物聯網通訊技術課程實驗教學探究的論文
物聯網通訊技術課程實驗教學探究的論文
物聯網工程作為高校的新興專業，如何提高學生實踐能力，培養社會所需的專業人才已成為首要問題。文章從物聯網通訊技術課程實驗教學現狀與問題出發，提出了創新物聯網通通訊技術實驗教學的策略。
一、物聯網通訊技術課程的特點
物聯網是智慧感知與識別技術、普適計算、雲計算、泛在網路系統的融合應用，被稱為是繼計算機、網際網路之後世界資訊產業發展的第三次浪潮[1]。物聯網在智慧交通管理、智慧城市、國防軍事、環境監測和醫療衛生等諸多領域具有十分廣闊的應用前景。2011年，物聯網工程作為專業正式進駐高校，目前已有百餘所高校開設了物聯網工程專業，如何培養社會所需的物聯網專業人才是至關重要的問題。
物聯網本身並非僅是一門單純的技術，而是一個複雜的系統，涵蓋了多領域的技術與知識，融合多種異構通訊技術和網路平臺，所涉及的通訊技術和標準眾多，包括屬於WPAN的藍芽和IEEE 802.15.4、屬於WLAN的wifi、屬於蜂窩通訊的GSM、GPRS和CDMA等技術，以及如何在這些技術的基礎上構造網路架構與現有的因特網整合[2]。
物聯網工程專業與傳統專業不同之處即在於物聯網專業更注重學生的創新、實踐與協作能力的培養。物聯網工程專業的性質也決定了實踐教學成為該專業教學體系中不可或缺的重要環節。物聯網通訊技術作為物聯網專業的專業基礎課，為後期的感測器網路和硬體課程設計等課程奠定了基礎，物聯網通訊技術實驗直接影響後續課程的開展，為此實驗教學的研究和探討十分重要。
二、物聯網通訊技術實驗教學現狀
(一)師資力量薄弱
物聯網通訊技術課程以互聯技術為主線，融合現有無線通訊、行動網路等課程的相關內容和最新的前沿技術。因而，不僅需要實驗教師具備紮實的理論基礎，而且還要有較強的實踐動手能力。而物聯網工程專業作為新興專業，全面掌握物聯網技術的人員又非常少，再加上對實驗教師的培養又不夠，缺少參加培訓和深造訪學的機會，因而，實驗教師師資力量薄弱嚴重影響了實驗教學的開展。
(二)實驗教學內容不一致
由於物聯網通訊技術包括的教學內容很多，如：各種短距離無線通訊(藍芽、Zigbee等技術)、蜂窩通訊以及如何在這些技術的基礎上構造統一開放的網路架構並與現有的因特網無縫整合[3]。如果將所有內容都泛泛地講，學生很難真正地掌握每項技術，所以必須要有所側重，各高校講授內容的側重點不同，實驗教學內容也不一致。這裡我們將重點放在無線通訊原理和短距離通訊技術上，需要在IEEE 802.15.4/Zigee的基礎上設定相應的實驗內容，使學生能夠結合之前的課程，利用無線通訊技術完成相應的功能，提高實踐動手能力。
(三)實驗室建設不完善
實驗室作為物聯網專業學生的實踐平臺，其實驗裝置和實驗管理手段都具備一定的先進性和科學性，要充分發揮實驗平臺的功能。開設物聯網通訊技術實驗，對實驗環境要求較高，需要在各個感測器節點上做軟體開發，而各硬體節點又極易出現各種問題，使得許多時間浪費在硬體檢測上，為此需要加強對實驗室的管理，確保每個硬體都正常執行。
三、物聯網通訊技術實驗教學的改革與創新
為了進一步提高學生實踐動手能力，培養出社會所需要的物聯網專業人才，需要在實驗教學中不斷的探索與創新，下面從以下幾個方面進行探討。
(一)最佳化實驗教學內容
從這幾年的實驗教學來看，這裡採用總—分—總的方式來進行實驗教學，具體各型別實驗的內容如圖1所示，將實驗型別分為綜合演示實驗、基礎實驗和綜合設計實驗。為了激起學生學習興趣，首先向學生演示一個物聯網綜合系統，讓學生對整個實驗效果有個整體的把握;其次再對系統中的各個實驗進行操作，由於學生剛接觸感測器節點，入手比較困難，這裡採用先講解主要介面函式和方法，在此基礎上對其進行更改並完成相應的功能;最後，要求學生將所學到的知識綜合到一起，完成一個綜合型實驗，透過zigbee無線通訊完成網路拓撲的繪製以及對各個感測器節點資訊顯示。
1、綜合演示實驗。
作為物聯網通訊技術課程的第一個實驗，主要目的讓學生對本課程有個整體的瞭解，激起學生學習的興趣，因此在這個實驗中，首先需要向學生介紹各個感測器節點的組成和作用，以及軟體開發環境IAR，使學生對實驗開發環境有所瞭解，在此基礎上演示“物聯網綜合演示系統”，此演示系統可在PC機上透過zigbee技術對感測器節點進行管理和維護，透過數字和圖表的方式，可多方位顯示無線感測網的狀態及控制感測網上的裝置。
2.基礎實驗。
對於物聯網通訊技術的實驗需要在實驗箱上完成，各高校配備的實驗箱不同，每種實驗箱都有不同的核心板、不同的程式，但是基本原理是一致的。這裡我們在硬體上使用CC2530作為實現嵌入式Zigbee應用的片上系統，學生需要在掌握CC2530工作原理的基礎上，完成前兩個基礎實驗，實現節點的串列埠通訊和無線通訊。
首先利用CC2530實現串列埠通訊，由於許多實驗的結果需要在PC機上顯示，需要透過串列埠線將資料從感測器節點傳到PC機串列埠，在這個實驗中學生透過按感測器節點上不同的按鍵向PC機傳送不同資料，同樣，PC機也可透過串列埠線向感測器節點傳送不同命令;其次利用CC2530的無線通訊功能，完成兩個或者多個感測器節點互傳資料的功能，可令一個感測器節點作為傳送端，傳送操作命令，另一個感測器節點作為接收端接收命令完成相應功能。
由於物聯網通訊技術主要以講解短距離、低成本、低功耗的zigbee無線通訊技術為主，這裡利用TI公司提供的Z-Stack協議棧完成相應無線通訊實驗。學生在掌握了Z-Stack協議棧的體系結構後，利用協議棧中提供的各種介面函式，完成相應的功能。首先利用Z-Stack完成感測器節點間的通訊以及串列埠通訊，由於有CC2530做基礎，這個實驗掌握起來要容易些;另外利用Z-Stack實現星狀網路，獲取節點的網路地址形成網路拓撲，為後續實驗做好鋪墊。
3.綜合設計實驗。
為了是實驗內容更豐富，這裡首先引用一個或多個感測器模組，進行資料採集，可將此部分的功能直接提供給學生，因為在後續的感測器原理課程中還要詳細講解資料採集的原理。有了這些基礎實驗，學生可完成一個綜合性實驗，可利用Z-Stack無線通訊，將各個感測器節點採集到的資料以無線方式傳送到協調器，協調器透過串列埠通訊傳到主機，在主機上對相應資訊進行顯示以及繪製網路拓撲，與此同時，主機可透過串列埠向感測器節點發送各種命令，完成控制功能。
(二)加強實驗教學師資隊伍建設
物聯網工程專業作為新興專業，很多都是新技術，物聯網通訊技術涵蓋的內容又很廣泛，需要教師不斷地學習和探討，為此可定期組織教師集體備課，討論理論課和實驗課的主要教學內容以及之間銜接問題。另外也可聘請有實際經驗、有一定教學能力的企業技術人員對學生和教師進行實驗培訓，激發學生學習興趣，提高教師業務水平。
(三)完善實驗室建設
物聯網通訊技術實驗課所需的實驗裝置主要包括各種感測器節點，這些部件具有體積小、易攜帶、易損壞等特性。因此，要對這些節點進行很好的'管理，每位學生固定使用某些部件，可把這些部件貼上相應的標籤，另外，需要配備額外的節點供學生使用，一是為了及時更換損壞的節點，二是供學生課後使用。也可設定開放實驗室的時間，增加學生實踐動手的時間和機會，充分發揮學生主觀能動性和創新性，實現理論與實踐的有機結合。
(四)創新實驗教學模式與考核制度
物聯網通訊技術實驗涉及的內容比較多，對學生的要求也很高，考慮到每個學生的基礎不同，這裡採用以小組為單位的實驗教學。在一個小組中可能有的同學理論基礎很紮實，有的同學程式設計能力比較強，這樣他們可以互相學習，儘快地掌握相應技術，即培養了學生的合作能力，又提高了實驗教學的效果。
對於成績分佈方面，物聯網通訊技術課程的總成績應由理論成績和實驗成績兩部分組成，這裡需要增加實驗成績的比例，提高學生對實驗的重視程度，實驗成績至少需要站總成績的30%。對於實驗專案的考核，應更加註重學生的實際動手和研發能力，要杜絕複製抄襲的現象，為此不能採用傳統的考核方式，需要制定新的考核方法。
對於學生的每個實驗專案，應該從各個方面進行評價，包括實驗課的課前預習情況、實驗專案的執行情況和學生實際解決能力，對於在實驗過程中勇於創新的學生，可將其實驗專案作為範本進行演示，這樣既給優秀學生提供了展示自己的機會，又大大激勵了其他學生學習的興趣。
物聯網通訊技術課程作為物聯網工程專業主幹課程，物聯網通訊技術實驗課程作為硬體綜合設計實驗的基礎，其實驗效果直接影響後續課程的開展，為了進一步提高學生實踐動手能力，我們需要在實踐中不斷探索、總結經驗，建立起一套完善的實驗教學體系。本文針對物聯網通訊技術實驗教學環節中存在的不足，從實驗教學內容、實驗師資建設、實驗室建設、實驗教學模式和考核方面進行了分析，希望能為各高校物聯網通訊技術課程提供一些參考。