物联网工程专业实验课程教学改革研究

潘桃桃 罗旭

摘要：物联网工程专业经过几年的发展，专业课程体系基本成型，由于其融合了多个领域的相关知识，是一门实践性非常强的学科。然而，在一般教学环节中，很多院校开展理论教学较多，实践环节由于缺乏相应的实验设备支撑开展较少，使得学生很难将理论知识融会贯通并应用到实践中。针对该现状，将提出利用半实物仿真实验平台，对物联网系统集成实验进行整合，通过虚拟设备与现实实验仪器相结合的方式，让学生可以理论联系实际，提高解决问题的能力。虚拟仪器可以脱离实物单独运行，学生能够摆脱实验室的束缚，在任何地点都能够方便地进行实验。

关键词：物联网;实验教学;教学改革

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）26-0162-02

1 概述

物联网是利用射频识别技术（RFID）、无线传感技术、智能处理与云计算等技术，将物体与互联网连接，使得物体之间能够进行信息传输、通信、指令收发等，以实现对物体的识别、定位、跟踪、控制和管理等功能的网络[1-2]。近年来，物联网应用越来越广泛，诸如智能家居、智慧医疗、智能电网、自动驾驶等都是其成功应用的代表。

物联网技术涉及很多相关领域的知识，如模拟电路、数字电路、射频识别技术理、条码识别、无线传输技术、网络技术等[3]，这些理论知识需要相关的实验才能很好地融会贯通，从而被学生所接受。因此，在本次教学改革中，着重提出利用实验室现有的实验资源，让学生以主动的、实践的方式，将各个课程进行有机联系，最终以综合的培养方式使学生在工程实践、团队协作等方面达到物联网工程专业的预定目标。

2 问题及挑战

2.1 专业课程教学内容分散

目前，很多院校已经设立了物联网相关专业，并且开设了一系列专业课程，诸如《RFID原理及应用》《无线传输技术》《JAVA语言编程》《数据库原理》《高级程序设计》等课程。这些课程通常由不同的教师进行授课，教师之间相互沟通不够，导致学生学完一门课程之后仅能完成本门课的相关内容，而不能将其与其他课程相关联，使得学生在学习过程中不能完全理解与消化分散、凌乱的知识点，达不到教学目的。

2.2 实验器材陈旧，教学内容缺乏创新

物联网工程专业实验较多，然而在教学环节中大多注重理论教学，实验与理论存在一定程度的分离[4]。随着物联网技术的飞速发展，新的技术和新的设备在不断地更新迭代，但是由于某些实验器材较为昂贵，一些院校没有充足的资金购买最新的实验器材，导致现有的实验教学仪器较陈旧、单一。在实验课程教学上，相应的内容缺乏创新，多年不变，很多实验所用到的技术或者设备早已被淘汰。在这种情况下很难调动学生的积极性和挑战性，并且使得学生就业时不具备专业优势，在以后的工作中不能与最新的技术衔接，还要经过较长的时间去适应新的工作内容。

2.3 考核方式简单，没有突出层次性

物联网工程的课程考核多以期末理论考试成绩加平时课堂成绩的方式进行，实验部分基本不考核或者占比很小，且理论考试多为固定题库，学生通过死记硬背的方式就能轻松地通过考核，因此拉不开层次差距，而且不考核实验部分更是造成了学生对实践动手能力的轻视，不重视实验课程。 然而作为工程性、实践性很强的专业，单纯的理论考核方式达不到教学目的。要达到学以致用的目的，需要依托良好的实验环境，通过完善的实验体系设计，使学生掌握物联网的核心知识，并可以通过实验加以验证，最终能够独立地设计和开发物联网相关项目。

3 解决方案

3.1 完善任课教师内部沟通机制

高校专业课程通常情况下由相应的老师专门负责，不同课程之间缺乏有效的沟通机制，使得教学环节不成体系，学生在学习过程中时常感觉到知识点散乱，往往学完一门课程仅为了通过考核，之后就没有再去将其与其他课程联系。因此，任课教师应该建立定期沟通机制，讨论学生的学习进度;同时定期开展教学相长会，了解学生的学习状态，根据这些情况调整自己的授课内容，将不同课程进行串联，最终朝着一个目标共同努力。

3.2 改进实验内容，引入虚拟仪器降低实验实施难度与成本

大力加强实验课程建设是本次教学改革的重点，物联网专业实验室必须定期增加和更新实验设备，以适应物联网技术的飞速发展。实验过程中引入适当的虚拟仪器则能够降低实验实施的难度和成本，本次教学改革中物联网专业实验室采用了现实仪器和虚拟仪器相结合的方式来搭建。实验室总体架构如图1所示。图1中的各类设备由现实仪器和虚拟仪器组成。实验中的所有设备都以TCP/IP协议的形式与应用服务器进行通讯，其中RFID设备经过RS232、RS485等串口转以太网模块接入到交换机中。环境监测设备采用无线的方式进行连接，图形设备（条形码、二维码生成与扫码设备）同样通过串口转以太网模块接入到交换机中，最后将整个网络接入到互联网中，实现了各个设备之间到数据交流和远程访问到需求。

搭建好半实物仿真平台后，还应根据学生层次对实验教学内容细分，具体分为基础性实验、综合实验以及创造性实验，图4列出了部分实验项目，基础性实验中包含中心工作频率为125KHz的RFID设备读写实验、中心工作频率为13.56MHz，且工作协议为ISO/IEC14443-A与ISO/IEC15693的高频设备读写实验、工作频率为860-960MHz的超高频RFID设备读写实验以及工作频率为2.4GHz的有源RFID设备读写实验等;综合实验包含基于125K电子标签的门禁管理系统综合实验、基于15693电子标签的会议签到管理系统综合实验，该部分不仅要使用到基础性实验的基本操作，还需要涉及Sql Server数据库等相关领域的一些简单知识;创造性实验主要包含基于超高频RFID的车辆计数系统设计实验、基于2.4G有源RFID的资产管理系统设计实验，在这部分中仅介绍了该类应用的概述、功能性需求、非功能性等，没有给出详细的设计流程，供部分学生进行选做，学生可以进一步熟练掌握一些常见的RFID设备窗体应用程序编写与数据库操作，更重要的是能够培养学生独立思考与工程设计的能力。上述实验主要涉及C#程序开发、Java程序设计、数据库原理、RFID原理、条码识别技术、无线传输技术等，这些课程学生在前期已经学习过，通过项目的开发能够将各个分散的知识点进行整合，从而真正地消化吸收。另外实验过程中可以采取分组的方式将学生划分为若干个项目组，每一个小组负责一个创造性实验，小组中的每一个成员负责项目的其中一部分，以加强学生的实践能力与团队协助能力，从思想上加强学生对实验课重要性的认识。

3.3 多种考核方式并举

对于可以进行实验操作的课程，考核方式不应该只限于理论考试的单一方式，应该将实验课程按比例添加到总成绩中去，可以根据学生平时实验完成情况进行分层次的考核，如能够完成前文所述创造性实验的学生应有相应的加分;同时，也可以开展一次实验课程答辩会，根据学生实验完成情况和答辩情况进行相应的评分，通过这些方式能够让学生体验到成功的快乐和自豪，将大大提升学生的学习积极性和创造性，同时也能拉开课程考核层次。

4 结语

在物联网工程專业教学改革中，必须借助先进的教学理念和教学方式，利用多种教学手段，保障教学水平。特别是在2020-2021春季学期期间，高校学生普遍不能到校上课，高校教师通常采取互联网授课的方式对学生进行授课，但是其中的实践部分很多课程无法开展，只能进行纯理论教学。通过引入本文介绍的仿真平台就能够脱离实验室开展实验，学生能够自主地进行实验，与授课教师进行在线沟通，进一步激发了学生的求知欲和探索精神，同时通过建立讨论小组的方式使得教师和学生在教与学的过程中相互促进，也提升了授课教师的科研能力。本次教学改革实践将物联网工程专业众多实验课程进行了整合，大大激发了学生的学习兴趣，提高了学生的实践能力、创新能力和团队协助能力，进而提高了物联网工程专业相关课程的教学质量和水平。

参考文献：

[1] 唐小平，李靖云.新工科建设背景下物联网专业课程教学改革的研究与实践[J].智库时代，2019（48）：181-182.

[2] 窦易文，张丽平，刘三民，等.物联网安全课程教学改革研究[J].牡丹江教育学院学报，2019（8）：50-52.

[3] 张策，吕为工，柏军，等.面向全栈人才培养的软件工程专业物联网课程教学改革与实践[J].计算机教育，2019（2）：23-26.

[4] 刘伟，刘亚荣，李卓，等.《无线传感器网络》实验课程教学改革探析[J].科技视界，2019（32）：58-59.

【通联编辑：王力】