◇西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 高煒欣 王 征 宋 楠 宋久旭 習(xí)德英

本文探討了電氣專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的必要性與主要內(nèi)容，建立了平臺(tái)建設(shè)的具體框架，為轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想提出了新的思路。

新冠肺炎疫情，是我國(guó)建國(guó)以來(lái)影響范圍極廣、防控難度極大的公共衛(wèi)生事件。新冠疫情背景下，在線教育被寄予了巨大期望。為貫徹落實(shí)教育部、教育廳關(guān)于新冠肺炎疫情防控期間網(wǎng)上教學(xué)的指導(dǎo)意見(jiàn)和學(xué)校對(duì)延期開(kāi)學(xué)期間本專科網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工作的具體要求，確保在高質(zhì)量做好疫情防控的同時(shí)有效開(kāi)展教育教學(xué)工作，學(xué)校電氣專業(yè)積極開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的研究與實(shí)踐。通過(guò)網(wǎng)上教學(xué)在一定程度上能夠解決學(xué)生無(wú)法到校學(xué)習(xí)的難題，這具有重要的積極意義。此次疫情背景下，開(kāi)展網(wǎng)課也是在此基礎(chǔ)上的一次全新嘗試，是教育教學(xué)創(chuàng)新的一次實(shí)踐。然而就是通過(guò)這次教學(xué)創(chuàng)新的實(shí)踐，讓學(xué)校電氣專業(yè)認(rèn)識(shí)到了實(shí)踐教學(xué)與遠(yuǎn)程教學(xué)的矛盾，于是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)成為一個(gè)重要的思考。

1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)概述

物聯(lián)網(wǎng)是讓所有能行使獨(dú)立功能的普通物體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1]，是基于互聯(lián)網(wǎng)的一種拓展。它通過(guò)約定的協(xié)議，對(duì)用戶端進(jìn)行延伸與擴(kuò)展。通過(guò)把能行使獨(dú)立功能的物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，從更大的維度收集數(shù)據(jù)，不僅增加了收集的數(shù)據(jù)量，而且極大地增加了收集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型。在此基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)對(duì)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)進(jìn)行處理、分析和挖掘，從而快速準(zhǔn)確地對(duì)物理世界進(jìn)行管控[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大地推動(dòng)了產(chǎn)品及服務(wù)創(chuàng)新，開(kāi)啟了全新的商業(yè)模式，加速了行業(yè)變革[3]。

研究人員已經(jīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和相應(yīng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)做了大量研究。例如，Mazhelis等認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)在包括射頻識(shí)別、機(jī)—機(jī)交流、普適計(jì)算等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用范圍[4]；一些學(xué)者分析了安全性、隱私、大數(shù)據(jù)和互操作性等因素在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)[5]；Kumar在評(píng)價(jià)IBM平臺(tái)基礎(chǔ)上，比較了現(xiàn)有的多種基于云的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)后發(fā)現(xiàn)，所有平臺(tái)都能提供物聯(lián)網(wǎng)的基本功能，但基于IBM的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在集成運(yùn)行時(shí)間和開(kāi)發(fā)友好性方面顯示了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[6]。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)分析

2.1 專業(yè)概況

學(xué)校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)成立于1996年1月，目前開(kāi)設(shè)近二十門(mén)專業(yè)課及專業(yè)基礎(chǔ)課。該專業(yè)以其獨(dú)有的特色為石油系統(tǒng)及地方培養(yǎng)了急需的電力人才，近幾年畢業(yè)生就業(yè)率一直保持在98%以上，被石油天然氣集團(tuán)公司指定為電力系統(tǒng)技術(shù)人才培養(yǎng)和培訓(xùn)基地。該專業(yè)以面向石油系統(tǒng)、發(fā)電工程、供用電工程和電力系統(tǒng)自動(dòng)化為其專業(yè)教學(xué)和研究方向，專業(yè)涉及電力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電氣設(shè)備、用戶用電管理等多個(gè)方面。具體教學(xué)和科研方向如下：①電力系統(tǒng)自動(dòng)化；②電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行；③需求方用電管理技術(shù)；④現(xiàn)代電力設(shè)備在線檢測(cè)。

2.2 平臺(tái)建設(shè)的必要性

目前面向本科教學(xué)的電力實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方式和手段落后于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)，滯后于現(xiàn)代電力供應(yīng)和使用。原因是實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)單一，即按照專業(yè)條塊建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，例如：遠(yuǎn)動(dòng)、繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)分析計(jì)算、動(dòng)模等實(shí)驗(yàn)室，都是針對(duì)專業(yè)的某一方面而對(duì)學(xué)生進(jìn)行技能訓(xùn)練，相互之間很少聯(lián)系，致使學(xué)生對(duì)電力供應(yīng)和電力使用缺乏整體的感性認(rèn)識(shí)和基本訓(xùn)練。而基于物聯(lián)網(wǎng)的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了新的出路。

建設(shè)的新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的狀況，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室學(xué)生能對(duì)電力供應(yīng)和電力應(yīng)用的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生能夠直觀的掌握電力生產(chǎn)和電力的應(yīng)用過(guò)程。學(xué)生能夠通過(guò)直觀的方式，對(duì)現(xiàn)代電力的傳輸、配送的全過(guò)程有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，能夠?qū)﹄娏ιa(chǎn)自動(dòng)化手段有全新的認(rèn)識(shí)，便于學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)歸納。實(shí)驗(yàn)室能對(duì)用戶的負(fù)荷特性和特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)用戶負(fù)荷仿真系統(tǒng)，使學(xué)生對(duì)用戶的用電特性、電能質(zhì)量有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，也使學(xué)生牢固樹(shù)立高效用電的概念。目前的教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的制約，存在教學(xué)和實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)將能改變這一現(xiàn)行，更好的滿足社會(huì)的要求。

特別是像新冠疫情這種突發(fā)狀況，實(shí)踐教學(xué)與網(wǎng)課的矛盾，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)下會(huì)大大得到緩解。這種嶄新的實(shí)踐教學(xué)形式，能極大彌補(bǔ)專業(yè)教學(xué)中的不確定性，同時(shí)在正常建設(shè)情況下，該平臺(tái)也容易向社會(huì)開(kāi)放，在社會(huì)培訓(xùn)、遠(yuǎn)程考試等方面發(fā)揮積極作用。

3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的目標(biāo)

聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的目標(biāo)以技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)實(shí)驗(yàn)手段變革，主要包括課程實(shí)驗(yàn)、競(jìng)賽設(shè)計(jì)、科研開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新項(xiàng)目等四個(gè)方面。最重要的是：①實(shí)驗(yàn)手段變革倒逼實(shí)驗(yàn)理論創(chuàng)新—實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)雖然可以解決實(shí)驗(yàn)室面積及開(kāi)放時(shí)間限制的問(wèn)題，但采用何種考核機(jī)制可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，同時(shí)保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量是本研究要重點(diǎn)解決的內(nèi)容。②實(shí)驗(yàn)理論創(chuàng)新促進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改進(jìn)—實(shí)驗(yàn)設(shè)置體系。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排多基于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，課程實(shí)驗(yàn)界限分明，內(nèi)容融合度低。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，如何改造現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)踐教學(xué)中體現(xiàn)出“新興”、“新型”和“新生”，形成物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置體系，是本項(xiàng)目要解決的另一重要問(wèn)題。

4 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基本功能是開(kāi)展課程實(shí)驗(yàn)，與課堂教學(xué)相配合，提升教學(xué)質(zhì)量。使電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生能深入理解課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，擴(kuò)充物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)、增強(qiáng)實(shí)際動(dòng)手能力，并將物聯(lián)網(wǎng)的概念遷入電氣專業(yè)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步為學(xué)生參與基于物聯(lián)網(wǎng)的各類(lèi)競(jìng)賽提供鍛煉的平臺(tái)。通過(guò)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力，并進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。從科學(xué)研究的角度來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)是一個(gè)模塊化的、具有可擴(kuò)展性的平臺(tái)。它應(yīng)能配合電氣工程專業(yè)課題的研究，可以在一定程度上成為科研項(xiàng)目的初始研發(fā)平臺(tái)，協(xié)助電氣工程專業(yè)技術(shù)人員取得關(guān)鍵技術(shù)突破。最后，學(xué)生可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)本專業(yè)的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生自己的創(chuàng)意。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也應(yīng)該成為學(xué)生創(chuàng)意開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)，幫助學(xué)生積累開(kāi)發(fā)實(shí)踐項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，從而為培育物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的創(chuàng)新成果奠定基礎(chǔ)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，未來(lái)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才?！靶隆钡囊馑季褪切屡d、新型和新生?！靶屡d”是指面向未來(lái)新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的學(xué)科，雖然由非工科門(mén)類(lèi)拓展而來(lái)的，但與傳統(tǒng)工科門(mén)類(lèi)有本質(zhì)的區(qū)別?！靶滦汀笔峭ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)提對(duì)傳統(tǒng)的學(xué)科。“新生”則其他學(xué)科與傳統(tǒng)工科的交叉融合。物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的發(fā)展對(duì)電氣工程專業(yè)具有重大影響。電氣工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)體系需要以新工科的思維，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行改革，以改變傳統(tǒng)電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方式和手段落后于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)，滯后于現(xiàn)代電力供應(yīng)和使用的情況。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭巡荒軡M足新工科背景下人才培養(yǎng)需求，其原因是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)單一，且受到場(chǎng)地及時(shí)間的限制，使得學(xué)生對(duì)電力供應(yīng)和電力使用缺乏整體的感性認(rèn)識(shí)和訓(xùn)練。本項(xiàng)目研究通過(guò)良好的通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放度，突破現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室空間及開(kāi)放時(shí)間的限制，探索建設(shè)全天候的電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論及方法，并研究相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程體系。解決的主要問(wèn)題如下所示。

（1）在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電氣工程實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)架及實(shí)驗(yàn)計(jì)劃安排。

（2）融入新工科理念的，基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的電氣工程實(shí)驗(yàn)設(shè)置和培養(yǎng)方案。

（3）遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的課時(shí)分配及實(shí)驗(yàn)的考核方法。

5 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的具體框架

具體的平臺(tái)建設(shè)思路如下：以基于雙光環(huán)網(wǎng)的通信架構(gòu)為依托（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)發(fā)、輸、變、配現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和調(diào)度中心的通信，使學(xué)生可以通過(guò)遠(yuǎn)程的方法進(jìn)行實(shí)際真實(shí)驗(yàn)，在接觸技術(shù)前沿的基礎(chǔ)上直觀地掌握電力生產(chǎn)、電力應(yīng)用、現(xiàn)代電力的傳輸和配送的全過(guò)程，也讓學(xué)生對(duì)電力生產(chǎn)的自動(dòng)化手段有全新認(rèn)識(shí)，便于學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)歸納。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)

在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)基礎(chǔ)上，由專業(yè)課老師提出新的基于新工科思維的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并改進(jìn)已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。教研室根據(jù)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體情況，提出總的實(shí)驗(yàn)考核原則。專業(yè)課老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)考核原則，提出具體各個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)考核方法。最后課題組根據(jù)實(shí)驗(yàn)考核原則及具體的考核方法形成物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。整體思路如圖2所示。

圖2 平臺(tái)建設(shè)整體思路示意圖

以技術(shù)手段推進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)倒逼實(shí)驗(yàn)理論改革，以實(shí)驗(yàn)理論改革促進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新。以基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為抓手，將新工科理念融入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及實(shí)驗(yàn)安排中。通過(guò)實(shí)踐，形成新工科理念下基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)理論體系和實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的理論體系。

6 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺(tái)首先要滿足高校教學(xué)的第一需求，所以平臺(tái)不只是簡(jiǎn)單的硬件堆砌，要求所有硬件驅(qū)動(dòng)暢通的前提下，建立豐富的可滿足學(xué)校教學(xué)的實(shí)驗(yàn)體系。電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生人數(shù)多，就業(yè)率高，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以使盡可能多的學(xué)生和企業(yè)受益。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，可使我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到根本改善，對(duì)本科教學(xué)效果的提高和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)將起到極大的促進(jìn)作用，可以全面提高電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)水平。該平臺(tái)的建設(shè)，將會(huì)極大提高本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的韌性，在面對(duì)新冠疫情等突發(fā)情況時(shí)能產(chǎn)生良好的教學(xué)效果。

該平臺(tái)的建設(shè)對(duì)于轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想，優(yōu)化學(xué)科結(jié)構(gòu)，改善實(shí)驗(yàn)條件，提高專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，增強(qiáng)我校服務(wù)于陜西地方以及西部油氣田的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的能力將有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。