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摘要：面向深化新工科建设目标，以一款自主研制开发的融合物联网多种有无线通信技术标准的通信板对物联网工程专业“物联网通信技术”核心课程进行教学改革，有机地结合了物联网通信系统理论和通信技术实践。通过精心组织理论知识框架，设计工程实践项目，提高了学生的积极性和动手能力，效果良好。
关键词：物联网；有线通信；无线通信；教学改革
本文引用格式：潘勇,等.面向深化新工科建设目标“物联网通信技术”课程教学改革与实践[J].教育现代化,2020,7(45):64-66.
Teaching Reform and Practice of"Internet of Things Communication Technology"for Deepening the Goal of New Engineering Construction
PAN Yong,HOU Zi-ye,GAO Zi-lin,XIONG Jiang
(Chongqing Three Gorges University,Chongqing)
Abstract:facing the goal of deepening the construction of new engineering,the teaching reform of"Internet of things communication technology"core course of Internet of things engineering is carried out with a self-developed communication board integrating multiple wireless communication technology standards of Internet of things,which organically combines the theory and practice of Internet of things communication system.Through elaborately organizing theoretical knowledge framework and designing engineering practice projects,the enthusiasm and practical ability of students are improved,and the effect is good.
Key words:Internet of things;Wired communication;Wireless communication;Teaching reform
一 引言
2019年12月，教育部在深化新工科建设座谈会上指出在总结前期新工科实践的基础上，研讨第二批新工科研究与实践项目指南，以项目牵引研究与实践，实现新工科建设扎扎实实由1.0向2.0跨越[1-3]。可见新工科建设已经进入深水区、攻坚区，需从“轰轰烈烈”的理念倡导和顶层设计走向“扎扎实实”的推进落实和质量提升。物联网工程是一个具有极强应用背景的新工科专业，其综合了电子信息工程、计算机科学与技术、通信工程、网络工程专业知识体系，具备多专业融合的特点。当前物联网领域的创新既有理论和技术标准的演进，也有重大应用的发展。如何体现应用型本科特点，切实推动新工科建设从顶层设计到执行落实，是高校教师的重大课题。需要教师创造性的将教育部新工科建设思想结合各自学校实际，在一门门课程中去落实，去做出成效。
感知技术、嵌入式计算机技术和通信技术是物联网的三大核心支撑技术。物联网产业经过十余年的发展，作为核心支撑技术之一的物联网通信技术在有线和无线两大领域分别形成了各自固定的技术标准，这些标准得到了市场的检验，已经被广泛接受和应用。芯片生产商、设备制造商的产品均兼容这些标准。有线通信技术方面，工业有线网络多采用RS232和RS485标准，这两种标准在软件开发上基本一致，只是在硬件芯片和线路设计上有所区别。全球计算机等智能设备的有线网络功能由Internet承担，是绝对的主流通信网络技术。无线通信技术方面，分为短距离和长距离，长距离无线通信是传统的卫星通信和移动通信领域，通信必须在国家构筑的以上两类骨干通信网上完成，其中移动通信需要付费。短距离无线通信由于其应用背景的多样性和应用环境的复杂性，曾短暂出现了“百家争鸣”的现象，但经过市场的检验和淘汰，逐步稳定在蓝牙、WiFi、Zigbee和Nordic四种通信标准。而且每种标准都有自己特定的应用领域。蓝牙标准应用主要集中在耳机，音箱，键盘，鼠标等计算机外设方面。Zigbee标准应用主要集中在工业低功耗监控网络方面。Nordic标准集成了物理层和链路层，链路层以上开发完全开源，在智能设备，如智能家电、机器人等方面应用广泛，同时在工业领域也是Zigbee的替代方案之一。WiFi作为Intenet无线端的表达，应用最为广泛，是民用计算机设备的方向，但功耗较高一直是WiFi的弱点，所以工业领域应用不多。“物联网通信技术”当前是全国各大高校物联网工程专业的必修课，一般在大三开设，其先修课程为信号与系统、通信原理、单片机原理及应用、电磁场与电磁波、微波与天线技术。学生通过此课程的学习能够整合物联网通信系统理论知识，具备物联网通信应用系统分析、设计与测试的能力[4]。随着4G通信技术向5G通信技术的过渡，新通信芯片的采用，课程本身也要与时俱进，不断更新。
为了凸显“物联网通信技术”课程的实用性、交叉性与综合性，改善教学效果，提高学生工程应用能力。笔者结合多年教学和实际工程经验，自主研制开发了一款融合物联网多种有无线通信技术标准的物联网通信平台，围绕通信平台精心组织理论知识框架，设计工程实践项目，达到综合学科知识，激发学生积极性，提高学生动手能力的目的。
二 课程教学内容体系改革
“物联网通信技术”课程作为物联网核心技术课，必须包含当前物联网通信系统开发、设计过程中得到广泛应用和市场承认的主流通信技术。当前物联网主流通信技术可分为物联网有线通信技术和物联网无线通信技术。物联网无线通信技术又可分为短距离无线通信技术和长距离无线通信技术。根据以上分类，在授课中突出理论和实践结合，整合课程教学内容安排，以一款自主研制开发的物联网多通信技术标准平台为基础组织理论知识和实践项目。融合当前物联网有线通信技术的RS232和Internet标准，物联网无线通信技术中短距离无线通信的蓝牙、WiFi、Zigbee和Nordic标准，物联网无线通信技术中长距离无线通信的卫星通信（GPS）和移动通信（GPRS）标准。该平台基本涵盖了当前工程应用中所有主流有线和无线通信技术标准。在教学中，我们将该平台命名为物联网通信板[5]。通信板结构如图1所示。
课程教学按照先有线后无线，无线按照先短距离再长距离的顺序讲授。对应到技术标准，即先RS232和Internet，然后蓝牙、WiFi、Zigbee、Nordic、GPS、GPRS。基础数理知识为技术实现服务。由于现在的物联网通信系统早已实现微型化、集成化、智能化和模块化，在单片机为控制核心的基础上，各种通信模块可以跟单片机接口，单片机通过1Wire，I2C，SPI和UART串行标准就可以驱动。因此在完成技术标准和传输协议讲授以后，重点讲授一款得到市场检验和广泛应用的通信芯片及模块，模块寄存器及其与单片机的接口与编程[6]。
三实践教学内容体系改革
以自主研制开发的融合多种有无线通信技术标准的物联网通信板为基础，重新设计工程实践项目，强调综合性设计性实验。学生从自行焊接通信板开始，掌握焊接技能，掌握芯片封装和芯片选型，打造一个自己的实验平台。其后按照有线技术、短距离无线通信技术和长距离无线通信技术的顺序完成有线网络、网页查询、多标准星型拓扑无线数据网络、GPS定位系统和移动呼叫系统。实验教学内容与要求如表1所示。
四教学方式和考核方式改革
“物联网通信技术”教学方式强调理论紧密联合实际，不再采用大多数高校理论课和实验课分离，实验室专用电脑和实验箱组合做实验的形式。学生课上自带笔记本电脑和通信板，教师在理论知识和技术应用讲授结束后立刻指导学生进行实验。学生先完成通信板焊接并熟悉通信板电路原理图，编程和下载工具软件均指导学生安装在自己的笔记本电脑上，学生经此熟悉了工具软件的安装和使用。理论讲授结束立即实践，避免了遗忘和脱节，老师可以对编程和调试实时进行指导，马上就实验中出现的共性问题进行讲解，提高了教学效率。对动手能力逐渐提高的学生实时引导，肯定优点，指出不足，让学生体会成就感，激发学习兴趣。通信板平台只有手掌大小但功能齐全，方便携带，下课后可继续带走开发。学生开发过程从课上延伸到课下，不再限定在实验室才能进行实验。可以随时验证自己的设计思想和进行系统调试。
“物联网通信技术”考核方式采用课程设计的形式。课程设计提出一个更加综合的设计题目。即实现一个控制方面以单片机为核心，信息传输使用融合多种通信方式的拓扑自选的通信网络。该网络要融合物联网短距离和长距离通信技术，实现自组织，自适应短距离无线数据通信网络对长距离因特网络、卫星通信网络及移动通信网络的无缝接入。共同完成面向某个实际应用的功能解决方案。但具体应用背景由学生自行调研提出，学生根据自己的创意，在前期实验基础上设计具备一定工程价值的物联网通信系统。比如家居安全远程追踪系统、室内有害气体监控净化系统、物联网农业冷库储存管理系统等。课程设计分组完成，一组4人，学生自行分配硬件调试，软件调试，系统综合调试和系统演示任务。考核时需现场演示系统运行结果，并确定以下评分标准：系统硬件电路合理，焊点美观，硬件运行稳定；通信系统软件设计合理，结果显示直观，通信数据收发准确，网络运行正常；达到以上标准即可评为良好及以上。创意应用方案可作加分处理。
五教学改革效果
教学改革实施了三届，通过课后反馈来看，学生普遍表达了对本门课教学方式的喜欢，产生了对专业的兴趣。理论知识跟当前生活中的技术密切相关不枯燥，能够马上得到应用并实现相应通信功能，学生的成就感得到很大满足。其中的杰出学生，以此课程为依托，开发设计的相关作品获得中国大学生计算机设计大赛全国一等奖、三等奖及省级奖项多项。多数学生反映在此门课程上获得了物联网通信技术专业知识和工程基本训练。对物联网通信领域求职打下了工程技术基础。其面对企业招聘所做的本科项目描述即为本课程的综合课程设计。总之，通过改革，学生在学习过程中大大提高了积极性和主观能动性，提高了物联网通信系统硬件调试能力和软件编程能力。
参考文献
[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017(3):1-6.
[2]顾佩华.新工科与新范式:概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究,2017(6):1-13.
[3]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究,2017(2):26-35.
[4]董荣胜“.新工科”背景下“计算机科学导论”课程建设初探[J].工业和信息化教育,2018(4):6-11.
[5]刘克江.基于个人实验板的单片机教学改革探究[J].教育现代化,2018(31):75-78.
[6]潘勇.新工科背景下物联网“射频识别”与“无线传感网络”课程教学改革与实践[J].教育现代化,2018(52):58-60.
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