鄉(xiāng)村振興背景下的高職《物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)》課程教學(xué)改革探析

摘要：文章首先通過鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，然后引出校地合作，通過智慧農(nóng)業(yè)實際案例導(dǎo)入到《物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)》課程及實訓(xùn)中，對課程教學(xué)改革提出這4個方面的要求：教學(xué)目標(biāo)明確、教學(xué)內(nèi)容豐富、教學(xué)手段靈活、評價方案創(chuàng)新。通過引入真實項目案例的教學(xué)改革與原來的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)存在的問題，不斷調(diào)整和改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)課程的教學(xué)目標(biāo)和方案。通過教改課程實施兩年后，學(xué)生實踐能力提升、教學(xué)質(zhì)量提高、行業(yè)認(rèn)可度增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；ZigBee；STM32

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0158-03

0 引言

鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略是習(xí)近平同志在2017年10月18日在黨的十九大報告中提出的國家戰(zhàn)略。十九大報告指出，“三農(nóng)”問題是關(guān)系國計民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作的重中之重，我們要舉全黨全社會之力共同推進(jìn)。2022年3月中共江西省委、江西省人民政府印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村高質(zhì)量發(fā)展奮力打造新時代鄉(xiāng)村振興樣板之地的意見》，在奮力打造保障糧食等重要農(nóng)產(chǎn)品供給的樣板中指出：“提高農(nóng)業(yè)科技和裝備水平；提高鄉(xiāng)村防災(zāi)減災(zāi)能力；把移動物聯(lián)網(wǎng)的占比提到了一定的高度?！?/p>

在鄉(xiāng)村振興的背景下，江西陶瓷工藝美院發(fā)揮高校在教育、科研和人才優(yōu)勢，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供智力支持和創(chuàng)新動力，于2022年6月3日與浮梁縣勒功鄉(xiāng)簽署校地產(chǎn)業(yè)共建協(xié)議，充分借助學(xué)院優(yōu)勢，積極開展產(chǎn)學(xué)研合作、科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化、智力支持與咨詢服務(wù)、產(chǎn)業(yè)互動、社會實踐和文化傳承與創(chuàng)新等活動。在校地產(chǎn)業(yè)共建中發(fā)現(xiàn)勒公鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，恰逢百年難遇的干旱天氣導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。經(jīng)過實地走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該鄉(xiāng)目前較缺乏優(yōu)良菌菇，為此鄉(xiāng)政府劃出田地，作為智慧農(nóng)業(yè)育苗實驗地，實施物聯(lián)網(wǎng)改造，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)、智慧灌溉系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)。通過智慧農(nóng)業(yè)實際案例導(dǎo)入到《物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)》課程中，通過真實項目案例對比教學(xué)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問題，不斷調(diào)整和改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)課程的教學(xué)目標(biāo)和方案，達(dá)到提高教學(xué)效果。

1 課程教學(xué)改革整體框架

1.1 教學(xué)目標(biāo)明確

本課程教學(xué)改革以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為教學(xué)改革的方向，圍繞學(xué)生職業(yè)能力培養(yǎng)的核心目標(biāo)，融合課程特色，以“真實項目為導(dǎo)向”“任務(wù)為驅(qū)動”“問題解決”作為學(xué)習(xí)活動的主線，理論學(xué)習(xí)與真實項目有機(jī)融合，把課程的教學(xué)目標(biāo)劃分為知識、能力和素質(zhì)3個維度，重點培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作和獨立解決問題的能力[1]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容豐富

根據(jù)課程大綱要求，將智慧農(nóng)業(yè)案例與課程內(nèi)容相互融合，制定出一套適合于新時代高職學(xué)生特點的項目案例。針對當(dāng)代大學(xué)生個人能力較強(qiáng)，團(tuán)隊協(xié)作能力不足的特征，拓展出團(tuán)隊完成有點難度的案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過引入“職業(yè)院校技能大賽”“挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”“互聯(lián)網(wǎng)+ 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“全國、全省職業(yè)技能大賽”讓教學(xué)內(nèi)容更加豐富。

1.3 教學(xué)手段靈活

課程引入提問展開式、競賽與評比、角色扮演、頭腦風(fēng)暴、模擬訓(xùn)練、參觀訪問、連線物聯(lián)網(wǎng)工程師、連線智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)員、實時查看智慧農(nóng)業(yè)狀況等多樣性教學(xué)環(huán)節(jié)，多種教學(xué)手段運(yùn)用，一改以往的傳統(tǒng)教學(xué)方式，增加了課堂的趣味性和互動性，激發(fā)學(xué)生的活力，提高了課堂效率。如圖1所示，為學(xué)院與某智能科技公司聯(lián)合開發(fā)的《智慧農(nóng)業(yè)——大數(shù)據(jù)可視化展示平臺》，用于日常教學(xué)，通過實時查看農(nóng)業(yè)監(jiān)測情況，激發(fā)同學(xué)們對物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣[2]。

1.4 評價方案創(chuàng)新

創(chuàng)新建立“三主體、多維度”的評價模式，以學(xué)生、教師、師傅為“三內(nèi)主體”的評價模式是通過教學(xué)督導(dǎo)對課堂教學(xué)效果、專業(yè)知識掌握和學(xué)習(xí)綜合素質(zhì)等進(jìn)行評價，以基地、企業(yè)、市場為“三外主體”，對實踐教學(xué)成效、專業(yè)技能訓(xùn)練和崗位職業(yè)素養(yǎng)等進(jìn)行評價，構(gòu)建多維度評價模式。

2 課程教學(xué)改革內(nèi)容介紹

課程的情景一：安排了物聯(lián)網(wǎng)工程師必備的基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路、常見元器件、Proteus仿真、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)。課程的情景二：安排嵌入式微控制器CC2530的初階學(xué)習(xí)——輸入輸出控制。課程的情景三：安排嵌入式微控制器CC2530的中階學(xué)習(xí)——中斷控制。課程的情景四：安排嵌入式微控制器CC2530的中階學(xué)習(xí)——定時器應(yīng)用。課程的情景五：安排嵌入式微控制器CC2530 的高階學(xué)習(xí)——串口通信。課程的情景六：安排嵌入式微控制器CC2530的高階學(xué)習(xí)——數(shù)模轉(zhuǎn)換。課程的情景七：安排嵌入式微控制器CC2530的高階學(xué)習(xí)——點對點開發(fā)。課程的情景八：安排嵌入式微控制器CC2530 的綜合進(jìn)階學(xué)習(xí)—— 物聯(lián)網(wǎng)綜合農(nóng)業(yè)項目[3]。

2.1 基于智慧農(nóng)業(yè)行業(yè)應(yīng)用實訓(xùn)單元設(shè)計——智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的灌溉技術(shù)噴灌、滴灌、穴灌、溝灌等，其中噴灌是借助水泵和管道，將自然水源噴灑至空中，使其形成水霧降落至植物上，滴灌是利用管道將水送到作物的根部處，而穴灌是借助移動運(yùn)水工具澆灌植株根部的土壤。對于水資源短缺與需水量逐年增加之間矛盾逐漸顯著。通過帶領(lǐng)學(xué)生了解農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)目前存在的諸多缺點，適當(dāng)?shù)匾牖谖锫?lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)方面的知識，提出基于ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計整體框架。該方案采用溫濕度、光照度、二氧化碳、氧氣等專業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。引入物聯(lián)網(wǎng)嵌入式課程的核心技術(shù)——基于ZigBee無線傳感網(wǎng)的課程。包括：CC2530單片機(jī)I/O端口的使用方法；CC2530中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中斷源以及外部中斷的使用方法；CC2530單片機(jī)內(nèi)部定時/計數(shù)器的使用方法；PC機(jī)通過串口發(fā)送字符控制下位機(jī)的方法；CC2530單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換模塊的使用方法；這幾個學(xué)習(xí)單元的知識。通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)，使用CC2530微控制器實現(xiàn)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集，利用ZigBee無線進(jìn)行無線組網(wǎng)來控制各種執(zhí)行器，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的智慧控制。圖2為學(xué)生實地安裝土壤溫濕度傳感器。

2.2 基于智慧農(nóng)業(yè)行業(yè)應(yīng)用實訓(xùn)單元設(shè)計——農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動需要準(zhǔn)確地掌握天氣情況，利用物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)對農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)單元設(shè)計，設(shè)計基Basic RF 傳輸協(xié)議的多對一組網(wǎng)通信設(shè)計。學(xué)生在學(xué)習(xí)完Basic RF點對點開發(fā)后，在教師的指導(dǎo)下完成本教學(xué)單元的設(shè)計[4]。

本教學(xué)單元設(shè)計采用4人為一小組，每人負(fù)責(zé)一個模塊進(jìn)行設(shè)計，其中組長負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器設(shè)計。模塊包括ZigBee中的協(xié)調(diào)器、路由和兩個傳感器節(jié)點。如圖2所示為整個無線網(wǎng)絡(luò)的邏輯圖所示：1） 傳感器節(jié)點一：溫濕度節(jié)點，是整個網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點，負(fù)責(zé)采集溫濕度數(shù)據(jù)連同本機(jī)地址一起打包通過無線發(fā)送給路由。2） 傳感器節(jié)點二：光照度節(jié)點，是整個網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點，負(fù)責(zé)采集光照度數(shù)據(jù)連同本機(jī)地址一起打包通過無線發(fā)送給路由。3） 路由：負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝成“傳感數(shù)據(jù)消息”通過無線發(fā)射給下一層的協(xié)調(diào)器。4） 協(xié)調(diào)器：整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)與電腦PC機(jī)的串口連接。通過把接收到的數(shù)據(jù)封裝成特點網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)報格式，通過電腦的串口上報數(shù)據(jù)，如圖3所示。

如圖4所示，由學(xué)生4人一小組，設(shè)計出農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)，包括溫濕度和光照電壓兩個數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論與展望

通過對該課程教改取得了顯著的成果，為培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新精神的物聯(lián)網(wǎng)人才奠定了基礎(chǔ)。學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)將繼續(xù)深化教學(xué)改革，不斷完善課程體系和教學(xué)方法，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和行業(yè)需求的變化。同時，學(xué)院也希望與更多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)合作，共同推動物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。通過此次教學(xué)改革活動取得的教學(xué)成果如下：1） 學(xué)生實踐能力提升。通過教改，學(xué)生的實踐能力得到了顯著提升。他們在實踐中能夠熟練掌握物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的開發(fā)流程和應(yīng)用技巧，能夠獨立完成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工作。2） 教學(xué)質(zhì)量提高。教改使教學(xué)質(zhì)量得到了顯著提高。學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的理解和掌握更加深入，教學(xué)內(nèi)容更加豐富，教學(xué)成效顯著。同時，學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力也得到了提升。3） 行業(yè)認(rèn)可度增強(qiáng)。通過與行業(yè)對接，與企業(yè)合作，對開展了豐富多彩的農(nóng)業(yè)教學(xué)和實訓(xùn)活動的，學(xué)生的實際應(yīng)用能力得到了行業(yè)的認(rèn)可。許多學(xué)生在實訓(xùn)期間就得到了企業(yè)的青睞，順利實現(xiàn)了就業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

基金項目：2022 年江西省高校教改一般課題“鄉(xiāng)村振興背景下的《物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)》課程改革”（JXJG-22-56-3） ；2023 年江西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃一般課題“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下職業(yè)院校人才培育路徑研究”（23GZYB105）