物聯網控制技術課程教學改革探究

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摘要：物聯網感知、識別與控制技術是物聯網工程專業中的一門專業課程，可以幫助學生整合之前學到的知識點，培養系統性思維，在專業能力的培養中有重要作用。文中以作者的教學經歷結合這門課的特點，對當前本科生物聯網感知、識別與控制系統教學改革提出一些教學意見和實施方案，旨在提升培養人才質量，探索培養學生工程能力和創新能力的有效途徑。

關鍵詞：物聯網；教學改革；控制技術；教學方式；人才培養；思維創新

0引言

隨著5G等通信技術的更新，物聯網領域又將迎來更多的發展與行業應用。在“新工科”背景下，物聯網工程專業的本科教學旨在提升學生的工程能力與創新能力，培養從事物聯網領域系統設計、分析與科技開發及研究方面的工程技術人才[1-4]。物聯網是物與物相連的互聯網，其網絡架構由感知識別層、網絡傳輸層、綜合服務應用層組成。在物聯網的三層結構中，本文所討論的物聯網感知識別與控制層作為物聯網的神經末梢，是聯系物理世界與信息世界的橋梁，在物聯網中起到了源頭的作用。物聯網是一個交叉學科，核心技術覆蓋整個信息學科，包括傳感器技術、電子技術、通信技術、計算機技術和自動控制技術等[5-8]。物聯網工程專業課程一般為通信、網絡、計算機等傳統學科的課程，這些課程之間缺少銜接各科知識的系統性、針對性、連續性的講解[9-10]。而物聯網感知、識別與控制技術這門課程，設計范圍廣，可以幫助學生整合學到的各類知識點，培養學生構建物聯網控制系統的思維，在聯系已經學的知識點的基礎上，拓展新的思維方式，為今后從事本專業的工作打下良好基礎。相比于傳統計算機或者電氣的基礎課程，物聯網感知、識別與控制技術課程開設時間較短，專業性較強，相關教材較少，如清華大學出版社出版的《物聯網感知、識別與控制技術》，第2版與第1版之間相隔5年，更新速度慢。作者結合近年來本科物聯網工程專業物聯網控制技術課程的教學經歷，提出針對普通院校的物聯網感知、識別與控制技術課程改革的幾點經驗和建議。

1教學內容編排與調整

物聯網感知、識別與控制技術的教學內容較復雜，該門課程需要包括物聯網概論、模擬電路與數字電路、微機原理等基礎課程的相關知識，本科教學多數安排在三年級。學生對物聯網和硬件有一定的了解，但限于課時，對這些知識點還需要有更多的理解和掌握。作者所在物聯網工程專業采用《物聯網感知、識別與控制技術》作為基本教材和教學內容進行講授，結合RFID與ZigBee實驗箱的實踐，在傳授基礎知識點的基礎上，根據教學中的實際情況，做出相應調整方案。

1.1同類技術的歸納、分析。在物聯網感知、識別與控制系統中，為實現某種功能，達到某些指標，涉及可以選擇的各種同類技術很多，比如：溫度傳感器有熱電阻、熱電偶、半導體等多種原理形式；無線射頻識別技術（RFID）有不同頻率的技術參數；嵌入式控制器有微控制器、微處理器、數字處理器等；通信技術有線的有UART、I2C、SPI、CAN等，無線的有藍牙、ZigBee、WiFi、5G等；控制技術有PID控制、模糊控制、神經網絡控制技術等。這些同類技術各有特點，在實際應用中，要求從事物聯網專業人員對這些技術進行合理選擇。因此，在課堂上對于同類技術的講解，在講述其原理的基礎上，用表格的形式，著重講解每類技術的特點以及合適的應用場景。并且引導學生思考以及討論特定應用場景下，綜合比較性能、穩定性、成本、開發難度等，實現同類技術有依據的選擇。這樣，學生通過歸納分析不僅能更快速地掌握知識點，還能將技術靈活應用到以后的工作中。

1.2在系統框架中填充知識點，提高學生系統設計的能力。物聯網感知、識別與控制技術這門課程設計范圍廣，包括傳感器，識別技術，RFID，模擬與數字數據的檢測、處理與融合，微處理器，人機交互，通信技術，驅動與控制技術等。對于這些知識，學生僅僅有概念還不夠，還需要將所學的知識點聯系起來，組成網絡，形成物聯網感知、識別與控制系統的思維。為了達到使學生掌握系統的目的，首先，明確物聯網感知、識別與控制技術在整個物聯網體系架構中的地位，同時在講授各知識點時，明確各個知識點在物聯網控制系統中的作用。其次，引導學生從系統末端到執行器設計系統，布置開放性作業以及習題，給出應用環境，讓學生設計系統參數。然后選擇傳感器、模擬信號數據采集、模數轉換器、嵌入式系統、控制算法、外部驅動等。在這類作業中，不過多要求掌握系統的性能，只是讓學生有系統的概念，培養學生的系統性思維。最后，在系統總結時，從系統框架出發，填充知識點，幫助學生掌握整個物聯網感知、識別與控制系統。

1.3增加學生查找資料以及讀取技術手冊的能力。物聯網作為新興的技術，更迭日新月異。對于學生來說，掌握經典的知識已經不能滿足其專業需求，需要培養學生自學能力以及查找資料的能力。比如對于傳感器及應用技術的介紹，由于物聯網專業一般會開設專門的傳感器課程，本課程中不需要重點講解傳感器的原理，而更強調傳感器的技術參數與應用。授課過程中，可以打開某些傳感器的技術手冊，教會學生如何從中獲取需要的信息（比如量程、精度、接口形式等），講嵌入式系統時同理。課下作業可以讓學生去查找符合某個條件的傳感器的型號，或者給學生某型號的技術手冊，讓學生查閱，并且說明得到哪些重要的信息。這樣在課堂上就強制學生擁有查閱技術手冊的經驗，初步掌握讀取技術手冊的方法，旨在使學生以后從事該專業領域的工作時，能夠更快速地獲取必要的信息。

1.4增加寫作內容，提高學生寫作能力。物聯網控制技術作為專業課一般開設在大三，大三的學生已經有了一定的基礎知識以及專業思維。同時，對于物聯網系統而言，其涉及面廣、應用技術多、團隊協作緊密、資料更新快，其文字交流就變得十分重要。因此，學生在學習各類知識的同時需要學會撰寫說明書以及科技論文。在授課過程中，詳細講述撰寫說明書的要點、寫實驗報告內容等，對于科技論文，不要求學生有很強的創新點，要求學生寫出從摘要、關鍵詞、引言到總結、參考文獻框架的小論文，鍛煉學生寫作能力的同時，為畢業設計論文打好基礎。布置一些學生感興趣的題目為作業，批閱后對其進行點評。實際教學過程中，證明學生后一次的寫作質量相比于前一次有顯著提升。

1.5以教材為模板，增加時事與前沿技術。物聯網工程專業的技術不同于傳統的基礎專業，其技術的發展較快，新興前沿技術更新周期較短，因此教程課本的再版速度會落后于技術的更新速度。在授課過程中，更需要緊跟時事與前沿技術。例如：近幾年很火的5G通信技術在物聯網行業的應用；我國的北斗衛星導航系統的正式開通；70周年國慶晚會上LoRa無線通信技術的應用等等。聯系時事，引導學生關注前沿技術的應用，在增強學生興趣的同時開拓學生的視野，培養學生的專業敏感性。

2物聯網感知、識別與控制技術課程教學方式改革探索

物聯網感知、識別與控制技術這門課的特點在于多學科交叉性強、技術更新快、概念較多且抽象，因此，如何讓學生快速掌握知識點、培養自主查閱資料以及工程實踐能力是教學方式改革重點考慮的問題。首先，為了讓學生快速掌握知識點，在傳統授課的基礎上，增加互動與演示，上課時針對特定問題，多提問，可以拓展學生思維，讓學生說明自己的理解，同時可以采用小組討論并選代表發言的形式。盡量使用程序或者視頻演示，加深學生理解。其次，為了培養學生自主查閱資料的能力，以小組為單位，為學生布置一些開放性的作業。課時允許的情況下，讓學生在課堂上做匯報，同學之間相互提問及互評，教師進行點評；課時緊張的情況下，對學生的作業進行批注修改。對于一些不重要的知識點，嘗試采用由課堂講授改為安排學生課下閱讀自學的方式。在有些課上會單獨預留出幾分鐘請1～2位同學為大家簡單講解自習閱讀的內容，對學生掌握不夠的知識內容，再進行講解。最后，為了提高學生的工程實踐能力，課程配套相應的實驗和課程設計。采用RFID實驗箱和歐爾斯的物聯網ZigBee增強套件實驗箱，在熟悉開發環境的基礎上，觀察例程所演示的現象，并要求學生在其基礎上進行修改，實現一些新的功能，比如在IC卡中存儲學號。讓學生對所學知識有一定了解的情況下，以實際工作任務的形式完成實驗，加深對知識點的印象，提高工程實踐能力。

3結語

對物聯網感知、識別與控制技術課程的教學內容和方式進行改革的最終目的還是使學生掌握物聯網感知、識別與控制技術基本的理論、概念和方法，有系統的概念，具備一定的工程實踐能力，同時也為進一步學習其他專業知識打下良好的基礎。對于以上幾項課程教學改革意見，作者在教學活動中不同程度地進行了實踐，初步取得了一定的效果，但仍然有進一步改革探索的空間，歡迎各位專業人士提出寶貴意見并多多交流。

作者:楊守瑞 黃薇 石凡 王曉曄 溫顯斌 單位:天津理工大學 計算機科學與工程學院