基于工程教育认证的物联网通信技术课程改革研究

苏广

【摘要】各大学专业工程认证认证的核心工作是课程建设。针对物联网工程专业的《物联网通信技术》课程现状做了分析并对课程改革做了一些有益的探索，将以产出为导向理念贯穿到教学考核等各个环节。

【关键词】物联网通信技术;Packet Tracer;工程教育认证

1. 物联网通信技术课程教学现状

现如今常见的物联网通信技术大体上分为无线技术和有线技术。物联网通信技术课程重心定位在物联网无线通信技术，有线通信技术例如485总线、can总线等放入物联网通信技术的先修课《单片机》课程讲解。课程重点在无线zigbee通信技术、蓝牙、wifi、RFID、以及长距离的移动通信技术。作为计算机类的物联网专业开设《物联网通信技术》普遍存在先修课程开设不足的问题，在不开设《信号系统》 《通信原理》等课程的情况下，学生学习物联网通信技术普遍感到吃力。实验平台种类繁多教学难度大。Zigbee组网实验采用的是51内核的CC2530芯片，蓝牙技术使用的是TI的CC2640  BLE5.0模块MCU，Wifi使用的是ARMcortex-M4 核心的CC3200。虽然都使用的是TI公司的系列芯片，但对于上学期刚接触单片机的低年级学生来说，如此短时间内从51单片到2530再到M3、M4实现平台跨越难以做到平稳过渡，学习难度很大。最后学生学生做实验的时候只能把代码下载到设备，简单的看一下实验结果。达不到使用无线技术开发项目的教学目的。实验内容对理论教学支撑力度不够大，实验内容对通信协议原理的验证不够，开发设计型实验占比不合理。实验考核环节也不够科学，教师评判主观性较大。

2. 教学改革内容措施

专业建设就是课程建设。课程改革必须在保障现有教学秩序的条件下全局角度考虑问题逐步推进课程改革。改革紧扣物联网工程专业培养目标和毕业要求，使学生具备基本的工程知识和问题分析能力和设计开发能力。我们从教学内容、教学手段、考核方式等方面入手。

2.1 理论教学内容改进

课程内容设计方面改革，严格以产出为导向。通过理论调整内容、降低学习门槛，采用先进的仿真教学手段。将整个课程内容分成通信基础、物联网通信技术协议分析、技术应用领域三个部分。在物联网通信技术课程中适量增加通信原理的知识。将《信号系统》 《通信原理》这些物联网通信技术先修课内容进行合理的删减、压缩。使学生对通信的基本概念、组成、原理有简单的了解，可以很好的过渡到后续知识的学习。课程内容重点放在物联网通信体系结构、协议分析，通过各种协议的讲解使学生了解常见通信技术的原理。由于物联网通信系统主要包括感知层通信和核心承载网通信，其中感知层的通信技术基本上以低功耗短距离无线通信为主，也是物联网通信的核心技术，所以我们选取短距离无线zigbee通信技术、蓝牙、wifi、RFID作为主要协议分析的对象。长距离的移动通信技术原理内容课时上相应有所压缩。总体第二部分课时共计二十四学时。课程第三部分技术应用领域介绍共六学时，我们在全面介绍各种应用领域的基础上，侧重于各种行业背景知识和需求分析讲解，为学生后续开发课程学习做一个衔接铺垫。整体上课程不再以底层信号分析为重点，侧重于通信协议中上层的工作原理。

2.2 理論教学采用先进、直观的教学手段，引进交互性更强的虚拟仿真的教学模式

现在比较常用的无线通信技术有蓝牙、Zigbee、WiFi、红外技术等等。每一种通信技术都有自己独特的通信规范也就是协议。协议作为通信技术的核心，自然通信协议的学习、分析也就成了整个教学活动的重点，当然也是教学的难点。由于感知层通信协议种类繁多，课时又十分有限，在理论教学中只能侧重基本原理的讲解，这就使得学生学习难度增大，经常感到枯燥无味。改变“满堂灌”、“教师讲，学生听”教学模式，不能单纯使用ppt、动画演示等手段。为了增加学生学习兴趣，我们采用了交互性更强的仿真教学软件-----Packet Tracer。通过最新的7.2.2版本可以实现多种通信技术仿真。并且学生可以脱离复杂的实验设备随时随地验证所学理论知识。增加了学生学习的成就感和学习兴趣。

2.3 实验教学改革主要措施

实验教学改革围绕着硬件实验平台整合、改变实验教学内容、消减代码阅读量、引进先进的仿真手段与物联网通信实验平台相结合，增强实验教学对理论教学的支撑力度，改综合设计实验为可运行原型设计开发这几个方面展开。

早先的实验内容基本上都是围绕着各种无线通信协议或协议栈的使用，通过已有的协议栈或工程文件根据自己的需求进行二次开发。在实验教学过程中无线通信技术Zigbee、蓝牙、wifi等各种硬件实验平台无法统一实现，每种技术都需要结合具体的芯片来讲解，都有相当数量的技术文档和程序代码需要阅读。这样会使学生迷失在技术实现的细节中。通过代码了解通信原理、理解协议栈会使是学生挫败感增强，许多学生甚至会对编程产生恐惧，不利于学生进一步的学习工程应用开发。这也不符合工程教育认证的宗旨。

我们首先对硬件实验平台进行整合、尽量选用TI公司的CC系列的芯片实现无线组网通信。然后又对实验教学内容进行了较大调整。将通信协议验证型实验比例提高，降低实验难度的同时增强实验的趣味性。将以前简单使用协议栈开发的设计型实验改为演示为主的验证性实验，通过抓包工具分析数据包的方式了解协议工作原理，增强实验教学对理论教学的支撑力度，降低了代码阅读量。

例如在zigbee无线通信技术实验教学中，首先由实验教师进行实验平台搭建、协议栈工程代码下载安装的演示，然后对工程代码按模块进行功能讲解。对各种协议栈以及使用的小型嵌入式操作系统进行原理型概要讲解。由于Zstack协议栈属于一种非完全开源的通信协议栈，反应zigbee工作原理的文件都以库文件形式提供。学生无法通过解读代码的方法全面透彻的了解zigbee设备的组网、路由等工作过程。为了更好的对理论知识的验证，我们采用数据包分析的方式。由学生通过zigbee嗅探器进行数据包抓取，观察zigbee协调器、路由器以及终端节点组网及数据转发过程。除了抓包分析应该相应的结合TI官方zigbee_Sensor_Monitor 软件实时动态观测ZIgbee网络的拓扑结构，对zigbee网络地址分配机制和分配算法进行相应的原理验证。在无线网络通信技术zigbee实验中我们突出工作原理的验证，通过全程使用官方例程减轻学生动手编代码环节，由实验教师进行功能讲解，降低了学生的实验难度。将代码编写开发部分实验放到后续《物联网工程设计》课程中，更加符合学习规律。在抓包分析数据的同时增加了zigbee_Sensor_Monitor软件的使用，使实验更加直观，增加了学生的学习兴趣。

改硬件平台实现为仿真环境下实现，改程序设计实现为原型设计实现。使用Packet Tracer可以轻松的进行物联网系统原型设计，通过对原型的分析、测试可以发现设计逻辑漏洞。培养学生解决问题的能力。利用Packet Tracer丰富的物联网设备，可以轻松构建各种物聯网系统。仿真软件还支持自定义设备。自定义设备开发使用比较流行的python语言，以及类似于scratch的图形化编程语言。编程能力较为差的大二学生都可以快速上手开发设计。

2.4 考核方面的改革

理论考核方面优化完善题库，把现有的以试卷为单位的试卷库，逐步改进成以各章节知识点的多题型试题库。实验考核改革紧扣培养目标和毕业要求，使学生具备基本的工程知识和问题分析能力和设计开发能力。因此验证性实验内容大量减少，考核内容重心放在设计性实验、故障诊断、排除等环节上。考核手段也进行了多元化。以往实验考核手段属于结果性考核手段，缺乏对实验过程进行评价。实验考核结果主观因素太多，不利于对实验全面、科学的考核量化。使用Packet Tracer自带的考试系统，每个实验步骤可以设置相应分值，让教师方便对整个实验过程进行全面综合评价。全面考查学生工程实践设计能力和故障诊断排除能力。同时也可以对每个学生实验考核数据进行保存，便于实现实验考核档案化。

3. 总结

通过理论课程内容调整进一步复合培养目标，实验课程采用zigbee_Sensor_Monitor 、Packet Tracer等仿真软件做到虚拟现实相结合，培养了学生原型设计能力、故障诊断排除能力。将依赖C语言的程序开发部分内容从实验课程合理分离到后续《物联网工程设计》课程中，降低物联网通信技术对其他先修课程的依赖性。加强实验课程对理论教学的支撑作用。完善过程性考核与结果性考核评价，过程性考核进一步提高。理论考核以知识的综合运用为主，实验考核以综合性与创新性考核为主。通过以上措施全面提高了课程建设质量。

参考文献：

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[2]吕兴凤，陆军，徐辉.“物联网通信技术”课程实验教学探究

[J]黑龙江教育（高教研究与评估），2016（5）：32-33.

[3]文力 曾小波.基于Packet Tracer 仿真环境的项目化教学改革与实践[J]. 教学组织管理