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

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)實際案例導入到《物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術》課程及實訓中，對課程教學改革提出這4個方面的要求：教學目標明確、教學內(nèi)容豐富、教學手段靈活、評價方案創(chuàng)新。通過引入真實項目案例的教學改革與原來的教學現(xiàn)狀進行對比，發(fā)現(xiàn)存在的問題，不斷調(diào)整和改進物聯(lián)網(wǎng)課程的教學目標和方案。通過教改課程實施兩年后，學生實踐能力提升、教學質(zhì)量提高、行業(yè)認可度增強。

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

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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。2022年3月中共江西省委、江西省人民政府印發(fā)了《關于推進農(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)村防災減災能力；把移動物聯(lián)網(wǎng)的占比提到了一定的高度。”

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，充分借助學院優(yōu)勢，積極開展產(chǎn)學研合作、科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化、智力支持與咨詢服務、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)基礎薄弱，恰逢百年難遇的干旱天氣導致農(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)實際案例導入到《物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術》課程中，通過真實項目案例對比教學現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問題，不斷調(diào)整和改進物聯(lián)網(wǎng)課程的教學目標和方案，達到提高教學效果。

1 課程教學改革整體框架

1.1 教學目標明確

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

1.2 教學內(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生特點的項目案例。針對當代大學生個人能力較強，團隊協(xié)作能力不足的特征，拓展出團隊完成有點難度的案例，激發(fā)學生的學習興趣。通過引入“職業(yè)院校技能大賽”“挑戰(zhàn)杯大學生課外學術科技作品競賽”“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”讓教學內(nèi)容更加豐富。

1.3 教學手段靈活

課程引入提問展開式、競賽與評比、角色扮演、頭腦風暴、模擬訓練、參觀訪問、連線物聯(lián)網(wǎng)工程師、連線智慧農(nóng)業(yè)技術員、實時查看智慧農(nóng)業(yè)狀況等多樣性教學環(huán)節(jié)，多種教學手段運用，一改以往的傳統(tǒng)教學方式，增加了課堂的趣味性和互動性，激發(fā)學生的活力，提高了課堂效率。如圖1所示，為學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，通過實時查看農(nóng)業(yè)監(jiān)測情況，激發(fā)同學們對物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術的學習興趣[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，以學生、教師、師傅為“三內(nèi)主體”的評價模式是通過教學督導對課堂教學效果、專業(yè)知識掌握和學習綜合素質(zhì)等進行評價，以基地、企業(yè)、市場為“三外主體”，對實踐教學成效、專業(yè)技能訓練和崗位職業(yè)素養(yǎng)等進行評價，構建多維度評價模式。

2 課程教學改革內(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，物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎、模擬電路、數(shù)字電路、常見元器件、Proteus仿真、傳感器技術、單片機技術。課程的情景二：安排嵌入式微控制器CC2530的初階學習——輸入輸出控制。課程的情景三：安排嵌入式微控制器CC2530的中階學習——中斷控制。課程的情景四：安排嵌入式微控制器CC2530的中階學習——定時器應用。課程的情景五：安排嵌入式微控制器CC2530 的高階學習——串口通信。課程的情景六：安排嵌入式微控制器CC2530的高階學習——數(shù)模轉(zhuǎn)換。課程的情景七：安排嵌入式微控制器CC2530的高階學習——點對點開發(fā)。課程的情景八：安排嵌入式微控制器CC2530 的綜合進階學習—— 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)應用實訓單元設計——智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的灌溉技術噴灌、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。通過帶領學生了解農(nóng)業(yè)灌溉技術目前存在的諸多缺點，適當?shù)匾牖谖锫?lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)技術方面的知識，提出基于ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)技術的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設計整體框架。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。引入物聯(lián)網(wǎng)嵌入式課程的核心技術——基于ZigBee無線傳感網(wǎng)的課程。包括：CC2530單片機I/O端口的使用方法；CC2530中斷系統(tǒng)結構、中斷源以及外部中斷的使用方法；CC2530單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器的使用方法；PC機通過串口發(fā)送字符控制下位機的方法；CC2530單片機AD轉(zhuǎn)換模塊的使用方法；這幾個學習單元的知識。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)應用實訓單元設計——農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)設計

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動需要準確地掌握天氣情況，利用物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術對農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)進行教學單元設計，設計基Basic RF 傳輸協(xié)議的多對一組網(wǎng)通信設計。學生在學習完Basic RF點對點開發(fā)后，在教師的指導下完成本教學單元的設計[4]。

本教學單元設計采用4人為一小組，每人負責一個模塊進行設計，其中組長負責協(xié)調(diào)器設計。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)絡的終端節(jié)點，負責采集溫濕度數(shù)據(jù)連同本機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)絡的終端節(jié)點，負責采集光照度數(shù)據(jù)連同本機地址一起打包通過無線發(fā)送給路由。3） 路由：負責接收傳感器節(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)絡的核心，負責與電腦PC機的串口連接。通過把接收到的數(shù)據(jù)封裝成特點網(wǎng)關數(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，由學生4人一小組，設計出農(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。學院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)將繼續(xù)深化教學改革，不斷完善課程體系和教學方法，以適應物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展和行業(yè)需求的變化。同時，學院也希望與更多的企業(yè)和機構合作，共同推動物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術的發(fā)展和應用。通過此次教學改革活動取得的教學成果如下：1） 學生實踐能力提升。通過教改，學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)嵌入式技術的開發(fā)流程和應用技巧，能夠獨立完成嵌入式系統(tǒng)設計和開發(fā)工作。2） 教學質(zhì)量提高。教改使教學質(zhì)量得到了顯著提高。學生對物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術的理解和掌握更加深入，教學內(nèi)容更加豐富，教學成效顯著。同時，學生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力也得到了提升。3） 行業(yè)認可度增強。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)教學和實訓活動的，學生的實際應用能力得到了行業(yè)的認可。許多學生在實訓期間就得到了企業(yè)的青睞，順利實現(xiàn)了就業(yè)。

參考文獻：

[1] 周文武，宋巧玲，吳旭東.基于Android的物聯(lián)網(wǎng)智慧園區(qū)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術，2022，18（36）：53-55.

[2] 葉蘭蘭，鄭忠發(fā)，吳旭東.物聯(lián)網(wǎng)技術在圖書館環(huán)境系統(tǒng)中的應用[J].內(nèi)江科技，2022，43（12）：39-40.

[3] 周文武，宋巧玲，吳旭東.物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧農(nóng)業(yè)中的應用[J].南方農(nóng)機，2023，54（10）：71-73.

[4] 夏俊濤，畢小梅，吳旭東.數(shù)據(jù)挖掘技術在高校教學平臺中的應用[J].數(shù)字技術與應用，2023，41（8）：114-116.

【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》課程改革”（JXJG-22-56-3） ；2023 年江西省教育科學“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）