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物联网控制技术课程教学改革探究

发布时间:2021/4/29 8:37:43   阅读:

摘要:物联网感知、识别与控制技术是物联网工程专业中的一门专业课程,可以帮助学生整合之前学到的知识点,培养系统性思维,在专业能力的培养中有重要作用。文中以作者的教学经历结合这门课的特点,对当前本科生物联网感知、识别与控制系统教学改革提出一些教学意见和实施方案,旨在提升培养人才质量,探索培养学生工程能力和创新能力的有效途径。

关键词:物联网;教学改革;控制技术;教学方式;人才培养;思维创新

0引言

随着5G等通信技术的更新,物联网领域又将迎来更多的发展与行业应用。在“新工科”背景下,物联网工程专业的本科教学旨在提升学生的工程能力与创新能力,培养从事物联网领域系统设计、分析与科技开发及研究方面的工程技术人才[1-4]。物联网是物与物相连的互联网,其网络架构由感知识别层、网络传输层、综合服务应用层组成。在物联网的三层结构中,本文所讨论的物联网感知识别与控制层作为物联网的神经末梢,是联系物理世界与信息世界的桥梁,在物联网中起到了源头的作用。物联网是一个交叉学科,核心技术覆盖整个信息学科,包括传感器技术、电子技术、通信技术、计算机技术和自动控制技术等[5-8]。物联网工程专业课程一般为通信、网络、计算机等传统学科的课程,这些课程之间缺少衔接各科知识的系统性、针对性、连续性的讲解[9-10]。而物联网感知、识别与控制技术这门课程,设计范围广,可以帮助学生整合学到的各类知识点,培养学生构建物联网控制系统的思维,在联系已经学的知识点的基础上,拓展新的思维方式,为今后从事本专业的工作打下良好基础。相比于传统计算机或者电气的基础课程,物联网感知、识别与控制技术课程开设时间较短,专业性较强,相关教材较少,如清华大学出版社出版的《物联网感知、识别与控制技术》,第2版与第1版之间相隔5年,更新速度慢。作者结合近年来本科物联网工程专业物联网控制技术课程的教学经历,提出针对普通院校的物联网感知、识别与控制技术课程改革的几点经验和建议。

1教学内容编排与调整

物联网感知、识别与控制技术的教学内容较复杂,该门课程需要包括物联网概论、模拟电路与数字电路、微机原理等基础课程的相关知识,本科教学多数安排在三年级。学生对物联网和硬件有一定的了解,但限于课时,对这些知识点还需要有更多的理解和掌握。作者所在物联网工程专业采用《物联网感知、识别与控制技术》作为基本教材和教学内容进行讲授,结合RFID与ZigBee实验箱的实践,在传授基础知识点的基础上,根据教学中的实际情况,做出相应调整方案。

1.1同类技术的归纳、分析。在物联网感知、识别与控制系统中,为实现某种功能,达到某些指标,涉及可以选择的各种同类技术很多,比如:温度传感器有热电阻、热电偶、半导体等多种原理形式;无线射频识别技术(RFID)有不同频率的技术参数;嵌入式控制器有微控制器、微处理器、数字处理器等;通信技术有线的有UART、I2C、SPI、CAN等,无线的有蓝牙、ZigBee、WiFi、5G等;控制技术有PID控制、模糊控制、神经网络控制技术等。这些同类技术各有特点,在实际应用中,要求从事物联网专业人员对这些技术进行合理选择。因此,在课堂上对于同类技术的讲解,在讲述其原理的基础上,用表格的形式,着重讲解每类技术的特点以及合适的应用场景。并且引导学生思考以及讨论特定应用场景下,综合比较性能、稳定性、成本、开发难度等,实现同类技术有依据的选择。这样,学生通过归纳分析不仅能更快速地掌握知识点,还能将技术灵活应用到以后的工作中。

1.2在系统框架中填充知识点,提高学生系统设计的能力。物联网感知、识别与控制技术这门课程设计范围广,包括传感器,识别技术,RFID,模拟与数字数据的检测、处理与融合,微处理器,人机交互,通信技术,驱动与控制技术等。对于这些知识,学生仅仅有概念还不够,还需要将所学的知识点联系起来,组成网络,形成物联网感知、识别与控制系统的思维。为了达到使学生掌握系统的目的,首先,明确物联网感知、识别与控制技术在整个物联网体系架构中的地位,同时在讲授各知识点时,明确各个知识点在物联网控制系统中的作用。其次,引导学生从系统末端到执行器设计系统,布置开放性作业以及习题,给出应用环境,让学生设计系统参数。然后选择传感器、模拟信号数据采集、模数转换器、嵌入式系统、控制算法、外部驱动等。在这类作业中,不过多要求掌握系统的性能,只是让学生有系统的概念,培养学生的系统性思维。最后,在系统总结时,从系统框架出发,填充知识点,帮助学生掌握整个物联网感知、识别与控制系统。

1.3增加学生查找资料以及读取技术手册的能力。物联网作为新兴的技术,更迭日新月异。对于学生来说,掌握经典的知识已经不能满足其专业需求,需要培养学生自学能力以及查找资料的能力。比如对于传感器及应用技术的介绍,由于物联网专业一般会开设专门的传感器课程,本课程中不需要重点讲解传感器的原理,而更强调传感器的技术参数与应用。授课过程中,可以打开某些传感器的技术手册,教会学生如何从中获取需要的信息(比如量程、精度、接口形式等),讲嵌入式系统时同理。课下作业可以让学生去查找符合某个条件的传感器的型号,或者给学生某型号的技术手册,让学生查阅,并且说明得到哪些重要的信息。这样在课堂上就强制学生拥有查阅技术手册的经验,初步掌握读取技术手册的方法,旨在使学生以后从事该专业领域的工作时,能够更快速地获取必要的信息。

1.4增加写作内容,提高学生写作能力。物联网控制技术作为专业课一般开设在大三,大三的学生已经有了一定的基础知识以及专业思维。同时,对于物联网系统而言,其涉及面广、应用技术多、团队协作紧密、资料更新快,其文字交流就变得十分重要。因此,学生在学习各类知识的同时需要学会撰写说明书以及科技论文。在授课过程中,详细讲述撰写说明书的要点、写实验报告内容等,对于科技论文,不要求学生有很强的创新点,要求学生写出从摘要、关键词、引言到总结、参考文献框架的小论文,锻炼学生写作能力的同时,为毕业设计论文打好基础。布置一些学生感兴趣的题目为作业,批阅后对其进行点评。实际教学过程中,证明学生后一次的写作质量相比于前一次有显著提升。

1.5以教材为模板,增加时事与前沿技术。物联网工程专业的技术不同于传统的基础专业,其技术的发展较快,新兴前沿技术更新周期较短,因此教程课本的再版速度会落后于技术的更新速度。在授课过程中,更需要紧跟时事与前沿技术。例如:近几年很火的5G通信技术在物联网行业的应用;我国的北斗卫星导航系统的正式开通;70周年国庆晚会上LoRa无线通信技术的应用等等。联系时事,引导学生关注前沿技术的应用,在增强学生兴趣的同时开拓学生的视野,培养学生的专业敏感性。

2物联网感知、识别与控制技术课程教学方式改革探索

物联网感知、识别与控制技术这门课的特点在于多学科交叉性强、技术更新快、概念较多且抽象,因此,如何让学生快速掌握知识点、培养自主查阅资料以及工程实践能力是教学方式改革重点考虑的问题。首先,为了让学生快速掌握知识点,在传统授课的基础上,增加互动与演示,上课时针对特定问题,多提问,可以拓展学生思维,让学生说明自己的理解,同时可以采用小组讨论并选代表发言的形式。尽量使用程序或者视频演示,加深学生理解。其次,为了培养学生自主查阅资料的能力,以小组为单位,为学生布置一些开放性的作业。课时允许的情况下,让学生在课堂上做汇报,同学之间相互提问及互评,教师进行点评;课时紧张的情况下,对学生的作业进行批注修改。对于一些不重要的知识点,尝试采用由课堂讲授改为安排学生课下阅读自学的方式。在有些课上会单独预留出几分钟请1~2位同学为大家简单讲解自习阅读的内容,对学生掌握不够的知识内容,再进行讲解。最后,为了提高学生的工程实践能力,课程配套相应的实验和课程设计。采用RFID实验箱和欧尔斯的物联网ZigBee增强套件实验箱,在熟悉开发环境的基础上,观察例程所演示的现象,并要求学生在其基础上进行修改,实现一些新的功能,比如在IC卡中存储学号。让学生对所学知识有一定了解的情况下,以实际工作任务的形式完成实验,加深对知识点的印象,提高工程实践能力。

3结语

对物联网感知、识别与控制技术课程的教学内容和方式进行改革的最终目的还是使学生掌握物联网感知、识别与控制技术基本的理论、概念和方法,有系统的概念,具备一定的工程实践能力,同时也为进一步学习其他专业知识打下良好的基础。对于以上几项课程教学改革意见,作者在教学活动中不同程度地进行了实践,初步取得了一定的效果,但仍然有进一步改革探索的空间,欢迎各位专业人士提出宝贵意见并多多交流。

作者:杨守瑞 黄薇 石凡 王晓晔 温显斌 单位:天津理工大学 计算机科学与工程学院

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