车联网系统线下一流课程建设研究

谷志茹　黄晓峰　胡久松　李军军

摘  要：车联网系统是湖南工业大学省级双一流专业信息工程重点建设的一门专业核心课程，该课程有40课时的理论课程与3周的综合课程设计，其课程教学目标旨在培养能够解决复杂工程问题的应用人才，其教学内容融入学科专业前沿技术，使用高水平教材，重视现代化教学手段运用，教学方法灵活多样，有效提升了学生学习兴趣和参与度，形成了特色鲜明的教学模式。

关键词：线下一流;教学模式;研究性学习;培养目标

中图分类号：G640 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）05-0026-04

Abstracts： Internet of Vehicles System is a professional core course for the key construction of the information engineering of the provincial double first-class professional of Hunan University of Technology. The course has a 40 class hours theoretical and 3-weeks integrated curriculum design， it's teaching goal is to cultivate the applied talents who can solve complex engineering problems， it's teaching content integrates into the frontier technology of discipline and specialty， uses high-level textbooks， pays attention to the use of modern teaching methods， and the teaching methods are flexible and diverse， which effectively enhances students' interest and participation in learning， and forms a distinctive teaching mode.

Keywords： first class offline; model of instruction; inquiry learning; educational objectives

以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻落实党的十九大精神，全面贯彻党的教育方针，全面落实立德树人根本任务，准确把握高等教育基本规律和人才成长规律，以“回归常识、回归本分、回归初心、回归梦想”为基本遵循，主动适应国家发展战略和区域经济社会发展需求，以提高质量为主线，以改革创新为动力，以内涵发展和特色发展为方向，面向国家“未来交通发展战略”的重大需求，依托株洲先进轨道交通装备产业的技术创新优势，湖南工业大学与中车株洲电力机车研究所联合开设信息工程专业，打造“产业学院”交通工程学院。旨在面向“交通信息”装备产业的交通智能信息处理、交通网络与通信、车载电子电器等领域，培养具备自主学习、工程意识及解决复杂工程问题能力的创新性应用人才。该专业是湖南省新工科研究与实践试点专业，是学校“交通信息”特色专业群的核心专业。车联网系统是为高年级学生开设的，实施“多元化”教学方法和“多层次”质量评价标准的一门课程，学习本课程应达到如下知识和能力：

（1）基于无线通信的基础知识， 可对车联网方面的应用需求进行分析， 提出相应的解决方案， 对短程和中程无线网络链路进行设计， 并可对设计方案的性能效果进行评估。

（2）能将通信、信息、网络及电子技术的知识综合应用，以实现复杂工程系统设计、分析，以培养解决复杂工程问题的能力。

3周综合课程设计的具体要求如下。

（1）ZigBee通信模块设计：熟悉ZigBee协议栈架构，能够快速阅读并理解相关标准。掌握应用可编程接口（API）工作原理，会组建ZigBee网络，并配置广播、组播和多播通信方式，并掌握智能车联网所传输信息及格式。

（2）实现智能小车和智能设施对车联网信息的恰当处理策略：对所收到的控制指令（如停车，开/关路灯等）进行响应; 对所收到的相关数据（如小车ID，环境光照度）进行分析，并根据策略自动响应（执行相应操作，或对信息作出应答）。

（3）自学物联网的MQTT协议，自学网络数据AES加密算法，在Github上寻找恰当的开源工程，以此为基础，进行PC机上的物联网上位軟件开发，从而实现通过智能网关与上述智能车联网网络进行通信。为用户提供良好的图形化用户界面，通过MQTT协议读取车联网中传输的数据和指令，并可通过MQTT协议向网络中各节点发送控制指令。

以该课程及课程实践设计课堂教学组织、实施和考核指标，将专业前沿技术融入教学内容，使用高水平教材，重视现代化教学手段运用，使用灵活多样的教学方法，有效提升了学生学习兴趣和参与度，形成了特色鲜明的教学模式，建设成为线下一流课程。

一、课程建设情况

车联网系统所处课程体系如图1所示，其先修课程包括电磁场与电磁波、通信电子线路、通信原理与数据通信等基本理论课程，所以这门课程是为信息工程专业大四学生开设的具有行业特色的一门专业核心课程。

图1 通网模块课程组成

该课程自从2018年开设以来，其课程名称从无线通信与车联网调整为车联网系统，经过对教学过程思考设计和反复检验，对教学效果评价并对教学模式进行了改进。

图2为车联网系统这门课程的发展历程，2018年课程开设，在课程建设过程中构建信息工程专业本科生复杂工程实践教学体系的理论框架。2019年经调研和论证修订教学大纲，建设复杂工程课程设计的组织、实施和考核指标实例。2020年编著教材，并成为省级双一流专业系部重点建设课程。

图2 课程发展历程

课程的教学大纲明确提出，本课程学生能力培养的一个重要目标是能够根据明确的需求，设计出针对智能交通领域复杂工程问题的解决方案，并在设计中综合利用无线通信和车联网的专业知识和新技术，体现创新意识。本课程的特色在于，作为高年级的专业核心课程融合电气、电子、计算机、网络、仪器等多学科知识，通过自主学习、集中授课、团队交流合作、复杂问题分解，完成课程的学习和人才的培养，为学生即将面临的就业提供助力。教学改革创新点在于，制订科学的教学大纲，从能力点培养目标、培养方法和目标达成评价等方面入手，将本科人才培养落到实处，具体体现在以下几方面：

1. 个人和团队关系协调能力培养。本课程要求每位同学在多学科知识背景下，学习个人与他人相处的方法，能理解个人和团队的关系并明确自己在团队中应承担的责任。

2. 交流沟通能力。本课程要求团队每位成员就复杂工程问题与其他成员、老师和业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括网络沟通、电话沟通、面对面交流、集体讨论;清晰表达自己的观点，能够将自己的思想用文字材料进行表述。

3. 设计试制过程的管理能力。本课程要求所有参与学生管理设计项目进程，将ZigBee节点应用设计全过程进行有效计划、组织、控制、协调。要求项目团队成员根据当前的材料市场价值进行成本预算，学会按预算进行成本管理，控制研发费用，以最低耗费完成设计任务;要求项目团队成员严格按要求在规定的时间内完成自己的设计任务，确保通信节点设计的质量;要求硬件设计和软件设计成员协调共事，合作进行研发。对在设计过程中遇到的意外事件能够有一套应急处理机制，对设计过程中团队成员的情绪、健康状况、思想变化进行跟踪，最大限度发挥团队的整体水平;要求设计的无线传感节点系统具有较高的性价比，在整个设计过程中将性价比作为设计目标。

4. 终身学习意识的培养。本课程的复杂工程问题教学方法，培养学生科研兴趣、创新意识、自主学习能力和终身学习意识。（1）通过循序渐进的设计实践，在老师和同伴的督促下，提高学习的主动性。（2）在设计实践中发现自己的不足，促使学生对知识有一种需求感。（3）通过展示、汇报、交流，养成对自己的学习进行及时有效评价，从他人那里吸取经验知识。

二、课程教学组织

车联网系统选择的教材包括国家级特色专业（物联网工程）规划教材，由董健编著，电子工业出版社出版的《物联网与短距离无线通信技术》;具有行业背景的由电信科学技术研究院无线移动创新技术中心组译的《车联网通信技术》。课堂教学内容包括最新车用通信技术ZigBee，DSRC，C-V2X。

课程应用先进的信息化教学工具辅助教学，如利用雨课堂上传预习课件和资料，发布预习作业;利用雨课堂布置课后作业;利用QQ随时/定时进行答疑、讨论;利用腾讯课堂进行分组讨论及学情汇报。在课程实践部分，基于车联网理论知识，设计具有复杂工程问题的实践项目，包括三个项目：基于ZigBee技术的消防系统设计、基于ZigBee技术的ETC系统设计、基于ZigBee技术的智能交通灯系统设计。现以基于ZigBee技术的ETC系统设计为例，说明课程的组织。

教学活动主要是课堂内的由教师引导下的学生研究性学习行为。教学活动有教师讲授、教师指导解惑、学生研究设计、师生互动、专题讨论、学生展示汇报等。在设计这些教学活动时既要考虑复杂工程项目学习的特点，又要发挥信息化教学的优势。研究性学习强调通过学生自主学习和合作学习的方式完成主要课程内容的学习。

车联网系统教学组织的教学活动主要包括课堂讲授、分组讨论和展示评价等。课堂讲授主要讲授实践环节将要应用的理论知识和技术，这里包括ZigBee标准组织结构;ZigBee协议各层工作原理;ZigBee组网技术;ZigBee通信模式。ZigBee网络中采用IEEE 802.15.4定义的两种无线设备： FFD（Full Fuction Device，全功能设备）和RFD（Reduction Fuction Device，精减功能设备），RFD只能与FFD通信。RFD只需要极少的资源和存储空间，相对于FFD具有较低的成本。在网络配置方面，ZigBee网络中的节点可以分为三种类型：ZigBee协调器节点、ZigBee路由节点和ZigBee终端节点。其中ZigBee协调器节点是整个网络的主要控制者，它通常具有相对于网络中其他类型节点更强大的功能，主要负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点等，在网络形成后也可以执行路由器的功能。ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息转发、允许其他节点通过它关联网络等。ZigBee终端节点通过ZigBee协调器节点或者ZigBee路由节点关联到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络。在ZigBee网络中，FFD可以用来实现以上三种类型的节点，但RFD只能充当ZigBee终端节点。这一教学环节的达成目标是教会学生阅读标准，并快速应用标准，开发配置三种设备，实现通信组网。后续的教学环节，主要以学生的研究性学习为主，教师在教学过程中引导、答疑解惑。在每一阶段都输出阶段性的目标成果，供教师检查和把控教学效果和进度。学生自由组合，4-5人一组，在分组讨论划分任务制订计划环节，组内成员分析系统需求，如ETC項目：ETC系统模拟真实ETC场景，对过往的车辆进行智能收费，不需要人工干预，按照车辆的型号、需求的服务进行收费。ETC系统在车辆通过时，道闸栏杆自动抬起，模拟自动收费，车辆通过后，栏杆自动落下，实现不停车收费。该系统应包含UHF读卡系统、车辆引导屏、道闸控制、上位机管理等。根据需求分析，划分任务，制定项目计划流程，填写工作计划安排表并确定各个组员承担的工作。这里应该按项目管理的方式组织后续的项目设计开会，组内成员角色包括项目经理、硬件设计者、软件设计者、系统调试集成者等，这一阶段要达成实施计划制订，培养学生合作、沟通、解决问题的能力。在查阅文献环节，教师将常用查阅文献的方法和途径通过微信或QQ群讨论的方式教给学生，并引导学生通过阅读文献，寻找思路，确定系统的基本框架和方案选型，具化系统需求和功能。在项目概要设计环节，学生根据文献查阅结果通过研究确定设计方案并得到：（1）系统基本结构框架;（2）软件基本流程;（3）系统基本接口。这一阶段学生能力培养要达到：能将信息工程领域所需的相关专业基础知识用于判断信息工程领域复杂工程问题的复杂性，并建立合适的模型，教师采用分组组织讨论，分组指导的方式组织教学。

在项目实施阶段，教学场景变换成实验室，学生根据在划分任务制订计划环节所分配的任务，实现：（1）硬件设计，采用STM32F103主控器+CC2530 ZigBee无线收发芯片结构的通信节点;（2）软件设计包括ZigBee组网和消息传输过程;（3）系统级调试包括ETC上行流程和下行流程;（4）上位管理软件设计。这一阶段的教学组织与上一阶段不同，教学方法包括讨论法和引导法。学生能力培养要达到能够根据明确的需求，设计出针对信息工程领域复杂工程问题的解决方案，并在设计中能够综合利用信息工程的专业知识和新技术，体现创新意识。在展示评价环节，除常规功能性演示之外，还设计了总结讨论，具体包括：展示系统功能;各小组对工作过程、工作成果、碰到的问题、解决方案等进行总结;智慧碰撞，针对其他组发生的问题是否有更好的解决措施;教师巡视过程中发现的而学生未意识到或不够重视的問题进行补充并再次引导学生进行辨析;对工作过程中发现的学生创造性思维方式给以肯定、表扬和鼓励，并提出今后努力的方向。填写过程评价表。这一阶段要培养学生总结归纳和分析问题的能力，学生能流利地介绍本次任务的设计过程及其优缺点;会正确评价自己和他人的成果。

整个教学过程实现了以学生自主学习为主，教师的引导为辅，根据实际应用背景需求，从设计电机控制算法及通信节点出发，学生自己制定方案，进行算法研究，完成硬件设计和软件设计，最终根据实际应用需求，实现节点的组网通信、上位管理等。所有设计在功能上要求学生实现信息采集、无线通信、接口设计与显示、参数设定和组网功能。

三、结束语

车联网系统以课程及课程实践设计课堂教学组织、实施和考核指标，将专业前沿技术融入教学内容，使用高水平教材，重视现代化教学手段运用，使用灵活多样

的教学方法，有效提升了学生学习兴趣和参与度，形成了特色鲜明的教学模式，建设成为省级线下一流课程。该课程的建设虽然取得了一些成绩，但也有很大的不足。近三年的建设都是围绕以本为本的理念进行建设，重心放在本科生解决复杂工程能力的培养方面，学生学习的积极性和主动性提高显著，但是课程与教学改革要解决的重点问题之一——形成具有系统性的、科学的“复杂工程教学”闭环体系还没有从理论上解决。课程的在线教学建设还处于起步阶段。目前三届学生的班级和人数不是很多，师资力量勉强可以维持课程建设需求。但随着教学班级和学生人数的增多，具有工程背景的师资力量会成为课程建设的短板。所以进一步改革的方向是加大师资力量的培养，在实施具体教学实例过程中进行教学体系理论研究，尽快形成系统、科学的“复杂工程教学”闭环体系，加强课程的在线资源建设，形成线下线上一体的混合式教学体系。

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基金项目：2020湖南省学位与研究生教育改革研究项目“湖南省内高校理工科硕士研究生科研创新能力的诊断及优化研究”（2020JGZD056）;湖南省普通高等学校课程思政建设研究项目“课程思政与工程教育融合路径研究”（HNKCSZ-2020-0367）

作者简介：谷志茹（1979-），女，汉族，新疆乌鲁木齐人，博士，副教授，研究方向为通信系统。