学习或工作中更具竞争力。

4 结语

针对物联网实验教学现存的问题,以“物联网开放实验”为切入点,以我校陕西省网络重点实验室为实践基地,提出了一种物联网开放实验教学模式,通过对智能硬件平台的学习,使学生快速掌握智能微控制器和各类传感器,并将课堂教学和视频教学有机结合,提升了教学效率,最终通过开放项目进行实战,提升学生综合素质。新的教学模式更能调动学生的积极性和创造性,有利于学生掌握硬件技术,也锻炼了学生设计解决方案并实现的能力,真正做到了对物联网人才的培养。