基于工程教育認(rèn)證的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程改革研究

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(duì)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(duì)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(gè)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(wú)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(wú)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(jī)》課程講解。課程重點(diǎn)在無(wú)線zigbee通信技術(shù)、藍(lán)牙、wifi、RFID、以及長(zhǎng)距離的移動(dòng)通信技術(shù)。作為計(jì)算機(jī)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(wèn)題，在不開設(shè)《信號(hào)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)種類繁多教學(xué)難度大。Zigbee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)采用的是51內(nèi)核的CC2530芯片，藍(lán)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(duì)于上學(xué)期剛接觸單片機(jī)的低年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，如此短時(shí)間內(nèi)從51單片到2530再到M3、M4實(shí)現(xiàn)平臺(tái)跨越難以做到平穩(wěn)過(guò)渡，學(xué)習(xí)難度很大。最后學(xué)生學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候只能把代碼下載到設(shè)備，簡(jiǎn)單的看一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。達(dá)不到使用無(wú)線技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目的教學(xué)目的。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)理論教學(xué)支撐力度不夠大，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)通信協(xié)議原理的驗(yàn)證不夠，開發(fā)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)占比不合理。實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)也不夠科學(xué)，教師評(píng)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(wèn)題逐步推進(jìn)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(shí)和問(wèn)題分析能力和設(shè)計(jì)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(jìn)

課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面改革，嚴(yán)格以產(chǎn)出為導(dǎo)向。通過(guò)理論調(diào)整內(nèi)容、降低學(xué)習(xí)門檻，采用先進(jìn)的仿真教學(xué)手段。將整個(gè)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(gè)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(shí)。將《信號(hào)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(jìn)行合理的刪減、壓縮。使學(xué)生對(duì)通信的基本概念、組成、原理有簡(jiǎn)單的了解，可以很好的過(guò)渡到后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)。課程內(nèi)容重點(diǎn)放在物聯(lián)網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議分析，通過(guò)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(wú)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(wú)線zigbee通信技術(shù)、藍(lán)牙、wifi、RFID作為主要協(xié)議分析的對(duì)象。長(zhǎng)距離的移動(dòng)通信技術(shù)原理內(nèi)容課時(shí)上相應(yīng)有所壓縮。總體第二部分課時(shí)共計(jì)二十四學(xué)時(shí)。課程第三部分技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域介紹共六學(xué)時(shí)，我們?cè)谌娼榻B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(shí)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(gè)銜接鋪墊。整體上課程不再以底層信號(hào)分析為重點(diǎn)，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(jìn)、直觀的教學(xué)手段，引進(jìn)交互性更強(qiáng)的虛擬仿真的教學(xué)模式

現(xiàn)在比較常用的無(wú)線通信技術(shù)有藍(lán)牙、Zigbee、WiFi、紅外技術(shù)等等。每一種通信技術(shù)都有自己獨(dú)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(gè)教學(xué)活動(dòng)的重點(diǎn)，當(dāng)然也是教學(xué)的難點(diǎn)。由于感知層通信協(xié)議種類繁多，課時(shí)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(wú)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(dòng)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(qiáng)的仿真教學(xué)軟件-----Packet Tracer。通過(guò)最新的7.2.2版本可以實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備隨時(shí)隨地驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)。增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感和學(xué)習(xí)興趣。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革主要措施

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革圍繞著硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整合、改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、消減代碼閱讀量、引進(jìn)先進(jìn)的仿真手段與物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)理論教學(xué)的支撐力度，改綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為可運(yùn)行原型設(shè)計(jì)開發(fā)這幾個(gè)方面展開。

早先的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上都是圍繞著各種無(wú)線通信協(xié)議或協(xié)議棧的使用，通過(guò)已有的協(xié)議棧或工程文件根據(jù)自己的需求進(jìn)行二次開發(fā)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中無(wú)線通信技術(shù)Zigbee、藍(lán)牙、wifi等各種硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，每種技術(shù)都需要結(jié)合具體的芯片來(lái)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(huì)使學(xué)生迷失在技術(shù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)中。通過(guò)代碼了解通信原理、理解協(xié)議棧會(huì)使是學(xué)生挫敗感增強(qiáng)，許多學(xué)生甚至?xí)?duì)編程產(chǎn)生恐懼，不利于學(xué)生進(jìn)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(duì)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行整合、盡量選用TI公司的CC系列的芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)通信。然后又對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了較大調(diào)整。將通信協(xié)議驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)比例提高，降低實(shí)驗(yàn)難度的同時(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性。將以前簡(jiǎn)單使用協(xié)議棧開發(fā)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)改為演示為主的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)理論教學(xué)的支撐力度，降低了代碼閱讀量。

例如在zigbee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先由實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建、協(xié)議棧工程代碼下載安裝的演示，然后對(duì)工程代碼按模塊進(jìn)行功能講解。對(duì)各種協(xié)議棧以及使用的小型嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)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(kù)文件形式提供。學(xué)生無(wú)法通過(guò)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(guò)程。為了更好的對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證，我們采用數(shù)據(jù)包分析的方式。由學(xué)生通過(guò)zigbee嗅探器進(jìn)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(diǎn)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)ZIgbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)zigbee網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制和分配算法進(jìn)行相應(yīng)的原理驗(yàn)證。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)zigbee實(shí)驗(yàn)中我們突出工作原理的驗(yàn)證，通過(guò)全程使用官方例程減輕學(xué)生動(dòng)手編代碼環(huán)節(jié)，由實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行功能講解，降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)難度。將代碼編寫開發(fā)部分實(shí)驗(yàn)放到后續(xù)《物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)》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(shí)增加了zigbee_Sensor_Monitor軟件的使用，使實(shí)驗(yàn)更加直觀，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

改硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)為仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，改程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為原型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。使用Packet Tracer可以輕松的進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)原型的分析、測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)邏輯漏洞。培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)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(yǔ)言，以及類似于scratch的圖形化編程語(yǔ)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(jì)。

2.4 考核方面的改革

理論考核方面優(yōu)化完善題庫(kù)，把現(xiàn)有的以試卷為單位的試卷庫(kù)，逐步改進(jìn)成以各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的多題型試題庫(kù)。實(shí)驗(yàn)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(shí)和問(wèn)題分析能力和設(shè)計(jì)開發(fā)能力。因此驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大量減少，考核內(nèi)容重心放在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、故障診斷、排除等環(huán)節(jié)上?？己耸侄我策M(jìn)行了多元化。以往實(shí)驗(yàn)考核手段屬于結(jié)果性考核手段，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)考核結(jié)果主觀因素太多，不利于對(duì)實(shí)驗(yàn)全面、科學(xué)的考核量化。使用Packet Tracer自帶的考試系統(tǒng)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟可以設(shè)置相應(yīng)分值，讓教師方便對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全面綜合評(píng)價(jià)。全面考查學(xué)生工程實(shí)踐設(shè)計(jì)能力和故障診斷排除能力。同時(shí)也可以對(duì)每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)考核數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)考核檔案化。

3. 總結(jié)

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

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