物联网通信技术课程实验教学探究的论文

2021-06-14 论文

　　物联网工程作为高校的新兴专业，如何提高学生实践能力，培养社会所需的专业人才已成为首要问题。文章从物联网通信技术课程实验教学现状与问题出发，提出了创新物联网通通信技术实验教学的策略。

　　一、物联网通信技术课程的特点

　　物联网是智能感知与识别技术、普适计算、云计算、泛在网络系统的融合应用，被称为是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮[1]。物联网在智慧交通管理、智慧城市、国防军事、环境监测和医疗卫生等诸多领域具有十分广阔的应用前景。2011年，物联网工程作为专业正式进驻高校，目前已有百余所高校开设了物联网工程专业，如何培养社会所需的物联网专业人才是至关重要的问题。

　　物联网本身并非仅是一门单纯的技术，而是一个复杂的系统，涵盖了多领域的技术与知识，融合多种异构通信技术和网络平台，所涉及的通信技术和标准众多，包括属于WPAN的蓝牙和IEEE 802.15.4、属于WLAN的wifi、属于蜂窝通信的GSM、GPRS和CDMA等技术，以及如何在这些技术的基础上构造网络架构与现有的因特网集成[2]。

　　物联网工程专业与传统专业不同之处即在于物联网专业更注重学生的创新、实践与协作能力的培养。物联网工程专业的性质也决定了实践教学成为该专业教学体系中不可或缺的重要环节。物联网通信技术作为物联网专业的专业基础课，为后期的传感器网络和硬件课程设计等课程奠定了基础，物联网通信技术实验直接影响后续课程的开展，为此实验教学的研究和探讨十分重要。

　　二、物联网通信技术实验教学现状

　　(一)师资力量薄弱

　　物联网通信技术课程以互联技术为主线，融合现有无线通信、移动网络等课程的相关内容和最新的前沿技术。因而，不仅需要实验教师具备扎实的理论基础，而且还要有较强的实践动手能力。而物联网工程专业作为新兴专业，全面掌握物联网技术的人员又非常少，再加上对实验教师的培养又不够，缺少参加培训和深造访学的机会，因而，实验教师师资力量薄弱严重影响了实验教学的开展。

　　(二)实验教学内容不一致

　　由于物联网通信技术包括的教学内容很多，如：各种短距离无线通信(蓝牙、Zigbee等技术)、蜂窝通信以及如何在这些技术的基础上构造统一开放的网络架构并与现有的因特网无缝集成[3]。如果将所有内容都泛泛地讲，学生很难真正地掌握每项技术，所以必须要有所侧重，各高校讲授内容的侧重点不同，实验教学内容也不一致。这里我们将重点放在无线通信原理和短距离通信技术上，需要在IEEE 802.15.4/Zigee的基础上设置相应的实验内容，使学生能够结合之前的课程，利用无线通信技术完成相应的功能，提高实践动手能力。

　　(三)实验室建设不完善

　　实验室作为物联网专业学生的实践平台，其实验设备和实验管理手段都具备一定的先进性和科学性，要充分发挥实验平台的功能。开设物联网通信技术实验，对实验环境要求较高，需要在各个传感器节点上做软件开发，而各硬件节点又极易出现各种问题，使得许多时间浪费在硬件检测上，为此需要加强对实验室的管理，确保每个硬件都正常运行。

　　三、物联网通信技术实验教学的改革与创新

　　为了进一步提高学生实践动手能力，培养出社会所需要的物联网专业人才，需要在实验教学中不断的探索与创新，下面从以下几个方面进行探讨。

　　(一)优化实验教学内容

　　从这几年的实验教学来看，这里采用总—分—总的方式来进行实验教学，具体各类型实验的内容如图1所示，将实验类型分为综合演示实验、基础实验和综合设计实验。为了激起学生学习兴趣，首先向学生演示一个物联网综合系统，让学生对整个实验效果有个整体的`把握;其次再对系统中的各个实验进行操作，由于学生刚接触传感器节点，入手比较困难，这里采用先讲解主要接口函数和方法，在此基础上对其进行更改并完成相应的功能;最后，要求学生将所学到的知识综合到一起，完成一个综合型实验，通过zigbee无线通信完成网络拓扑的绘制以及对各个传感器节点信息显示。

　　1、综合演示实验。

　　作为物联网通信技术课程的第一个实验，主要目的让学生对本课程有个整体的了解，激起学生学习的兴趣，因此在这个实验中，首先需要向学生介绍各个传感器节点的组成和作用，以及软件开发环境IAR，使学生对实验开发环境有所了解，在此基础上演示“物联网综合演示系统”，此演示系统可在PC机上通过zigbee技术对传感器节点进行管理和维护，通过数字和图表的方式，可多方位显示无线传感网的状态及控制传感网上的设备。

　　2.基础实验。

　　对于物联网通信技术的实验需要在实验箱上完成，各高校配备的实验箱不同，每种实验箱都有不同的核心板、不同的程序，但是基本原理是一致的。这里我们在硬件上使用CC2530作为实现嵌入式Zigbee应用的片上系统，学生需要在掌握CC2530工作原理的基础上，完成前两个基础实验，实现节点的串口通信和无线通信。

　　首先利用CC2530实现串口通信，由于许多实验的结果需要在PC机上显示，需要通过串口线将数据从传感器节点传到PC机串口，在这个实验中学生通过按传感器节点上不同的按键向PC机传送不同数据，同样，PC机也可通过串口线向传感器节点传送不同命令;其次利用CC2530的无线通信功能，完成两个或者多个传感器节点互传数据的功能，可令一个传感器节点作为发送端，发送操作命令，另一个传感器节点作为接收端接收命令完成相应功能。

　　由于物联网通信技术主要以讲解短距离、低成本、低功耗的zigbee无线通信技术为主，这里利用TI公司提供的Z-Stack协议栈完成相应无线通信实验。学生在掌握了Z-Stack协议栈的体系结构后，利用协议栈中提供的各种接口函数，完成相应的功能。首先利用Z-Stack完成传感器节点间的通信以及串口通信，由于有CC2530做基础，这个实验掌握起来要容易些;另外利用Z-Stack实现星状网络，获取节点的网络地址形成网络拓扑，为后续实验做好铺垫。

　　3.综合设计实验。

　　为了是实验内容更丰富，这里首先引用一个或多个传感器模块，进行数据采集，可将此部分的功能直接提供给学生，因为在后续的传感器原理课程中还要详细讲解数据采集的原理。有了这些基础实验，学生可完成一个综合性实验，可利用Z-Stack无线通信，将各个传感器节点采集到的数据以无线方式发送到协调器，协调器通过串口通信传到主机，在主机上对相应信息进行显示以及绘制网络拓扑，与此同时，主机可通过串口向传感器节点发送各种命令，完成控制功能。

　　(二)加强实验教学师资队伍建设

　　物联网工程专业作为新兴专业，很多都是新技术，物联网通信技术涵盖的内容又很广泛，需要教师不断地学习和探讨，为此可定期组织教师集体备课，讨论理论课和实验课的主要教学内容以及之间衔接问题。另外也可聘请有实际经验、有一定教学能力的企业技术人员对学生和教师进行实验培训，激发学生学习兴趣，提高教师业务水平。

　　(三)完善实验室建设

　　物联网通信技术实验课所需的实验设备主要包括各种传感器节点，这些部件具有体积小、易携带、易损坏等特性。因此，要对这些节点进行很好的管理，每位学生固定使用某些部件，可把这些部件贴上相应的标签，另外，需要配备额外的节点供学生使用，一是为了及时更换损坏的节点，二是供学生课后使用。也可设置开放实验室的时间，增加学生实践动手的时间和机会，充分发挥学生主观能动性和创新性，实现理论与实践的有机结合。

　　(四)创新实验教学模式与考核制度

　　物联网通信技术实验涉及的内容比较多，对学生的要求也很高，考虑到每个学生的基础不同，这里采用以小组为单位的实验教学。在一个小组中可能有的同学理论基础很扎实，有的同学编程能力比较强，这样他们可以互相学习，尽快地掌握相应技术，即培养了学生的合作能力，又提高了实验教学的效果。

　　对于成绩分布方面，物联网通信技术课程的总成绩应由理论成绩和实验成绩两部分组成，这里需要增加实验成绩的比例，提高学生对实验的重视程度，实验成绩至少需要站总成绩的30%。对于实验项目的考核，应更加注重学生的实际动手和研发能力，要杜绝拷贝抄袭的现象，为此不能采用传统的考核方式，需要制定新的考核方法。

　　对于学生的每个实验项目，应该从各个方面进行评价，包括实验课的课前预习情况、实验项目的运行情况和学生实际解决能力，对于在实验过程中勇于创新的学生，可将其实验项目作为范本进行演示，这样既给优秀学生提供了展示自己的机会，又大大激励了其他学生学习的兴趣。

　　物联网通信技术课程作为物联网工程专业主干课程，物联网通信技术实验课程作为硬件综合设计实验的基础，其实验效果直接影响后续课程的开展，为了进一步提高学生实践动手能力，我们需要在实践中不断探索、总结经验，建立起一套完善的实验教学体系。本文针对物联网通信技术实验教学环节中存在的不足，从实验教学内容、实验师资建设、实验室建设、实验教学模式和考核方面进行了分析，希望能为各高校物联网通信技术课程提供一些参考。

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