基于理论实践与项目创新的物联网通信实验教学改革

摘 要 自2017年教育部推出新工科教育理念以来，物联网通信技术等相关课程开始在“中国智造2025”战略影响下，主动开启新形势下的教学改革进程。文章主要针对物联网通信技术课程的特点和教学中的常见问题，提出基于实践和项目创新的物联网通信实验教学改革方案。研究表明，通过实践和项目创新，学生能够亲身参与物联网通信技术的实际操作和解决实际问题的过程，从而深入理解相关理论知识的应用，并逐渐提高团队合作能力、创新思维和技术问题解决能力，以及物联网技术应用能力。

关键词 物联网通信实验教学改革；理论实践；项目创新

中图分类号：G712 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.16.019

Experimental Teaching Reform of Internet of Things Communication

Based on Theoretical Practice and Project Innovation

XU Fangfang

（Guizhou City Vocational College， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract Since the launch of the new engineering education concept by the Ministry of Education in 2017， courses related to IoT communication technology have begun to actively initiate teaching reform under the influence of the "China Intelligent Manufacturing 2025" strategy. The article mainly focuses on the characteristics of IoT communication technology courses and common problems in teaching， and proposes a reform plan for IoT communication experimental teaching based on practice and project innovation. Research has shown that through practice and project innovation， students can personally participate in the practical operation and problem-solving process of Internet of Things communication technology， thereby gaining a deeper understanding of the application of relevant theoretical knowledge， and gradually improving their teamwork ability， innovative thinking， and technical problem-solving ability， as well as their ability to apply Internet of Things technology.

Keywords teaching reform of Internet of Things communication experiment; theory and practice; project innovation

物联网通信技术是一门涵盖物联网通信原理、技术和应用的课程，其内容包括物联网架构、传感器网络、通信协议、数据处理和安全等，旨在促进学生对物联网通信技术理论知识的掌握和实践能力的提升。基于理论实践与项目创新的物联网通信实验教学改革是将理论与实践相结合，通过知识讲解、实验设计、项目实施等方式，使学生能够运用物联网通信技术来解决实际问题。这种改革提供了一个全面学习物联网技术的实践环境，为培养学生的实践能力和科学创新思维提供了重要条件。

1 物联网通信技术课程的特点

一是多学科交叉性。物联网通信技术的发展需要各学科领域的支持和协作，只有综合运用多个学科的知识才能实现物联网通信技术的整体设计和实现。二是互联性和可扩展性。物联网通信技术通过网络互联起各种设备和物品，能够实现设备之间的信息交换和智能化控制，从而提高了设备的智能化。同时，物联网通信技术具有高度的可扩展性，能够根据需求进行灵活的扩展和升级，以适应不断变化的应用需求。三是实践性。在“物联网通信技术”课程教学中，学生应该运用所学知识对实际场景进行模拟和实验，完成硬件系统的组装、配置和调试等实际操作，通过实践来深入理解和掌握相关知识和技术。此外，学生还需要运用所学知识来设计物联网应用系统，针对不同的应用场景进行方案设计，以提高应用的效果和可靠性。

2 物联网通信技术课程教学中的常见问题

2.1 重理论轻实践

一方面，物联网通信技术是一门涉及硬件设备和实验平台的技术，部分学校的教学环境无法提供足够的资源来支持学生进行实践操作，难以满足每位学生都进行实践操作的需求。因此，为了方便教学和管理，教师可能更倾向于传授理论知识，而减少实践环节的安排。另一方面，传统的笔试考核方式注重学生对理论知识的掌握程度，而缺乏对学生实验过程、问题解决能力和创新思维的评估。此外，这种方式还往往只注重学生的记忆和理解能力，无法准确评估学生的分析、综合和创造能力。实验是培养学生实践操作能力和解决实际问题能力的重要手段，然而在考核中往往仅关注实验结果，而忽视学生的实验设计和操作过程，无法全面评估学生的实验技能和实际应用能力。

2.2 内容复杂但条理不清

物联网通信技术是一个涉及多个学科领域的复杂技术，包括无线通信、传感器技术、数据处理等。各个学科领域之间的联系复杂多样，导致知识点的交叉和重复。教师在教学过程中难以清晰地组织和分类这些知识点，导致学生难以系统地掌握和理解。同时，物联网通信技术是一个相对较新的技术领域，相关的教材和教学资源不够充足，很多专家学者也在课程体系化的探索阶段。因此对于教育工作者来说，很难对物联网通信技术的知识进行整合与归纳，无法使学生形成关于该课程的理论与实践体系[1]。

3 物联网通信实验教学改革内容

3.1 教学改革总体设计思路

物联网通信实验教学改革的总体设计思路基于学生能力的培养，通过设计创新的实验项目和采用有效的教学方法来促进学生实践能力和创新能力的提升。改革的目标是培养学生具备适应物联网通信领域需求的综合素质和技能。在课程内容设计方面，物联网通信实验教学应围绕物联网通信技术展开，包括物联网通信的概述、基带传输技术、频带传输技术、链路传输技术、路由传输技术等核心内容。此外，还应涵盖典型物联网传输系统的研究和通信系统设计实践等相关内容。在课程教学方式设计方面，物联网通信实验教学改革注重理论与实践相结合，以项目制教学方式为主，以实践为导向。教师应根据教学目标和实验项目的特点，设计具有一定难度和挑战性的实践项目，使学生通过实践掌握物联网通信技术[2]。

3.2 实验平台

物联网通信技术实验的内容可以分为物联网通信理论实践项目和创新实验项目两大类。物联网通信理论实践项目主要涉及对物联网通信技术基本理论和算法的实践验证。这类实验项目可以通过虚拟实验平台或模拟器进行实验。虚拟实验平台提供虚拟的实验环境，通过软件模拟物联网通信技术的算法和过程，学生可以进行实验操作和观察结果，并撰写实验报告进行分析。模拟器可以模拟物联网通信设备的行为和网络环境，学生可以通过模拟器进行物联网通信技术的实验操作和验证，以更好地理解和掌握物联网通信技术的原理和应用[3]。创新实验项目主要关注物联网通信技术的前沿研究和创新应用。为了支持这些项目，物联网实验室可以提供一个真实的物联网通信环境，学生可以在其中进行实验操作和数据采集，并进行实验设计和分析。物联网实验室还可以配备传感器、无线通信模块等辅助设备和工具，以支持学生进行创新实验项目[4]。

3.3 实验项目

3.3.1 理论实践类实验

理论实践类实验的目标是通过实验操作来加深学生对物联网通信技术理论知识的理解，并培养其应用能力。学生将学习物联网通信技术的基本原理和模块，并通过实验来验证和应用这些知识。通过实践操作，学生可以深入了解物联网通信技术的实际应用，提高他们的实际操作和分析能力。此外，理论实践类实验还可以帮助学生了解物联网通信技术在各种应用场景中的潜力和发展方向。比如通过以下两种实验，学生不仅在实践中获得对物联网技术的认知，还实现了技术水平与科学思维能力的提升。

一是物联网传感器网络实验。学生可设计物联网传感器网络实验，利用多种传感器节点采集数据并传输。搭建网络，配置节点，收集数据，并通过物联网技术上传至云平台；分析处理数据，开发应用程序或界面，实现数据可视化和远程控制；撰写实验报告，详细描述实验过程、结果和分析。通过实验，学生可以理解物联网传感器网络的基本原理和系统架构，掌握传感器节点的选择、配置和使用方法，熟悉数据采集和传输的流程和技术，使用云平台进行数据处理和应用开发。

二是物联网通信协议实验。学生可以设计一个物联网通信协议的性能比较实验，选择几种常见的物联网通信协议，如MQTT、CoAP、LoRaWAN等，并使用相同的传感器节点进行实验。学生需要配置和实施物联网通信模块，分别使用不同的通信协议进行数据传输。然后比较不同协议的性能指标，如传输延迟、能耗、带宽等，并分析协议的适用场景和优缺点。最后，撰写一份实验报告，描述实验过程、结果和分析。通过这种实验，学生可以理解物联网通信协议的基本原理和工作机制，掌握物联网通信模块的配置和使用方法。

3.3.2 项目创新类实验

项目创新类实验的目标是培养学生的创新能力和解决问题的能力。学生自主设计和实施实验，以探索物联网通信技术的创新应用和前沿研究方向。通过项目的实施，学生将学习解决实际问题的方法和思维，培养团队合作和创新思维能力。此外，项目创新类实验还能帮助学生了解物联网通信技术的发展趋势和应用领域，提高他们对物联网通信技术的理解和应用能力。在这方面，可以通过下述两种项目创新类实验巩固理论教学的成果。

一是基于物联网的智能农业系统设计。学生可设计基于物联网的智能农业系统，整合传感器网络、通信技术与云平台，实时监测农作物生长环境。选择土壤湿度、气象等传感器，部署于农田或温室，实时采集并传输数据。通过物联网和云平台，监测分析数据，提供生长建议与预警。系统实施后，撰写实验报告，详细阐述系统设计、实施及结果分析。在这个实验中，学生可以理解物联网通信技术在智能农业领域的应用，清楚知道设计和实施基于物联网通信技术的智能农业系统，基本掌握传感器数据采集和云平台数据处理的基础方法，能够进行系统测试和性能优化，解决实际问题。

二是物联网智能交通系统设计。学生可设计物联网智能交通系统，整合传感器网络、通信技术与人工智能算法，以智能化监测和控制交通流量。选取适用于交通的传感器，部署在关键路段，实时采集车辆数据。借助物联网通信技术和云平台，实时监测和分析数据，预测交通流量并优化交通信号。实施系统后，撰写实验报告，阐述系统设计、实施及结果分析。在这个实验中，学生能够理解物联网通信技术在智能交通领域的应用，明白设计和实施基于物联网通信技术的智能交通系统的底层架构，基本掌握传感器数据采集和云平台数据处理的方法，并且能够进行系统测试和性能优化，解决实际问题。

3.4 实验教学改革过程

物联网通信技术实验教学过程分为理论知识讲解、实验操作以及分析教学反思三个环节。在实验教学之前，教师会对物联网通信技术相关的理论知识进行讲解，包括物联网的基本原理、通信协议、传感器网络等内容。教师可以通过课堂讲解、教材阅读、教学视频等多种形式向学生传授相关的理论知识。在讲解的过程中，教师可以引导学生思考和分析，提出一些关于实际应用和研究方向的问题，激发学生的兴趣和思考。在教师讲解完理论知识后，学生进行实验操作。学生可以自行或组队进行实验设计和实施。在实验过程中，学生需要根据教师的指导和要求，配置和操作物联网通信设备进行数据采集和传输，运行和测试通信协议等[5]。之后，学生可以通过实践操作加深对理论知识的理解，掌握相关技术和工具的使用。在实验操作中，教师可以提供必要的技术指导和实验材料，及时解答学生遇到的问题。在实验操作完成后，学生需要对实验结果进行分析和总结，从而得出结论和改进方法。教师还可以引导学生提出问题，深入分析实验结果，评估实验的有效性和可行性，让学生分享彼此的实验经验，促进学生的相互学习和思维启发。

4 结语

综上所述，通过理论知识讲解、实验操作和分析教学反思三个环节的组合，物联网通信技术实验教学能够有效地促进学生对理论知识的理解和应用能力的培养。学生通过实践操作，深入了解物联网通信技术的实际应用和潜力，并通过分析和反思，提高解决问题的能力和创新思维。这种教学改革过程可以帮助学生更好地理解和掌握物联网通信技术，为将来的技术实践和职业发展打下坚实的基础。

参考文献

[1] 胡必玲，钟锦，潘洁珠.新工科背景下基于翻转课堂的传感网实验课程教学改革[J].物联网技术，2021（9）：125-127.

[2] 张萍.“计算机网络与通信”课程的教学改革研究——以高职物联网应用技术专业为例[J].物联网技术，2023（1）：155-157，160.

[3] 刘晨，邓庆绪，陈郭成，等.新工科背景下物联网专业嵌入式系统实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2023（10）：196-199.

[4] 董雷，龚聪，高伟坤.基于物联网技术的高校实验教学与实验室综合管理系统设计[J].物联网技术，2023（8）：154-155，158.

[5] 湾晓芳.物联网+大数据技术下实验室建设前景[J].数字通信世界，2023（9）：155-157.