物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程實(shí)驗教學(xué)探究的論文
物聯(lián)網(wǎng)工程作為高校的新興專(zhuān)業(yè)，如何提高學(xué)生實(shí)踐能力，培養社會(huì )所需的專(zhuān)業(yè)人才已成為首要問(wèn)題。文章從物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程實(shí)驗教學(xué)現狀與問(wèn)題出發(fā)，提出了創(chuàng )新物聯(lián)網(wǎng)通通信技術(shù)實(shí)驗教學(xué)的策略。
一、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的特點(diǎn)
物聯(lián)網(wǎng)是智能感知與識別技術(shù)、普適計算、云計算、泛在網(wǎng)絡(luò )系統的融合應用，被稱(chēng)為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)在智慧交通管理、智慧城市、國防軍事、環(huán)境監測和醫療衛生等諸多領(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景。2011年，物聯(lián)網(wǎng)工程作為專(zhuān)業(yè)正式進(jìn)駐高校，目前已有百余所高校開(kāi)設了物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)，如何培養社會(huì )所需的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)人才是至關(guān)重要的問(wèn)題。
物聯(lián)網(wǎng)本身并非僅是一門(mén)單純的技術(shù)，而是一個(gè)復雜的系統，涵蓋了多領(lǐng)域的技術(shù)與知識，融合多種異構通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )平臺，所涉及的通信技術(shù)和標準眾多，包括屬于WPAN的藍牙和IEEE 802.15.4、屬于WLAN的wifi、屬于蜂窩通信的GSM、GPRS和CDMA等技術(shù)，以及如何在這些技術(shù)的基礎上構造網(wǎng)絡(luò )架構與現有的因特網(wǎng)集成[2]。
物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)與傳統專(zhuān)業(yè)不同之處即在于物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)更注重學(xué)生的創(chuàng )新、實(shí)踐與協(xié)作能力的培養。物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的性質(zhì)也決定了實(shí)踐教學(xué)成為該專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系中不可或缺的重要環(huán)節。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎課，為后期的傳感器網(wǎng)絡(luò )和硬件課程設計等課程奠定了基礎，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗直接影響后續課程的開(kāi)展，為此實(shí)驗教學(xué)的研究和探討十分重要。
二、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗教學(xué)現狀
(一)師資力量薄弱
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程以互聯(lián)技術(shù)為主線(xiàn)，融合現有無(wú)線(xiàn)通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )等課程的相關(guān)內容和最新的前沿技術(shù)。因而，不僅需要實(shí)驗教師具備扎實(shí)的理論基礎，而且還要有較強的實(shí)踐動(dòng)手能力。而物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)作為新興專(zhuān)業(yè)，全面掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人員又非常少，再加上對實(shí)驗教師的培養又不夠，缺少參加培訓和深造訪(fǎng)學(xué)的機會(huì )，因而，實(shí)驗教師師資力量薄弱嚴重影響了實(shí)驗教學(xué)的開(kāi)展。
(二)實(shí)驗教學(xué)內容不一致
由于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)包括的教學(xué)內容很多，如：各種短距離無(wú)線(xiàn)通信(藍牙、Zigbee等技術(shù))、蜂窩通信以及如何在這些技術(shù)的基礎上構造統一開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )架構并與現有的因特網(wǎng)無(wú)縫集成[3]。如果將所有內容都泛泛地講，學(xué)生很難真正地掌握每項技術(shù)，所以必須要有所側重，各高校講授內容的側重點(diǎn)不同，實(shí)驗教學(xué)內容也不一致。這里我們將重點(diǎn)放在無(wú)線(xiàn)通信原理和短距離通信技術(shù)上，需要在IEEE 802.15.4/Zigee的基礎上設置相應的實(shí)驗內容，使學(xué)生能夠結合之前的課程，利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)完成相應的功能，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。
(三)實(shí)驗室建設不完善
實(shí)驗室作為物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐平臺，其實(shí)驗設備和實(shí)驗管理手段都具備一定的先進(jìn)性和科學(xué)性，要充分發(fā)揮實(shí)驗平臺的功能。開(kāi)設物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗，對實(shí)驗環(huán)境要求較高，需要在各個(gè)傳感器節點(diǎn)上做軟件開(kāi)發(fā)，而各硬件節點(diǎn)又極易出現各種問(wèn)題，使得許多時(shí)間浪費在硬件檢測上，為此需要加強對實(shí)驗室的管理，確保每個(gè)硬件都正常運行。
三、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗教學(xué)的改革與創(chuàng )新
為了進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，培養出社會(huì )所需要的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)人才，需要在實(shí)驗教學(xué)中不斷的探索與創(chuàng )新，下面從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探討。
(一)優(yōu)化實(shí)驗教學(xué)內容
從這幾年的實(shí)驗教學(xué)來(lái)看，這里采用總—分—總的方式來(lái)進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)，具體各類(lèi)型實(shí)驗的內容如圖1所示，將實(shí)驗類(lèi)型分為綜合演示實(shí)驗、基礎實(shí)驗和綜合設計實(shí)驗。為了激起學(xué)生學(xué)習興趣，首先向學(xué)生演示一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)綜合系統，讓學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗效果有個(gè)整體的把握;其次再對系統中的各個(gè)實(shí)驗進(jìn)行操作，由于學(xué)生剛接觸傳感器節點(diǎn)，入手比較困難，這里采用先講解主要接口函數和方法，在此基礎上對其進(jìn)行更改并完成相應的功能;最后，要求學(xué)生將所學(xué)到的知識綜合到一起，完成一個(gè)綜合型實(shí)驗，通過(guò)zigbee無(wú)線(xiàn)通信完成網(wǎng)絡(luò )拓撲的繪制以及對各個(gè)傳感器節點(diǎn)信息顯示。
1、綜合演示實(shí)驗。
作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的第一個(gè)實(shí)驗，主要目的讓學(xué)生對本課程有個(gè)整體的了解，激起學(xué)生學(xué)習的興趣，因此在這個(gè)實(shí)驗中，首先需要向學(xué)生介紹各個(gè)傳感器節點(diǎn)的組成和作用，以及軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR，使學(xué)生對實(shí)驗開(kāi)發(fā)環(huán)境有所了解，在此基礎上演示“物聯(lián)網(wǎng)綜合演示系統”，此演示系統可在PC機上通過(guò)zigbee技術(shù)對傳感器節點(diǎn)進(jìn)行管理和維護，通過(guò)數字和圖表的方式，可多方位顯示無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的狀態(tài)及控制傳感網(wǎng)上的設備。
2.基礎實(shí)驗。
對于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的實(shí)驗需要在實(shí)驗箱上完成，各高校配備的實(shí)驗箱不同，每種實(shí)驗箱都有不同的核心板、不同的程序，但是基本原理是一致的。這里我們在硬件上使用CC2530作為實(shí)現嵌入式Zigbee應用的片上系統，學(xué)生需要在掌握CC2530工作原理的基礎上，完成前兩個(gè)基礎實(shí)驗，實(shí)現節點(diǎn)的串口通信和無(wú)線(xiàn)通信。
首先利用CC2530實(shí)現串口通信，由于許多實(shí)驗的結果需要在PC機上顯示，需要通過(guò)串口線(xiàn)將數據從傳感器節點(diǎn)傳到PC機串口，在這個(gè)實(shí)驗中學(xué)生通過(guò)按傳感器節點(diǎn)上不同的按鍵向PC機傳送不同數據，同樣，PC機也可通過(guò)串口線(xiàn)向傳感器節點(diǎn)傳送不同命令;其次利用CC2530的無(wú)線(xiàn)通信功能，完成兩個(gè)或者多個(gè)傳感器節點(diǎn)互傳數據的功能，可令一個(gè)傳感器節點(diǎn)作為發(fā)送端，發(fā)送操作命令，另一個(gè)傳感器節點(diǎn)作為接收端接收命令完成相應功能。
由于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要以講解短距離、低成本、低功耗的zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為主，這里利用TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧完成相應無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗。學(xué)生在掌握了Z-Stack協(xié)議棧的體系結構后，利用協(xié)議棧中提供的各種接口函數，完成相應的功能。首先利用Z-Stack完成傳感器節點(diǎn)間的通信以及串口通信，由于有CC2530做基礎，這個(gè)實(shí)驗掌握起來(lái)要容易些;另外利用Z-Stack實(shí)現星狀網(wǎng)絡(luò )，獲取節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址形成網(wǎng)絡(luò )拓撲，為后續實(shí)驗做好鋪墊。
3.綜合設計實(shí)驗。
為了是實(shí)驗內容更豐富，這里首先引用一個(gè)或多個(gè)傳感器模塊，進(jìn)行數據采集，可將此部分的功能直接提供給學(xué)生，因為在后續的傳感器原理課程中還要詳細講解數據采集的原理。有了這些基礎實(shí)驗，學(xué)生可完成一個(gè)綜合性實(shí)驗，可利用Z-Stack無(wú)線(xiàn)通信，將各個(gè)傳感器節點(diǎn)采集到的數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送到協(xié)調器，協(xié)調器通過(guò)串口通信傳到主機，在主機上對相應信息進(jìn)行顯示以及繪制網(wǎng)絡(luò )拓撲，與此同時(shí)，主機可通過(guò)串口向傳感器節點(diǎn)發(fā)送各種命令，完成控制功能。
(二)加強實(shí)驗教學(xué)師資隊伍建設
物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)作為新興專(zhuān)業(yè)，很多都是新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)涵蓋的內容又很廣泛，需要教師不斷地學(xué)習和探討，為此可定期組織教師集體備課，討論理論課和實(shí)驗課的主要教學(xué)內容以及之間銜接問(wèn)題。另外也可聘請有實(shí)際經(jīng)驗、有一定教學(xué)能力的企業(yè)技術(shù)人員對學(xué)生和教師進(jìn)行實(shí)驗培訓，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，提高教師業(yè)務(wù)水平。
(三)完善實(shí)驗室建設
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗課所需的實(shí)驗設備主要包括各種傳感器節點(diǎn)，這些部件具有體積小、易攜帶、易損壞等特性。因此，要對這些節點(diǎn)進(jìn)行很好的'管理，每位學(xué)生固定使用某些部件，可把這些部件貼上相應的標簽，另外，需要配備額外的節點(diǎn)供學(xué)生使用，一是為了及時(shí)更換損壞的節點(diǎn)，二是供學(xué)生課后使用。也可設置開(kāi)放實(shí)驗室的時(shí)間，增加學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的時(shí)間和機會(huì )，充分發(fā)揮學(xué)生主觀(guān)能動(dòng)性和創(chuàng )新性，實(shí)現理論與實(shí)踐的有機結合。
(四)創(chuàng )新實(shí)驗教學(xué)模式與考核制度
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗涉及的內容比較多，對學(xué)生的要求也很高，考慮到每個(gè)學(xué)生的基礎不同，這里采用以小組為單位的實(shí)驗教學(xué)。在一個(gè)小組中可能有的同學(xué)理論基礎很扎實(shí)，有的同學(xué)編程能力比較強，這樣他們可以互相學(xué)習，盡快地掌握相應技術(shù)，即培養了學(xué)生的合作能力，又提高了實(shí)驗教學(xué)的效果。
對于成績(jì)分布方面，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的總成績(jì)應由理論成績(jì)和實(shí)驗成績(jì)兩部分組成，這里需要增加實(shí)驗成績(jì)的比例，提高學(xué)生對實(shí)驗的重視程度，實(shí)驗成績(jì)至少需要站總成績(jì)的30%。對于實(shí)驗項目的考核，應更加注重學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手和研發(fā)能力，要杜絕拷貝抄襲的現象，為此不能采用傳統的考核方式，需要制定新的考核方法。
對于學(xué)生的每個(gè)實(shí)驗項目，應該從各個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)，包括實(shí)驗課的課前預習情況、實(shí)驗項目的運行情況和學(xué)生實(shí)際解決能力，對于在實(shí)驗過(guò)程中勇于創(chuàng )新的學(xué)生，可將其實(shí)驗項目作為范本進(jìn)行演示，這樣既給優(yōu)秀學(xué)生提供了展示自己的機會(huì )，又大大激勵了其他學(xué)生學(xué)習的興趣。
物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)主干課程，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗課程作為硬件綜合設計實(shí)驗的基礎，其實(shí)驗效果直接影響后續課程的開(kāi)展，為了進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，我們需要在實(shí)踐中不斷探索、總結經(jīng)驗，建立起一套完善的實(shí)驗教學(xué)體系。本文針對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗教學(xué)環(huán)節中存在的不足，從實(shí)驗教學(xué)內容、實(shí)驗師資建設、實(shí)驗室建設、實(shí)驗教學(xué)模式和考核方面進(jìn)行了分析，希望能為各高校物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程提供一些參考。
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