《物聯網技術導論》課程實驗教學初探

劉穎+郭娜+張兵

摘 要：從《物聯網技術導論》實驗課程的現狀入手，研究了《物聯網技術導論》實驗課程內容、實驗教學方法與手段、以及實驗考核等方面的內容，以便拋磚引玉，為更好地進行實驗教學服務。

關鍵詞：物聯網技術導論；實驗教學；實驗考核

中圖分類號：TP393；G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0091-02

0 引 言

物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后的第三次信息浪潮。2009年8月溫家寶總理在無錫考察傳感網產業發展時提出“感知中國”后，物聯網的探索逐漸成為國家戰略。2010年3月底，教育部批準30所高校第一批開設物聯網工程專業，沒有物聯網專業的學校也相繼開設了物聯網相關的課程。我校于2010年招生時就將物聯網及相關課程加入了計算機科學技術、網絡工程專業的培養方案，并于本學期首次開設了《物聯網技術導論》課程。本課程的特點是理論性強，通過實驗課加強學生對于物聯網理論內容的理解，才能很好地培養學生分析問題、解決問題的能力和專業實踐能力，加強實踐教學是培養應用型人才的重要途徑。研究《物聯網技術導論》課程的實驗內容，對培養物聯網應用人才具有重大的意義。

1 研究現狀及存在問題

《物聯網技術導論》是本學期為2010級計算機科學技術專業新開設的一門專業任選課。課程的目標是使學生可以對物聯網技術的相關知識有一個全面、系統的認識；具備規劃設計與構建出一些簡單的物聯網應用系統的能力；具備運用理論知識解決實際問題的基本素質。

現在開設物聯網課程的學校很多，主要從理論上講解物聯網中的無線傳感器網絡、RFID（射頻識別）技術等，項目組對市面上的物聯網技術課程及實驗的教材及幾個學校的實驗教學做了調查，主要發現有以下幾個問題：

1.1 課程內容差異很大，實驗內容不統一

物聯網是一個相對比較新的技術，很多理論還沒有完全沉淀下來，形成非常統一的理論體系。不同的學校不同的教材講授的內容有很大差異，相對于實驗內容也就有不同的安排。

1.2 開設的專業不同，實驗內容的重點不一

物聯網技術是一個綜合性比較強的新技術，涉及到計算機技術、通信技術、自動控制技術等，造成了不同專業都開物聯網課程的現狀。通信技術相關專業講解的重點在于物聯網通信傳輸、通信協議分析等，自動控制相關專業講解的重點在于物聯網芯片的研究設計等。計算機相關專業講解的重點在于物聯網相關算法、應用開發等。開設專業的不同，導致了實驗內容的重點不一。如北京科技術大學王志良教授出版的實訓教程[1]有大量的硬件設計指導等。

1.3 不同學校配備的實驗箱不同，實驗操作不一致

對于物聯網課程的實驗大部分都是基于實驗箱進行操作的，不同的學校配備的實驗箱基本都不同。每種實驗箱都有不同的核心板，不同的程序，操作起來都有自己的步驟[2]。本系關于物聯網的實驗箱共有3套，即使是同一種類型的實驗，軟硬件環境，實驗效果也都不同，這也給實驗的選擇、融合帶來一定的難度。

1.4 學生層次不同，實驗內容的難易度設置問題

物聯網實驗需要大量的硬件編程基礎，這些基礎都是通過以前課程的學習積累的。有的學生基礎好些，如果實驗內容過淺，就不能滿足學生對知識的渴望，設置過難又使基礎不好的學生失去信心。

基于以上問題的分析，我們在實驗內容的選擇上要以符合專業需求為主要方向，找出實驗教學的重點，體現實驗的層次性等，為培養物聯網方向的應用人才奠定基礎。

2 實驗內容研究

主要研究《物聯網技術導論》課程的基礎實驗與應用實驗內容，以符合專業需求為導向，整合現有實驗箱實驗的基礎上，在各個實驗中擬設置選學內容，以滿足不同層次學生的要求，同時為學生深入學習物聯網相關課程打下堅實基礎。

擬選取以下6組實驗：

（1）建立實驗環鏡

實驗為1學時，主要是認識實驗設備，安裝配置IAR、KeilC開發環境。

（2）數據感知實驗

實驗為3學時，主要物聯網感知層的實驗，包括溫濕度傳感器、超聲波傳感器、酒精傳感器的實驗，使學生通過各種傳感器感知信號及編程方法。選學內容設置為光電傳感器、壓力傳感器。

（3）ZigBee組網實驗

實驗為4學時，主要是讓學生熟悉ZigBee協議棧原理、工作流程，掌握點對點、星狀網通信原理及相關程序應用分析。選學內容為樹狀通信實驗等。

（4）網關通信實驗

實驗為2學時，使學生掌握網關上各種通信接口如串口，網口、GPRS的使用及程序分析修改。

（5）認識RFID系統實驗

實驗為2學時，使學生掌握RFID 的基本原理，學會RFID 模塊的使用方法及相關程序分析。選學內容為超高頻RFID模塊分析等。

（6）物聯網應用實驗

實驗為4學時，是物聯網應用層的實驗，主要是對智能家居系統、智能超市系統和智能倉儲系統從系統功能、架構、原理上進行分析，并通過各種模擬系統進行實際分析等。選學內容為智能農業等。

實驗的總學時為16學時，我們的重點放在無線傳感器網和物聯網應用上。

3 實驗教學方法與手段

3.1 啟發式教學

為了培養學生的創新能力，激發學生學習興趣，改變以往填鴨式教學方法，在實驗中，先講解實驗內容和實驗要求等基本內容后，再將本次實驗的結果展示出來，然后引導學生觀察、發現問題，由教師以點撥、提問和探討的方式加以解決。實驗中根據學生的實際情況，這種變學生被動為主動參與的教學方法在調動學生的學習主動性及創新能力的培養上均收到了良好的效果。

3.2 層次教學

根據實驗教學的進度和實驗深度要求的不同，把實驗分成不同的層次，有助于引導學生由淺入深地學習。在物聯網實驗教學中分成兩個方面的層次。

第一個層次，是從必學到選學將實驗內容分成必學和選學，必學是所有學生都要學習的內容。選學內容是對本實驗更有興趣的學生學習的內容。

第二個層次，是將必修實驗再分為使用、驗證分析、綜合設計3個層次。

在教學前期適合于做一些使用層次要求的實驗，如建立實驗環鏡、傳感器和ZigBee網等， 通過全面使用物聯網系統使學生對傳感器、ZigBee等操作有全面的感性認識。 在有一定的操作和理論基礎時可做驗證分析層次的實驗，從外部觀察驗證傳感器、ZigBee的原理、編程、實現過程。如學完進程就可通過在實際的操作系統上編程使用系統調用來觀察操作系統的進程調度結果，并根據結果分析不同的調度策略。 在驗證分析的基礎上就可做設計實現層次的實驗，要求學生在模擬操作系統上自己編程實現操作系統的功能模塊，并觀察自己所設計的功能模塊的工作情況。讓學生對物聯網功能有一個使用、探索驗證、自己設計逐步深入的學習過程。

4 實驗考核

考試是引導學生學習、了解教師教學效果的一個重要方法。許多高校計算機科學技術專業硬件課程實驗教學和課堂教學的比例超過20%，但學生的成績僅憑試卷考試來確定，忽略了實驗教學成績，這是不全面的。因此需要完善學生成績評定，充分調動學生對實驗教學的積極性，達到學生實驗動手能力的成績在總評成績中占一定比例。在平時的實驗教學中，應該告知學生實驗成績在總評成績中的比例，要求學生重視實驗報告，啟發學生創新思維，鼓勵學生認真總結實驗經驗，杜絕抄襲他人現象。幾年來在計算機科學技術專業硬件實驗教學成績占課程總評成績的20%～30%是比較恰當的。

5 結 語

本文對《物聯網技術導論》實驗課程的內容、實驗教學方法與手段、實驗考核等方面所作的分析，可為高校建設物聯網技術導論課程提供一些參考。物聯網技術導論的實驗教學是培養實用性和創新性的高素質物聯網技術人才的重要途徑和手段。因此，實驗教學是當前需要認真研究和探討的問題。

參 考 文 獻

[1]王志良，王新平. 物聯網工程實訓教程：實驗案例和習題解答[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]魏曉寧. 物聯網實驗教學初探[J]. 計算機時代， 2011（10）：49-53.

[3]劉云浩. 物聯網導論[M].北京：科學出版社， 2010.

[4]吳功宜. 物聯網工程導論[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5]徐勇軍. 物聯網實驗教程[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]趙國安. 物聯網/傳感網實驗教程[M].北京：科學出版社， 2011.

[7]王志良，王粉花. 物聯網工程概論[M].北京：機械工業出版社，2011.