基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺研究與建設
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摘 要：文章從提高高校學生綜合素質和創新能力的角度出發，以智慧城市概念和物聯網技術為核心，研究了一個基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺，詳細闡述了該平臺的建設目標、數據流、功能模塊結構和關鍵技術。該教學實驗平臺將多種實際應用場景集成于一體，可支持多個學科的交叉融合實驗，能滿足不同級別的教學實驗要求。它通過在中南大學的分步建設和實際應用，對教學實驗工作有積極的促進作用。
關鍵詞：智慧城市;物聯網;多學科融合;教學實驗平臺
中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2019）07-0065-02
在高等教育改革進程中，實踐教育成為提高高等教育質量的突破口，是培養創新型人才、提高教育教學水平的重要環節[1]?？萍紕撔履芰κ菄腋偁幜Φ暮诵?，而科技創新的大敵是習慣性思維。多學科融合能促使學生突破舊的思維方式的束縛，形成創新性思維。中南大學把基于智慧城市的多學科融合應用于教學實驗平臺，研究構建實景實驗教學系統，是實驗室建設的一種有益嘗試。
一、高校教學實驗平臺的現狀
實踐教學的目標，是加強學生對理論知識的理解和掌握，提高發現問題、解決問題的能力，培養團隊合作精神和創新意識[2]。實踐教學必須通過相關的教學實驗平臺來實現。但是，目前國內大多數高等院校的教學實驗平臺，功能比較單一，綜合程度不高，缺乏和實際應用場景的聯系。這種教學實驗平臺束縛了學生的自主性和創造性，容易導致學生對實驗缺乏興趣，不利于學生綜合素質和創新能力的培養，最終必將制約高等院校人才培養的質量。
2013年中南大學校長張堯學院士在訪談中指出，“實驗室建設要有哲學思想”，“要研究怎么樣引導學生去多動手，或怎么樣讓學生動手的激情發揮出來”[3]。為充分調動學生在教學實驗中動手的積極性、主動性和創造靈感，本文對基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺進行了研究，并介紹了中南大學對該教學實驗平臺的建設情況。
二、基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺
（一）建設目標
“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”以智慧城市概念和物聯網技術為核心，集電商服務、智能制造、智能倉儲物流、智慧交通、智能家居概念、安防工程、圖形圖像處理、計算機視覺、移動通信、大數據、云平臺和透明計算等應用于一體，可支持物聯網、傳感器、計算機網絡、移動通信、圖形圖像處理、計算機視覺、大數據、云平臺和透明計算等多學科融合的教學實驗，能滿足沙盤演示、驗證性實驗、綜合設計性實驗、課程（畢業）設計和大學生創新實驗等要求。
（二）數據流分析
根據“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”的建設目標，確定以“客戶訂購→工廠生產→物流運輸 →商品倉儲→商品遞送”為主線，將多學科融合和多應用集成，形成一個能夠完整演示智慧城市概念和物聯網應用的綜合性系統。其過程描述如下：（1）客戶通過電商平臺下單。（2）訂單通過網絡傳送到智慧工廠，智慧工廠根據客戶訂單進行3D打印制造。在智慧工廠中，應用智能家居的概念進行環境控制和照明控制。（3）制造完成的商品，由機器人撿取后，裝載到智能車輛上。（4）智能車輛裝載著商品，穿過沙盤中的智慧交通系統。智慧交通系統具有交通燈控制、視頻監控和交通違章管理等功能，還可以根據路況進行路徑規劃。（5）商品被運送到智能倉儲系統后，由倉儲管理系統自動分配庫區，把商品卸載到相應的貨架上。在智能倉儲系統中，利用門禁控制來管理進出車輛;利用安防工程實時監測安全狀況，發現險情及時報警;利用停車場管理自動為車輛分配車位。（6）智能倉儲系統根據出貨單，對貨架上的商品進行圖形圖像處理和計算機視覺識別，由機器人抓取相應的商品。（7）商品交給ROS自動尋跡機器人，遞送給指定的客戶。（8）客戶采用安卓手機客戶端進行簽收。簽字的筆跡信息通過WIFI或移動通信網絡傳送到服務器上，標識訂單已完成，可以在網絡商店訂單查詢中查看。（9）客戶端的實驗團隊可以通過透明計算，獲得綜合平臺提供的信息（如交通監控視頻、智能車輛位置和車輛違章記錄等），還可以在終端完成計算（如路徑規劃和計算機視覺識別等），用計算結果指導和操縱綜合平臺相應環節的運行。（10）上述環節產生的相關數據，提交給云平臺存儲管理。（11）對云平臺存儲的數據進行大數據處理，提取挖掘出有價值的信息。
（三）功能模塊結構
根據數據流分析，可以把“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”分為智能管理控制集成平臺、電商平臺、智慧工廠、智慧交通、智能倉儲物流、云平臺、透明計算和大數據等八大功能模塊。（1）智能管理控制集成平臺：整個綜合平臺的“大腦”，通過有線和無線網絡傳輸命令，綜合管理、控制所有的子系統運行。通過服務調度策略，能夠為多臺客戶端提供切換控制，支持團隊實驗。（2）電商平臺：模擬現實電商的網絡下單和簽單功能。（3）智慧工廠：負責訂單商品的生產，采用代表未來生產趨勢的3D打印方式實現。期間，融合智能家居概念中的環境控制和照明控制，輔助生產過程。（4）智慧交通：采用智能車輛為商品運輸的載體，模擬智慧交通中的指示燈控制、視頻監控和違章處理等功能，可以根據路況進行路徑規劃和導航。（5）智能倉儲物流：入庫時自動為商品運載車輛指定倉儲區域，盤點時通過RFID和閱讀器自動盤點，出庫時根據出貨單智能識別和抓取所需商品，通過ROS尋跡機器人自動遞送。其中，融合智能家居概念中的門禁控制，以管理進出車輛;融合安防工程，以監測安全狀況;利用停車場管理，自動為車輛分配車位，模擬ETC收費功能。（6）透明計算：客戶端的實驗團隊可通過透明計算，獲取信息，完成計算、指導和操作教學實驗平臺的運轉。（7）云平臺：存儲上述環節所產生的相關數據。（8）大數據處理：對云平臺存儲的數據進行綜合處理，提取挖掘有價值的信息。 （四）關鍵技術
1.智能網關。智能網關是“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”的重要部分，它既是連接前端各類型節點和用戶通信的紐帶，又擔負著不同設備通信協議的轉換任務，還需要將協議轉換后的數據快速有效地發送到公共網絡。“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”通過智能網關，實現系統信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能。
2.圖像識別技術。圖像識別技術是人工智能的一個重要領域，它是指對圖像進行對象識別，以識別各種不同模式的目標和對象的技術。圖像識別技術的基本過程包括信息的獲取、圖像預處理、特征抽取及選擇、分類器設計和分類決策等?！盎谥腔鄢鞘械亩鄬W科融合教學實驗平臺”通過圖像識別技術，實現對商品的智能識別、抓取、交通信息的監控、違章車輛的判別等功能。
3.云計算平臺。云計算是一種能夠通過網絡隨時隨地以便利的、按需付費的方式獲取計算資源（包括網絡、服務器、存儲、應用和服務等）并提高其可用性的模式?！盎谥腔鄢鞘械亩鄬W科融合教學實驗平臺”通過云服務，把實驗數據存儲到實驗室的云計算平臺上。
4.大數據處理。大數據具有大量、高速、多樣、低價值密度和真實性等特點，大數據處理技術包括大規模并行處理數據庫、數據挖掘、分布式文件系統、分布式數據庫、云計算平臺、互聯網和可擴展的存儲系統。“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”可以調用大數據服務器的相關服務，對存儲在云計算平臺上的實驗數據進行分析挖掘。
5.透明計算。透明計算是在2004年由張堯學院士提出的，其核心是將數據存儲、計算與管理相分離，并確立了跨終端、跨平臺的“雙跨”原則和“按需服務”的理念。在“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”中，透明客戶端可以通過透明服務器獲取信息、完成計算或操作實驗平臺。
三、平臺建設和展望
“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”在中南大學已獲批準并開始建設，綜合考慮學校下撥的資金、模塊開發的難易程度、專業實驗的需求和實驗場地的安排，分期、分批、逐步建設和完善該教學實驗平臺。目前，已建成的云計算實驗平臺、大數據實驗平臺和智慧交通實驗平臺，在教學實驗過程中發揮了積極的作用。
當“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺”建成之后，能夠為學生提供更優質的教育教學資源，可支持信息類及相關專業的多學科融合性實驗，使學生對智慧城市概念和物聯網技術應用有更直觀深刻的認識，使學生能夠更深入地理解和掌握物聯網技術、傳感器技術、計算機網絡理論與技術、數據分析與信息處理技術、圖形圖像處理技術、計算機視覺、大數據、云平臺和透明計算等知識，促進提高學生學以致用的能力、工程實踐的能力、科學研究的能力和應用創新的能力。同時，也能夠為教師的教學科研提供必要的支持和幫助。
參考文獻：
[1]余建星，趙偉，李輝，等.深化實踐教學改革形成實踐育人氛圍[J].中國高等教育，2012，（Z2）.
[2]黃曉玫，李鴻飛，黃濤.強化培養學生實踐能力和創新 能力的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2014，（2）.
[3]夏有為.實驗室建設要有哲學思想——訪中南大學校長張堯學院士[J].實驗室研究與探索，2013，（12）.
收稿日期：2018-12-17
作者簡介：穆帥（1975—），男，河北辛集人，中南大學信息科學與工程學院講師，主要從事物聯網應用、信號檢測及處理研究。
基金項目：湖南省普通高等學校教學改革研究項目“‘雙創’背景下信息安全專業課程開放式教學模式及方法研究”（2017jy40）;中南大學實驗室建設與管理研究項目“基于智慧城市的多學科融合教學實驗平臺研究”（160260009）;中南大學教學改革研究項目“基于應用場景的多學科融合實驗教學模式研究”（160010025）
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