蘇廣

【摘要】各大學(xué)專業(yè)工程認(rèn)證認(rèn)證的核心工作是課程建設(shè)。針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程現(xiàn)狀做了分析并對課程改革做了一些有益的探索，將以產(chǎn)出為導(dǎo)向理念貫穿到教學(xué)考核等各個環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù);Packet Tracer;工程教育認(rèn)證

1. 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

現(xiàn)如今常見的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)大體上分為無線技術(shù)和有線技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程重心定位在物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，有線通信技術(shù)例如485總線、can總線等放入物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的先修課《單片機》課程講解。課程重點在無線zigbee通信技術(shù)、藍牙、wifi、RFID、以及長距離的移動通信技術(shù)。作為計算機類的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開設(shè)《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》普遍存在先修課程開設(shè)不足的問題，在不開設(shè)《信號系統(tǒng)》 《通信原理》等課程的情況下，學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)普遍感到吃力。實驗平臺種類繁多教學(xué)難度大。Zigbee組網(wǎng)實驗采用的是51內(nèi)核的CC2530芯片，藍牙技術(shù)使用的是TI的CC2640 ?BLE5.0模塊MCU，Wifi使用的是ARMcortex-M4 核心的CC3200。雖然都使用的是TI公司的系列芯片，但對于上學(xué)期剛接觸單片機的低年級學(xué)生來說，如此短時間內(nèi)從51單片到2530再到M3、M4實現(xiàn)平臺跨越難以做到平穩(wěn)過渡，學(xué)習(xí)難度很大。最后學(xué)生學(xué)生做實驗的時候只能把代碼下載到設(shè)備，簡單的看一下實驗結(jié)果。達不到使用無線技術(shù)開發(fā)項目的教學(xué)目的。實驗內(nèi)容對理論教學(xué)支撐力度不夠大，實驗內(nèi)容對通信協(xié)議原理的驗證不夠，開發(fā)設(shè)計型實驗占比不合理。實驗考核環(huán)節(jié)也不夠科學(xué)，教師評判主觀性較大。

2. 教學(xué)改革內(nèi)容措施

專業(yè)建設(shè)就是課程建設(shè)。課程改革必須在保障現(xiàn)有教學(xué)秩序的條件下全局角度考慮問題逐步推進課程改革。改革緊扣物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，使學(xué)生具備基本的工程知識和問題分析能力和設(shè)計開發(fā)能力。我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考核方式等方面入手。

2.1 理論教學(xué)內(nèi)容改進

課程內(nèi)容設(shè)計方面改革，嚴(yán)格以產(chǎn)出為導(dǎo)向。通過理論調(diào)整內(nèi)容、降低學(xué)習(xí)門檻，采用先進的仿真教學(xué)手段。將整個課程內(nèi)容分成通信基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)協(xié)議分析、技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域三個部分。在物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程中適量增加通信原理的知識。將《信號系統(tǒng)》 《通信原理》這些物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)先修課內(nèi)容進行合理的刪減、壓縮。使學(xué)生對通信的基本概念、組成、原理有簡單的了解，可以很好的過渡到后續(xù)知識的學(xué)習(xí)。課程內(nèi)容重點放在物聯(lián)網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議分析，通過各種協(xié)議的講解使學(xué)生了解常見通信技術(shù)的原理。由于物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)主要包括感知層通信和核心承載網(wǎng)通信，其中感知層的通信技術(shù)基本上以低功耗短距離無線通信為主，也是物聯(lián)網(wǎng)通信的核心技術(shù)，所以我們選取短距離無線zigbee通信技術(shù)、藍牙、wifi、RFID作為主要協(xié)議分析的對象。長距離的移動通信技術(shù)原理內(nèi)容課時上相應(yīng)有所壓縮。總體第二部分課時共計二十四學(xué)時。課程第三部分技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域介紹共六學(xué)時，我們在全面介紹各種應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，側(cè)重于各種行業(yè)背景知識和需求分析講解，為學(xué)生后續(xù)開發(fā)課程學(xué)習(xí)做一個銜接鋪墊。整體上課程不再以底層信號分析為重點，側(cè)重于通信協(xié)議中上層的工作原理。

2.2 理論教學(xué)采用先進、直觀的教學(xué)手段，引進交互性更強的虛擬仿真的教學(xué)模式

現(xiàn)在比較常用的無線通信技術(shù)有藍牙、Zigbee、WiFi、紅外技術(shù)等等。每一種通信技術(shù)都有自己獨特的通信規(guī)范也就是協(xié)議。協(xié)議作為通信技術(shù)的核心，自然通信協(xié)議的學(xué)習(xí)、分析也就成了整個教學(xué)活動的重點，當(dāng)然也是教學(xué)的難點。由于感知層通信協(xié)議種類繁多，課時又十分有限，在理論教學(xué)中只能側(cè)重基本原理的講解，這就使得學(xué)生學(xué)習(xí)難度增大，經(jīng)常感到枯燥無味。改變“滿堂灌”、“教師講，學(xué)生聽”教學(xué)模式，不能單純使用ppt、動畫演示等手段。為了增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，我們采用了交互性更強的仿真教學(xué)軟件-----Packet Tracer。通過最新的7.2.2版本可以實現(xiàn)多種通信技術(shù)仿真。并且學(xué)生可以脫離復(fù)雜的實驗設(shè)備隨時隨地驗證所學(xué)理論知識。增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感和學(xué)習(xí)興趣。

2.3 實驗教學(xué)改革主要措施

實驗教學(xué)改革圍繞著硬件實驗平臺整合、改變實驗教學(xué)內(nèi)容、消減代碼閱讀量、引進先進的仿真手段與物聯(lián)網(wǎng)通信實驗平臺相結(jié)合，增強實驗教學(xué)對理論教學(xué)的支撐力度，改綜合設(shè)計實驗為可運行原型設(shè)計開發(fā)這幾個方面展開。

早先的實驗內(nèi)容基本上都是圍繞著各種無線通信協(xié)議或協(xié)議棧的使用，通過已有的協(xié)議?；蚬こ涛募鶕?jù)自己的需求進行二次開發(fā)。在實驗教學(xué)過程中無線通信技術(shù)Zigbee、藍牙、wifi等各種硬件實驗平臺無法統(tǒng)一實現(xiàn)，每種技術(shù)都需要結(jié)合具體的芯片來講解，都有相當(dāng)數(shù)量的技術(shù)文檔和程序代碼需要閱讀。這樣會使學(xué)生迷失在技術(shù)實現(xiàn)的細(xì)節(jié)中。通過代碼了解通信原理、理解協(xié)議棧會使是學(xué)生挫敗感增強，許多學(xué)生甚至?xí)幊坍a(chǎn)生恐懼，不利于學(xué)生進一步的學(xué)習(xí)工程應(yīng)用開發(fā)。這也不符合工程教育認(rèn)證的宗旨。

我們首先對硬件實驗平臺進行整合、盡量選用TI公司的CC系列的芯片實現(xiàn)無線組網(wǎng)通信。然后又對實驗教學(xué)內(nèi)容進行了較大調(diào)整。將通信協(xié)議驗證型實驗比例提高，降低實驗難度的同時增強實驗的趣味性。將以前簡單使用協(xié)議棧開發(fā)的設(shè)計型實驗改為演示為主的驗證性實驗，通過抓包工具分析數(shù)據(jù)包的方式了解協(xié)議工作原理，增強實驗教學(xué)對理論教學(xué)的支撐力度，降低了代碼閱讀量。

例如在zigbee無線通信技術(shù)實驗教學(xué)中，首先由實驗教師進行實驗平臺搭建、協(xié)議棧工程代碼下載安裝的演示，然后對工程代碼按模塊進行功能講解。對各種協(xié)議棧以及使用的小型嵌入式操作系統(tǒng)進行原理型概要講解。由于Zstack協(xié)議棧屬于一種非完全開源的通信協(xié)議棧，反應(yīng)zigbee工作原理的文件都以庫文件形式提供。學(xué)生無法通過解讀代碼的方法全面透徹的了解zigbee設(shè)備的組網(wǎng)、路由等工作過程。為了更好的對理論知識的驗證，我們采用數(shù)據(jù)包分析的方式。由學(xué)生通過zigbee嗅探器進行數(shù)據(jù)包抓取，觀察zigbee協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點組網(wǎng)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程。除了抓包分析應(yīng)該相應(yīng)的結(jié)合TI官方zigbee_Sensor_Monitor 軟件實時動態(tài)觀測ZIgbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對zigbee網(wǎng)絡(luò)地址分配機制和分配算法進行相應(yīng)的原理驗證。在無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)zigbee實驗中我們突出工作原理的驗證，通過全程使用官方例程減輕學(xué)生動手編代碼環(huán)節(jié)，由實驗教師進行功能講解，降低了學(xué)生的實驗難度。將代碼編寫開發(fā)部分實驗放到后續(xù)《物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計》課程中，更加符合學(xué)習(xí)規(guī)律。在抓包分析數(shù)據(jù)的同時增加了zigbee_Sensor_Monitor軟件的使用，使實驗更加直觀，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

改硬件平臺實現(xiàn)為仿真環(huán)境下實現(xiàn)，改程序設(shè)計實現(xiàn)為原型設(shè)計實現(xiàn)。使用Packet Tracer可以輕松的進行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型設(shè)計，通過對原型的分析、測試可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計邏輯漏洞。培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。利用Packet Tracer豐富的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以輕松構(gòu)建各種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。仿真軟件還支持自定義設(shè)備。自定義設(shè)備開發(fā)使用比較流行的python語言，以及類似于scratch的圖形化編程語言。編程能力較為差的大二學(xué)生都可以快速上手開發(fā)設(shè)計。

2.4 考核方面的改革

理論考核方面優(yōu)化完善題庫，把現(xiàn)有的以試卷為單位的試卷庫，逐步改進成以各章節(jié)知識點的多題型試題庫。實驗考核改革緊扣培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，使學(xué)生具備基本的工程知識和問題分析能力和設(shè)計開發(fā)能力。因此驗證性實驗內(nèi)容大量減少，考核內(nèi)容重心放在設(shè)計性實驗、故障診斷、排除等環(huán)節(jié)上?？己耸侄我策M行了多元化。以往實驗考核手段屬于結(jié)果性考核手段，缺乏對實驗過程進行評價。實驗考核結(jié)果主觀因素太多，不利于對實驗全面、科學(xué)的考核量化。使用Packet Tracer自帶的考試系統(tǒng)，每個實驗步驟可以設(shè)置相應(yīng)分值，讓教師方便對整個實驗過程進行全面綜合評價。全面考查學(xué)生工程實踐設(shè)計能力和故障診斷排除能力。同時也可以對每個學(xué)生實驗考核數(shù)據(jù)進行保存，便于實現(xiàn)實驗考核檔案化。

3. 總結(jié)

通過理論課程內(nèi)容調(diào)整進一步復(fù)合培養(yǎng)目標(biāo)，實驗課程采用zigbee_Sensor_Monitor 、Packet Tracer等仿真軟件做到虛擬現(xiàn)實相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生原型設(shè)計能力、故障診斷排除能力。將依賴C語言的程序開發(fā)部分內(nèi)容從實驗課程合理分離到后續(xù)《物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計》課程中，降低物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對其他先修課程的依賴性。加強實驗課程對理論教學(xué)的支撐作用。完善過程性考核與結(jié)果性考核評價，過程性考核進一步提高。理論考核以知識的綜合運用為主，實驗考核以綜合性與創(chuàng)新性考核為主。通過以上措施全面提高了課程建設(shè)質(zhì)量。

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