面向新工科“物联网与短距离无线通信技术”课程实验教学探索

面向新工科“物联网与短距离无线通信技术”课程实验教学探索

薛佳妮

肇庆学院 电子与电气工程学院，广东省肇庆市 526000

摘 要：在学校做强“新工科”建设背景下，应用技术型本科高校对物联网工程专业人才培养目标提出新的要求。面向通信工程专业开设“物联网与短距离无线通信技术”理论与实验教学课程，采用短距离无线通信技术案例实践与理论结合、 选取生动的案例将理论与实践结合起来，通过理论学习和开发实践，快速入门，由浅入深掌握物联网短距离无线通信技术。实践证明，该学期的综合性项目实验课，学生不仅全部完成相关理论知识及实践课程的学习，同时掌握软、硬件系统开发方法，学习积极性和应用实践能力有了很大提高，对后续专业课程学习和就业能力奠定良好基础，同时为参加创新创业项目实践活动起到良好的助力作用。

关键词：新工科；物联网；无线通信；实验教学

Exploration on Experimental Teaching of the Course "Internet of Things and Short Range Wireless Communication Technology" for New Engineering Students

Xue Jiani

(School of Electronic Information, Zhaoqing University, Zhaoqing, Guangdong, 526000)

Abstract: In the context of strengthening the "new engineering" construction of the university, application technology oriented undergraduate universities have put forward new requirements for the training objectives of Internet of Things engineering professionals. A theoretical and experimental teaching course on "Internet of Things and Short Range Wireless Communication Technology" is offered for communication engineering majors. The course combines short range wireless communication technology case practice with theory, and selects vivid cases to combine theory and practice. Through theoretical learning and development practice, students can quickly get started and master the Internet of Things short range wireless communication technology from simple to deep. Practice has proven that in this semester's comprehensive project experimental course, students not only complete the relevant theoretical knowledge and practical courses, but also master the software and hardware system development methods, greatly improving their learning enthusiasm and application practical ability, laying a good foundation for subsequent professional course learning and employment ability, and playing a good role in assisting in participating in innovation and entrepreneurship project practical activities.

引言

近年来，物联网、移动互联网、大数据和云计算的迅猛发展，逐步改变社会的生产方式，大大提高生产效率和社会生产力。物联网被认为是继计算机、互联网之后的第三次信息浪潮，是通过物物互连感知世界的技术手段。工业和信息化部《物联网发展规划（

2016-2020年）》总结“十三五”规划中物联网发展所获得的成就，并分析“十四五”期间面临的形势，明确物联网的发展思路和目标，提出了物联网发展的6大趋势，提出4大关键技术，指出要健全多层次多类型的物联网人才培养和服务体系，支持高校、科研院所加强学科交叉整合，加强物联网学科建设，培养物联网复合型人才，物联网正进入跨界融合、集成创新和规模化发展的新阶段，未来将迎来重大的发展机遇。

当前，对于该门课程教学的研究主要有：以实践项目应用驱动为引导的课堂教学模式，通过优化整合教学内容，以实践项目应用驱动引导学生进行理论知识点学习[1]; 以专题课的形式对教学内容进行系统性编排和规划，形成紧密联系的知识体系，并规划多条教学路线[2]; 基于体验实践的实验教学模式、精品实践案例的通信课程以及信息技术支持的精准教学的模式[3]; 以在线开放课程平台为基础，以课程项目化为抓手，进行线上线下混合式教学模式探索[4]; 研制开发的融合基于物联网体系架构与多种无线通信技术标准的通信板, 有机地结合了物联网通信系统理论和通信技术实践[5]，以及通过“对分课堂”强调先教后学的探索应用型工科实验课程改革途径[6]等。多种课程改革研究表明，实验课学生不仅全部完成相关理论知识及实践课程的学习，同时学习积极性和应用实践能力有了很大提高，效果良好，提供了多样化的教学模式参考。

我校于 2018 年通信工程专业首次开设了《物联网与短距离无线通信技术》课程。本课程的特点是理论性强，技术种类多，通过实验课加强学生对于物联网系统架构、理论内容和短距离通信技术的理解，学生初步掌握了开源软硬件的基本原理和使用方法，培养了学生的实践能力和创新思维，教学效果显著。加强实践教学是培养应用型人才的重要途径。研究《物联网与短距离通信技术》课程的实验内容，对培养物联网应用人才具有重大的意义。

1 课程现状及存在问题

《物联网与短距离无线通信技术》是我校通信工程新开设的一门专业任选课。课程的目标是使学生可以对物联网系统架构和短距离无线通信技术的相关知识有一个全面、系统的认识；具备规划设计与搭建简单的物联网与短距离无线通信组网应用系统的能力；具备运用理论知识解决实际问题的基本能力。 现在开设物联网课程的学校很多，主要从原理上讲解物联网概念等综合性知识，目前市面上的物联网教材多是“物联网导论”，“物联网基础”等之类书籍，我们对教材和一些工科学校调查发现介绍物联网核心技术专门教材很少，主要发现有以下几个问题 ：

（1）课程内容差异很大，实验内容不统一

物联网是一个相对比较新和综合性强的学科，很多理论全球没有统一技术标准，暂时没形成统一的理论体系。不同的学校不同的教材讲授的内容有差异，相对于实验内容也就有不同的设置。

（2）不同专业领域，实验内容的重点不一

物联网技术面向现代信息处理技术，涉及到计算机技术、通信技术、自动控制技术、传感技术等，学科交叉多造就不同专业都开物联网课程的现状。通信工程专业主要培养学生学习和掌握数据和设备的通信技术、网络传输、数据接入等方面的内容，学生完成课程后能够根据实际应用环境设计、开发、使用、维护在各类通信系统中组织传感和控制信号的应用设备等，自动控制相关专业讲解的重点在于物联网芯片的研究设计等。计算机相关专业讲解的重点在于物联网相关算法、应用开发等。开设专业的不同，导致了实验内容的重点不一。

（3）不同层次学校实验软件和硬件环境不同

物联网课程的实验大部分都是基于实验箱进行操作的，不同的学校配备的实验箱基本都不同。每种实验箱都有不同的核心板，不同的程序，操作固定步骤。我院关于物联网的实验箱共有25套，基于物联网网关平台包含ARM单元、基础网关CC2530模块、WIFI模块、GSM模块，6种传感器节点，以C++编程语言为主、PC硬件，配套开发软件有：EW8051-EV-730B（IAR）；Packet_Sniffer_2_2_0_0；Setup_SmartRF_Studio_6_5_1；SmartRF_1.6.2；目前我院主要实验基于ZigBee无线通信传感技术、几种传感节点，基于CC2530基础网关，实现几组基础实验。同一种类型的实验，软硬件环境，通信技术选择等不同，实验效果也都不同，设定多种选择关于技术和传感节点让综合性实验具有一定难度。

2 实验内容研究

我院开设物联网与短距离无线通信技术课程，理论课为主34学时，实践课12学时，实践课偏向软件编程，进行单一通信技术，单一传感器模拟仿真基础实验。没有设置综合性应用层的实验，如物联网无线通信技术在智能家居、智慧安防、智慧医疗等综合性实验。在本次教学实践改革中，主要研究《物联网与短距离无线通信技术》课程的基础实验与综合应用实验内容，以符合通信专业需求为导向，整合现有实验箱的基础实验，在《物联网与短距离无线通信技术》课程实验教学初探上，在各个实验中拟设置学生选学内容、自行编写代码改变实现现象等以满足不同兴趣方向学生的要求，同时为学生深入学习物联网相关课程打下坚实基础。拟选

7组实验 ，详见表1。

表1：目前实验课程安排表（来源：自绘）

3 实验教学过程

为了培养学生的创新能力，激发学生学习兴趣，在实验教学中，先讲解实验原理和实验软硬件的认知等基本内容后，然后进行实验演示操作，显示实验结果，引导学生观察、发现问题，由学生提问、教师解答、探讨的方式加以解决。实验中根据学生的实际操作情况和动手能力，让学生自己学会编写程序，修改程序，这种学生被动为主动 ，参与的教学方法在调动学生的学习主动性及创新能力的培养均收到了良好的效果。

根据实验大纲，每次实验教学复杂度和难度层层递进，有助于引导学生由浅入深地学习。在物联网实验教学中分成两个方面的层次第一个层次，是从必学到选学将实验内容分成必学和选学，必学是所有学生都要学习的内容。选学内容是对本实验更有兴趣的学生学习的内容。第二个层次，是将必修实验再分为仿真实验、验证实验、综合设计3个层次。在教学前期要求通信专业每个学生学会建立实验环镜、熟悉传感器原理和程序改编和 ZigBee组网模式和协议开发等，通过使用物联网网关平台让学生对传感器、无线传感网、短距离通信技术等组成物联网系统架构有系统认知。对于想进一步加深对这门实践课学习学生，在自行开发和理论基础时可做综合应用性实验，从外部观察验证传感器、ZigBee 的原理、编程、实现过程。如学完进程就可通过在实际的操作系统上编程使用系统调用来观察操作系统的进程调度结果，并根据结果分析不同的调度策略。 在验证分析的基础上设计综合应用性的实验，学生在模拟操作系统上自己编程实现操作系统的功能模块，观察自己所设计的功能模块的工作情况。让学生对物联网网关功能有一个使用、探索验证、自己设计逐步深入的学习过程。

4 实验教学效果

学生自己设计综合性实验作为考核标准，是引导学生学习、了解教师实验效果的一个呈现方法。许多高校计算机科学技术专业硬件课程实验教学超过25%以上，但学生该门课的成绩仅凭理论课试卷考试来确定，忽略了实验教学的成果，这让学生会重理论轻实践。因此需要完善学生这门课的综合评价，充分调动学生对实验教学的积极性，比如实验报告、实验操作、综合实验设计、理论知识考核等多方面来评价物联网与短距离无线通信技术这门课。在理论课时和实践课时比例怎样分配，实践课成绩和理论课成绩怎样占比对最终成绩考核。目前教学大纲，这门实验课占比太少，让部分学生容易实验敷衍对待，不能独立开展实验，参与度较低。我们这课程以综合实验项目成品展示，项目PPT汇报作为本门课的考核依据，提高学生参与度和自主学习的热情。为此我们应在平时的实验教学中，应该告知学生实验成绩在总评成绩中的比例，要求学生重视实验报告，启发学生创新思维，鼓励实验创新， 独立开展综合性实验项目。强化实践能力，未来加强实践课时比例，同时老师加强学生个性化指导与学习监督。

5 结 语

本文对《物联网与短距离无线通信技术》实验课程的内容、实验教学方法与手段、实验考核等方面所作的分析，可为我校建设物联网与短距离无线通信技术课程提供一些参考。物联网与短距离无线通信技术的实验教学是培养实用性和创新性的综合素质物联网通信技术开发人才的重要途径和手段。实验教学是当前需要认真研究和探讨的问题。配合我校“新工科”建设应用型人才培养目标，强化了实验实践动手环节，鼓励学生自主创新学习，专业实践课程目的在于先激发学生对专业的学习兴趣，进而推动专业课程学习，并为参与创新创业项目实践活动及未来就业做铺垫。

参考文献：

[1]谭永前. 新工科背景下基于物联网应用驱动的“物联网通信技术”课程教学改革研究[J].科教导刊，2022（25）：90-93.

[2]张策，吕为工. 物联网课程教学创优探索与实践[J].软件导刊，2022，21（07）：208-213.

[3]董俊，魏书宁，邓月明，张连明. 新工科形势下物联网专业通信类课程改革与实践[J].物联网技术，2022，12（03）：128-130.

[4]翟文正，刘西阁. 基于在线开放课程平台的项目化教学模式改革与实践——以“物联网无线通信技术”课程为例[J].工业和信息化教育，2021（11）：14-18.

[5]潘勇，侯梓叶，高子林，熊江. 面向深化新工科建设目标“物联网通信技术”课程教学改革与实践[J].教育现代化，2020，7（45）：64-66.

[6]喻恒，丁亚飞，王启明，张高敏. 对分课堂在物联网工程专业实验课程中的应用研究——以《短距离无线通信技术》为例[J].科技资讯，2017，15（12）：120-121.