鄉村振興背景下的高職《物聯網嵌入式技術》課程教學改革探析

摘要：文章首先通過鄉村振興戰略，然后引出校地合作，通過智慧農業實際案例導入到《物聯網嵌入式技術》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、教學內容豐富、教學手段靈活、評價方案創新。通過引入真實項目案例的教學改革與原來的教學現狀進行對比，發現存在的問題，不斷調整和改進物聯網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、教學質量提高、行業認可度增強。

關鍵詞：智慧農業；物聯網；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

鄉村振興戰略是習近平同志在2017年10月18日在黨的十九大報告中提出的國家戰略。十九大報告指出，“三農”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”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了《關于推進農業農村高質量發展奮力打造新時代鄉村振興樣板之地的意見》，在奮力打造保障糧食等重要農產品供給的樣板中指出：“提高農業科技和裝備水平；提高鄉村防災減災能力；把移動物聯網的占比提到了一定的高度。”

在鄉村振興的背景下，江西陶瓷工藝美院發揮高校在教育、科研和人才優勢，為地方經濟發展提供智力支持和創新動力，于2022年6月3日與浮梁縣勒功鄉簽署校地產業共建協議，充分借助學院優勢，積極開展產學研合作、科技創新和成果轉化、智力支持與咨詢服務、產業互動、社會實踐和文化傳承與創新等活動。在校地產業共建中發現勒公鄉農業基礎薄弱，恰逢百年難遇的干旱天氣導致農作物減產。經過實地走訪調研發現，該鄉目前較缺乏優良菌菇，為此鄉政府劃出田地，作為智慧農業育苗實驗地，實施物聯網改造，建設智慧農業大棚控制系統、智慧灌溉系統、安防監控系統。通過智慧農業實際案例導入到《物聯網嵌入式技術》課程中，通過真實項目案例對比教學現狀，發現存在的問題，不斷調整和改進物聯網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業物聯網作為教學改革的方向，圍繞學生職業能力培養的核心目標，融合課程特色，以“真實項目為導向”“任務為驅動”“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3個維度，重點培養學生自主學習、團隊協作和獨立解決問題的能力[1]。

1.2 教學內容豐富

根據課程大綱要求，將智慧農業案例與課程內容相互融合，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，團隊協作能力不足的特征，拓展出團隊完成有點難度的案例，激發學生的學習興趣。通過引入“職業院校技能大賽”“挑戰杯大學生課外學術科技作品競賽”“互聯網+ 創新創業大賽”“全國、全省職業技能大賽”讓教學內容更加豐富。

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、連線物聯網工程師、連線智慧農業技術員、實時查看智慧農業狀況等多樣性教學環節，多種教學手段運用，一改以往的傳統教學方式，增加了課堂的趣味性和互動性，激發學生的活力，提高了課堂效率。如圖1所示，為學院與某智能科技公司聯合開發的《智慧農業——大數據可視化展示平臺》，用于日常教學，通過實時查看農業監測情況，激發同學們對物聯網嵌入式技術的學習興趣[2]。

1.4 評價方案創新

創新建立“三主體、多維度”的評價模式，以學生、教師、師傅為“三內主體”的評價模式是通過教學督導對課堂教學效果、專業知識掌握和學習綜合素質等進行評價，以基地、企業、市場為“三外主體”，對實踐教學成效、專業技能訓練和崗位職業素養等進行評價，構建多維度評價模式。

2 課程教學改革內容介紹

課程的情景一：安排了物聯網工程師必備的基礎，物聯網硬件基礎、模擬電路、數字電路、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——數模轉換。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。課程的情景八：安排嵌入式微控制器CC2530 的綜合進階學習—— 物聯網綜合農業項目[3]。

2.1 基于智慧農業行業應用實訓單元設計——智能農業灌溉系統設計

傳統農業的灌溉技術噴灌、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業灌溉技術目前存在的諸多缺點，適當地引入基于物聯網的智慧農業技術方面的知識，提出基于ZigBee 物聯網技術的智能農業灌溉系統設計整體框架。該方案采用溫濕度、光照度、二氧化碳、氧氣等專業傳感器的數據采集技術。引入物聯網嵌入式課程的核心技術——基于ZigBee無線傳感網的課程。包括：CC2530單片機I/O端口的使用方法；CC2530中斷系統結構、中斷源以及外部中斷的使用方法；CC2530單片機內部定時/計數器的使用方法；PC機通過串口發送字符控制下位機的方法；CC2530單片機AD轉換模塊的使用方法；這幾個學習單元的知識。通過各種傳感器采集數據，使用CC2530微控制器實現A/D數模轉換、數據采集，利用ZigBee無線進行無線組網來控制各種執行器，實現農業灌溉的智慧控制。圖2為學生實地安裝土壤溫濕度傳感器。

2.2 基于智慧農業行業應用實訓單元設計——農業氣象系統設計

農業生產活動需要準確地掌握天氣情況，利用物聯網嵌入式技術對農業氣象系統進行教學單元設計，設計基Basic RF 傳輸協議的多對一組網通信設計。學生在學習完Basic RF點對點開發后，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，其中組長負責協調器設計。模塊包括ZigBee中的協調器、路由和兩個傳感器節點。如圖2所示為整個無線網絡的邏輯圖所示：1） 傳感器節點一：溫濕度節點，是整個網絡的終端節點，負責采集溫濕度數據連同本機地址一起打包通過無線發送給路由。2） 傳感器節點二：光照度節點，是整個網絡的終端節點，負責采集光照度數據連同本機地址一起打包通過無線發送給路由。3） 路由：負責接收傳感器節點的數據，將數據封裝成“傳感數據消息”通過無線發射給下一層的協調器。4） 協調器：整個網絡的核心，負責與電腦PC機的串口連接。通過把接收到的數據封裝成特點網關數據報格式，通過電腦的串口上報數據，如圖3所示。

如圖4所示，由學生4人一小組，設計出農業氣象系統，包括溫濕度和光照電壓兩個數據。

3 結論與展望

通過對該課程教改取得了顯著的成果，為培養具有實踐能力和創新精神的物聯網人才奠定了基礎。學院物聯網專業將繼續深化教學改革，不斷完善課程體系和教學方法，以適應物聯網技術的快速發展和行業需求的變化。同時，學院也希望與更多的企業和機構合作，共同推動物聯網嵌入式技術的發展和應用。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網嵌入式技術的開發流程和應用技巧，能夠獨立完成嵌入式系統設計和開發工作。2） 教學質量提高。教改使教學質量得到了顯著提高。學生對物聯網嵌入式技術的理解和掌握更加深入，教學內容更加豐富，教學成效顯著。同時，學生的創新能力和解決問題的能力也得到了提升。3） 行業認可度增強。通過與行業對接，與企業合作，對開展了豐富多彩的農業教學和實訓活動的，學生的實際應用能力得到了行業的認可。許多學生在實訓期間就得到了企業的青睞，順利實現了就業。

參考文獻：

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

[2] 葉蘭蘭，鄭忠發，吳旭東.物聯網技術在圖書館環境系統中的應用[J].內江科技，2022，43（12）：39-40.

[3] 周文武，宋巧玲，吳旭東.物聯網技術在智慧農業中的應用[J].南方農機，2023，54（10）：71-73.

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

【通聯編輯：聞翔軍】

基金項目：2022 年江西省高校教改一般課題“鄉村振興背景下的《物聯網嵌入式技術》課程改革”（JXJG-22-56-3） ；2023 年江西省教育科學“十四五”規劃一般課題“鄉村振興戰略背景下職業院校人才培育路徑研究”（23GZYB105）