物聯網工程專業實驗課程教學改革研究

潘桃桃 羅旭

摘要：物聯網工程專業經過幾年的發展，專業課程體系基本成型，由于其融合了多個領域的相關知識，是一門實踐性非常強的學科。然而，在一般教學環節中，很多院校開展理論教學較多，實踐環節由于缺乏相應的實驗設備支撐開展較少，使得學生很難將理論知識融會貫通并應用到實踐中。針對該現狀，將提出利用半實物仿真實驗平臺，對物聯網系統集成實驗進行整合，通過虛擬設備與現實實驗儀器相結合的方式，讓學生可以理論聯系實際，提高解決問題的能力。虛擬儀器可以脫離實物單獨運行，學生能夠擺脫實驗室的束縛，在任何地點都能夠方便地進行實驗。

關鍵詞：物聯網;實驗教學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0162-02

1 概述

物聯網是利用射頻識別技術（RFID）、無線傳感技術、智能處理與云計算等技術，將物體與互聯網連接，使得物體之間能夠進行信息傳輸、通信、指令收發等，以實現對物體的識別、定位、跟蹤、控制和管理等功能的網絡[1-2]。近年來，物聯網應用越來越廣泛，諸如智能家居、智慧醫療、智能電網、自動駕駛等都是其成功應用的代表。

物聯網技術涉及很多相關領域的知識，如模擬電路、數字電路、射頻識別技術理、條碼識別、無線傳輸技術、網絡技術等[3]，這些理論知識需要相關的實驗才能很好地融會貫通，從而被學生所接受。因此，在本次教學改革中，著重提出利用實驗室現有的實驗資源，讓學生以主動的、實踐的方式，將各個課程進行有機聯系，最終以綜合的培養方式使學生在工程實踐、團隊協作等方面達到物聯網工程專業的預定目標。

2 問題及挑戰

2.1 專業課程教學內容分散

目前，很多院校已經設立了物聯網相關專業，并且開設了一系列專業課程，諸如《RFID原理及應用》《無線傳輸技術》《JAVA語言編程》《數據庫原理》《高級程序設計》等課程。這些課程通常由不同的教師進行授課，教師之間相互溝通不夠，導致學生學完一門課程之后僅能完成本門課的相關內容，而不能將其與其他課程相關聯，使得學生在學習過程中不能完全理解與消化分散、凌亂的知識點，達不到教學目的。

2.2 實驗器材陳舊，教學內容缺乏創新

物聯網工程專業實驗較多，然而在教學環節中大多注重理論教學，實驗與理論存在一定程度的分離[4]。隨著物聯網技術的飛速發展，新的技術和新的設備在不斷地更新迭代，但是由于某些實驗器材較為昂貴，一些院校沒有充足的資金購買最新的實驗器材，導致現有的實驗教學儀器較陳舊、單一。在實驗課程教學上，相應的內容缺乏創新，多年不變，很多實驗所用到的技術或者設備早已被淘汰。在這種情況下很難調動學生的積極性和挑戰性，并且使得學生就業時不具備專業優勢，在以后的工作中不能與最新的技術銜接，還要經過較長的時間去適應新的工作內容。

2.3 考核方式簡單，沒有突出層次性

物聯網工程的課程考核多以期末理論考試成績加平時課堂成績的方式進行，實驗部分基本不考核或者占比很小，且理論考試多為固定題庫，學生通過死記硬背的方式就能輕松地通過考核，因此拉不開層次差距，而且不考核實驗部分更是造成了學生對實踐動手能力的輕視，不重視實驗課程。 然而作為工程性、實踐性很強的專業，單純的理論考核方式達不到教學目的。要達到學以致用的目的，需要依托良好的實驗環境，通過完善的實驗體系設計，使學生掌握物聯網的核心知識，并可以通過實驗加以驗證，最終能夠獨立地設計和開發物聯網相關項目。

3 解決方案

3.1 完善任課教師內部溝通機制

高校專業課程通常情況下由相應的老師專門負責，不同課程之間缺乏有效的溝通機制，使得教學環節不成體系，學生在學習過程中時常感覺到知識點散亂，往往學完一門課程僅為了通過考核，之后就沒有再去將其與其他課程聯系。因此，任課教師應該建立定期溝通機制，討論學生的學習進度;同時定期開展教學相長會，了解學生的學習狀態，根據這些情況調整自己的授課內容，將不同課程進行串聯，最終朝著一個目標共同努力。

3.2 改進實驗內容，引入虛擬儀器降低實驗實施難度與成本

大力加強實驗課程建設是本次教學改革的重點，物聯網專業實驗室必須定期增加和更新實驗設備，以適應物聯網技術的飛速發展。實驗過程中引入適當的虛擬儀器則能夠降低實驗實施的難度和成本，本次教學改革中物聯網專業實驗室采用了現實儀器和虛擬儀器相結合的方式來搭建。實驗室總體架構如圖1所示。圖1中的各類設備由現實儀器和虛擬儀器組成。實驗中的所有設備都以TCP/IP協議的形式與應用服務器進行通訊，其中RFID設備經過RS232、RS485等串口轉以太網模塊接入到交換機中。環境監測設備采用無線的方式進行連接，圖形設備（條形碼、二維碼生成與掃碼設備）同樣通過串口轉以太網模塊接入到交換機中，最后將整個網絡接入到互聯網中，實現了各個設備之間到數據交流和遠程訪問到需求。

搭建好半實物仿真平臺后，還應根據學生層次對實驗教學內容細分，具體分為基礎性實驗、綜合實驗以及創造性實驗，圖4列出了部分實驗項目，基礎性實驗中包含中心工作頻率為125KHz的RFID設備讀寫實驗、中心工作頻率為13.56MHz，且工作協議為ISO/IEC14443-A與ISO/IEC15693的高頻設備讀寫實驗、工作頻率為860-960MHz的超高頻RFID設備讀寫實驗以及工作頻率為2.4GHz的有源RFID設備讀寫實驗等;綜合實驗包含基于125K電子標簽的門禁管理系統綜合實驗、基于15693電子標簽的會議簽到管理系統綜合實驗，該部分不僅要使用到基礎性實驗的基本操作，還需要涉及Sql Server數據庫等相關領域的一些簡單知識;創造性實驗主要包含基于超高頻RFID的車輛計數系統設計實驗、基于2.4G有源RFID的資產管理系統設計實驗，在這部分中僅介紹了該類應用的概述、功能性需求、非功能性等，沒有給出詳細的設計流程，供部分學生進行選做，學生可以進一步熟練掌握一些常見的RFID設備窗體應用程序編寫與數據庫操作，更重要的是能夠培養學生獨立思考與工程設計的能力。上述實驗主要涉及C#程序開發、Java程序設計、數據庫原理、RFID原理、條碼識別技術、無線傳輸技術等，這些課程學生在前期已經學習過，通過項目的開發能夠將各個分散的知識點進行整合，從而真正地消化吸收。另外實驗過程中可以采取分組的方式將學生劃分為若干個項目組，每一個小組負責一個創造性實驗，小組中的每一個成員負責項目的其中一部分，以加強學生的實踐能力與團隊協助能力，從思想上加強學生對實驗課重要性的認識。

3.3 多種考核方式并舉

對于可以進行實驗操作的課程，考核方式不應該只限于理論考試的單一方式，應該將實驗課程按比例添加到總成績中去，可以根據學生平時實驗完成情況進行分層次的考核，如能夠完成前文所述創造性實驗的學生應有相應的加分;同時，也可以開展一次實驗課程答辯會，根據學生實驗完成情況和答辯情況進行相應的評分，通過這些方式能夠讓學生體驗到成功的快樂和自豪，將大大提升學生的學習積極性和創造性，同時也能拉開課程考核層次。

4 結語

在物聯網工程專業教學改革中，必須借助先進的教學理念和教學方式，利用多種教學手段，保障教學水平。特別是在2020-2021春季學期期間，高校學生普遍不能到校上課，高校教師通常采取互聯網授課的方式對學生進行授課，但是其中的實踐部分很多課程無法開展，只能進行純理論教學。通過引入本文介紹的仿真平臺就能夠脫離實驗室開展實驗，學生能夠自主地進行實驗，與授課教師進行在線溝通，進一步激發了學生的求知欲和探索精神，同時通過建立討論小組的方式使得教師和學生在教與學的過程中相互促進，也提升了授課教師的科研能力。本次教學改革實踐將物聯網工程專業眾多實驗課程進行了整合，大大激發了學生的學習興趣，提高了學生的實踐能力、創新能力和團隊協助能力，進而提高了物聯網工程專業相關課程的教學質量和水平。

參考文獻：

[1] 唐小平，李靖云.新工科建設背景下物聯網專業課程教學改革的研究與實踐[J].智庫時代，2019（48）：181-182.

[2] 竇易文，張麗平，劉三民，等.物聯網安全課程教學改革研究[J].牡丹江教育學院學報，2019（8）：50-52.

[3] 張策，呂為工，柏軍，等.面向全棧人才培養的軟件工程專業物聯網課程教學改革與實踐[J].計算機教育，2019（2）：23-26.

[4] 劉偉，劉亞榮，李卓，等.《無線傳感器網絡》實驗課程教學改革探析[J].科技視界，2019（32）：58-59.

【通聯編輯：王力】