車聯網系統線下一流課程建設研究

谷志茹　黃曉峰　胡久松　李軍軍

摘? 要：車聯網系統是湖南工業大學省級雙一流專業信息工程重點建設的一門專業核心課程，該課程有40課時的理論課程與3周的綜合課程設計，其課程教學目標旨在培養能夠解決復雜工程問題的應用人才，其教學內容融入學科專業前沿技術，使用高水平教材，重視現代化教學手段運用，教學方法靈活多樣，有效提升了學生學習興趣和參與度，形成了特色鮮明的教學模式。

關鍵詞：線下一流;教學模式;研究性學習;培養目標

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，全面貫徹落實黨的十九大精神，全面貫徹黨的教育方針，全面落實立德樹人根本任務，準確把握高等教育基本規律和人才成長規律，以“回歸常識、回歸本分、回歸初心、回歸夢想”為基本遵循，主動適應國家發展戰略和區域經濟社會發展需求，以提高質量為主線，以改革創新為動力，以內涵發展和特色發展為方向，面向國家“未來交通發展戰略”的重大需求，依托株洲先進軌道交通裝備產業的技術創新優勢，湖南工業大學與中車株洲電力機車研究所聯合開設信息工程專業，打造“產業學院”交通工程學院。旨在面向“交通信息”裝備產業的交通智能信息處理、交通網絡與通信、車載電子電器等領域，培養具備自主學習、工程意識及解決復雜工程問題能力的創新性應用人才。該專業是湖南省新工科研究與實踐試點專業，是學?！敖煌ㄐ畔ⅰ碧厣珜I群的核心專業。車聯網系統是為高年級學生開設的，實施“多元化”教學方法和“多層次”質量評價標準的一門課程，學習本課程應達到如下知識和能力：

（1）基于無線通信的基礎知識， 可對車聯網方面的應用需求進行分析， 提出相應的解決方案， 對短程和中程無線網絡鏈路進行設計， 并可對設計方案的性能效果進行評估。

（2）能將通信、信息、網絡及電子技術的知識綜合應用，以實現復雜工程系統設計、分析，以培養解決復雜工程問題的能力。

3周綜合課程設計的具體要求如下。

（1）ZigBee通信模塊設計：熟悉ZigBee協議棧架構，能夠快速閱讀并理解相關標準。掌握應用可編程接口（API）工作原理，會組建ZigBee網絡，并配置廣播、組播和多播通信方式，并掌握智能車聯網所傳輸信息及格式。

（2）實現智能小車和智能設施對車聯網信息的恰當處理策略：對所收到的控制指令（如停車，開/關路燈等）進行響應; 對所收到的相關數據（如小車ID，環境光照度）進行分析，并根據策略自動響應（執行相應操作，或對信息作出應答）。

（3）自學物聯網的MQTT協議，自學網絡數據AES加密算法，在Github上尋找恰當的開源工程，以此為基礎，進行PC機上的物聯網上位軟件開發，從而實現通過智能網關與上述智能車聯網網絡進行通信。為用戶提供良好的圖形化用戶界面，通過MQTT協議讀取車聯網中傳輸的數據和指令，并可通過MQTT協議向網絡中各節點發送控制指令。

以該課程及課程實踐設計課堂教學組織、實施和考核指標，將專業前沿技術融入教學內容，使用高水平教材，重視現代化教學手段運用，使用靈活多樣的教學方法，有效提升了學生學習興趣和參與度，形成了特色鮮明的教學模式，建設成為線下一流課程。

一、課程建設情況

車聯網系統所處課程體系如圖1所示，其先修課程包括電磁場與電磁波、通信電子線路、通信原理與數據通信等基本理論課程，所以這門課程是為信息工程專業大四學生開設的具有行業特色的一門專業核心課程。

圖1 通網模塊課程組成

該課程自從2018年開設以來，其課程名稱從無線通信與車聯網調整為車聯網系統，經過對教學過程思考設計和反復檢驗，對教學效果評價并對教學模式進行了改進。

圖2為車聯網系統這門課程的發展歷程，2018年課程開設，在課程建設過程中構建信息工程專業本科生復雜工程實踐教學體系的理論框架。2019年經調研和論證修訂教學大綱，建設復雜工程課程設計的組織、實施和考核指標實例。2020年編著教材，并成為省級雙一流專業系部重點建設課程。

圖2 課程發展歷程

課程的教學大綱明確提出，本課程學生能力培養的一個重要目標是能夠根據明確的需求，設計出針對智能交通領域復雜工程問題的解決方案，并在設計中綜合利用無線通信和車聯網的專業知識和新技術，體現創新意識。本課程的特色在于，作為高年級的專業核心課程融合電氣、電子、計算機、網絡、儀器等多學科知識，通過自主學習、集中授課、團隊交流合作、復雜問題分解，完成課程的學習和人才的培養，為學生即將面臨的就業提供助力。教學改革創新點在于，制訂科學的教學大綱，從能力點培養目標、培養方法和目標達成評價等方面入手，將本科人才培養落到實處，具體體現在以下幾方面：

1. 個人和團隊關系協調能力培養。本課程要求每位同學在多學科知識背景下，學習個人與他人相處的方法，能理解個人和團隊的關系并明確自己在團隊中應承擔的責任。

2. 交流溝通能力。本課程要求團隊每位成員就復雜工程問題與其他成員、老師和業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括網絡溝通、電話溝通、面對面交流、集體討論;清晰表達自己的觀點，能夠將自己的思想用文字材料進行表述。

3. 設計試制過程的管理能力。本課程要求所有參與學生管理設計項目進程，將ZigBee節點應用設計全過程進行有效計劃、組織、控制、協調。要求項目團隊成員根據當前的材料市場價值進行成本預算，學會按預算進行成本管理，控制研發費用，以最低耗費完成設計任務;要求項目團隊成員嚴格按要求在規定的時間內完成自己的設計任務，確保通信節點設計的質量;要求硬件設計和軟件設計成員協調共事，合作進行研發。對在設計過程中遇到的意外事件能夠有一套應急處理機制，對設計過程中團隊成員的情緒、健康狀況、思想變化進行跟蹤，最大限度發揮團隊的整體水平;要求設計的無線傳感節點系統具有較高的性價比，在整個設計過程中將性價比作為設計目標。

4. 終身學習意識的培養。本課程的復雜工程問題教學方法，培養學生科研興趣、創新意識、自主學習能力和終身學習意識。（1）通過循序漸進的設計實踐，在老師和同伴的督促下，提高學習的主動性。（2）在設計實踐中發現自己的不足，促使學生對知識有一種需求感。（3）通過展示、匯報、交流，養成對自己的學習進行及時有效評價，從他人那里吸取經驗知識。

二、課程教學組織

車聯網系統選擇的教材包括國家級特色專業（物聯網工程）規劃教材，由董健編著，電子工業出版社出版的《物聯網與短距離無線通信技術》;具有行業背景的由電信科學技術研究院無線移動創新技術中心組譯的《車聯網通信技術》。課堂教學內容包括最新車用通信技術ZigBee，DSRC，C-V2X。

課程應用先進的信息化教學工具輔助教學，如利用雨課堂上傳預習課件和資料，發布預習作業;利用雨課堂布置課后作業;利用QQ隨時/定時進行答疑、討論;利用騰訊課堂進行分組討論及學情匯報。在課程實踐部分，基于車聯網理論知識，設計具有復雜工程問題的實踐項目，包括三個項目：基于ZigBee技術的消防系統設計、基于ZigBee技術的ETC系統設計、基于ZigBee技術的智能交通燈系統設計?，F以基于ZigBee技術的ETC系統設計為例，說明課程的組織。

教學活動主要是課堂內的由教師引導下的學生研究性學習行為。教學活動有教師講授、教師指導解惑、學生研究設計、師生互動、專題討論、學生展示匯報等。在設計這些教學活動時既要考慮復雜工程項目學習的特點，又要發揮信息化教學的優勢。研究性學習強調通過學生自主學習和合作學習的方式完成主要課程內容的學習。

車聯網系統教學組織的教學活動主要包括課堂講授、分組討論和展示評價等。課堂講授主要講授實踐環節將要應用的理論知識和技術，這里包括ZigBee標準組織結構;ZigBee協議各層工作原理;ZigBee組網技術;ZigBee通信模式。ZigBee網絡中采用IEEE 802.15.4定義的兩種無線設備： FFD（Full Fuction Device，全功能設備）和RFD（Reduction Fuction Device，精減功能設備），RFD只能與FFD通信。RFD只需要極少的資源和存儲空間，相對于FFD具有較低的成本。在網絡配置方面，ZigBee網絡中的節點可以分為三種類型：ZigBee協調器節點、ZigBee路由節點和ZigBee終端節點。其中ZigBee協調器節點是整個網絡的主要控制者，它通常具有相對于網絡中其他類型節點更強大的功能，主要負責發起建立新的網絡、設定網絡參數、管理網絡中的節點等，在網絡形成后也可以執行路由器的功能。ZigBee路由節點可以參與路由發現、消息轉發、允許其他節點通過它關聯網絡等。ZigBee終端節點通過ZigBee協調器節點或者ZigBee路由節點關聯到網絡，但不允許其他任何節點通過它加入網絡。在ZigBee網絡中，FFD可以用來實現以上三種類型的節點，但RFD只能充當ZigBee終端節點。這一教學環節的達成目標是教會學生閱讀標準，并快速應用標準，開發配置三種設備，實現通信組網。后續的教學環節，主要以學生的研究性學習為主，教師在教學過程中引導、答疑解惑。在每一階段都輸出階段性的目標成果，供教師檢查和把控教學效果和進度。學生自由組合，4-5人一組，在分組討論劃分任務制訂計劃環節，組內成員分析系統需求，如ETC項目：ETC系統模擬真實ETC場景，對過往的車輛進行智能收費，不需要人工干預，按照車輛的型號、需求的服務進行收費。ETC系統在車輛通過時，道閘欄桿自動抬起，模擬自動收費，車輛通過后，欄桿自動落下，實現不停車收費。該系統應包含UHF讀卡系統、車輛引導屏、道閘控制、上位機管理等。根據需求分析，劃分任務，制定項目計劃流程，填寫工作計劃安排表并確定各個組員承擔的工作。這里應該按項目管理的方式組織后續的項目設計開會，組內成員角色包括項目經理、硬件設計者、軟件設計者、系統調試集成者等，這一階段要達成實施計劃制訂，培養學生合作、溝通、解決問題的能力。在查閱文獻環節，教師將常用查閱文獻的方法和途徑通過微信或QQ群討論的方式教給學生，并引導學生通過閱讀文獻，尋找思路，確定系統的基本框架和方案選型，具化系統需求和功能。在項目概要設計環節，學生根據文獻查閱結果通過研究確定設計方案并得到：（1）系統基本結構框架;（2）軟件基本流程;（3）系統基本接口。這一階段學生能力培養要達到：能將信息工程領域所需的相關專業基礎知識用于判斷信息工程領域復雜工程問題的復雜性，并建立合適的模型，教師采用分組組織討論，分組指導的方式組織教學。

在項目實施階段，教學場景變換成實驗室，學生根據在劃分任務制訂計劃環節所分配的任務，實現：（1）硬件設計，采用STM32F103主控器+CC2530 ZigBee無線收發芯片結構的通信節點;（2）軟件設計包括ZigBee組網和消息傳輸過程;（3）系統級調試包括ETC上行流程和下行流程;（4）上位管理軟件設計。這一階段的教學組織與上一階段不同，教學方法包括討論法和引導法。學生能力培養要達到能夠根據明確的需求，設計出針對信息工程領域復雜工程問題的解決方案，并在設計中能夠綜合利用信息工程的專業知識和新技術，體現創新意識。在展示評價環節，除常規功能性演示之外，還設計了總結討論，具體包括：展示系統功能;各小組對工作過程、工作成果、碰到的問題、解決方案等進行總結;智慧碰撞，針對其他組發生的問題是否有更好的解決措施;教師巡視過程中發現的而學生未意識到或不夠重視的問題進行補充并再次引導學生進行辨析;對工作過程中發現的學生創造性思維方式給以肯定、表揚和鼓勵，并提出今后努力的方向。填寫過程評價表。這一階段要培養學生總結歸納和分析問題的能力，學生能流利地介紹本次任務的設計過程及其優缺點;會正確評價自己和他人的成果。

整個教學過程實現了以學生自主學習為主，教師的引導為輔，根據實際應用背景需求，從設計電機控制算法及通信節點出發，學生自己制定方案，進行算法研究，完成硬件設計和軟件設計，最終根據實際應用需求，實現節點的組網通信、上位管理等。所有設計在功能上要求學生實現信息采集、無線通信、接口設計與顯示、參數設定和組網功能。

三、結束語

車聯網系統以課程及課程實踐設計課堂教學組織、實施和考核指標，將專業前沿技術融入教學內容，使用高水平教材，重視現代化教學手段運用，使用靈活多樣

的教學方法，有效提升了學生學習興趣和參與度，形成了特色鮮明的教學模式，建設成為省級線下一流課程。該課程的建設雖然取得了一些成績，但也有很大的不足。近三年的建設都是圍繞以本為本的理念進行建設，重心放在本科生解決復雜工程能力的培養方面，學生學習的積極性和主動性提高顯著，但是課程與教學改革要解決的重點問題之一——形成具有系統性的、科學的“復雜工程教學”閉環體系還沒有從理論上解決。課程的在線教學建設還處于起步階段。目前三屆學生的班級和人數不是很多，師資力量勉強可以維持課程建設需求。但隨著教學班級和學生人數的增多，具有工程背景的師資力量會成為課程建設的短板。所以進一步改革的方向是加大師資力量的培養，在實施具體教學實例過程中進行教學體系理論研究，盡快形成系統、科學的“復雜工程教學”閉環體系，加強課程的在線資源建設，形成線下線上一體的混合式教學體系。

參考文獻：

[1]于美，李衛平，邢雅蘭.以解決復雜問題為牽引的課程思政機制的構建[J].教育教學論壇，2020（53）：114-116.

[2]孫霽宇，陳東輝，郭麗，等.信息化條件下面向培養一流應用型人才的液壓與氣壓傳動課程教學改革[J].物聯網技術，2020，10（12）：112-115.

[3]黃兆信，杜金宸.“雙一流”建設高校學生對創新創業課程質量滿意度研究[J].華東師范大學學報（教育科學版），2020，38（12）：33-41.

[4]王金霞，鄭悠，黃強，等.基于工程教育面向產出的“電路”課程改革探索[J].寧波工程學院學報，2020，32（4）：108-113.

[5]孟繁祎，王瑩，于海，等.復雜軟件系統的重構技術：現狀、問題與展望[J].計算機科學，2020，47（12）：1-10.

[6]徐磊，蔡曉磊，傅海軍，等.基于虛擬仿真平臺的“電機學”教學實踐[J].電氣電子教學學報，2020，42（6）：30-32+37.

[7]韓淑萍.“雙一流”建設中的課程研究綜述[J].蘭州教育學院學報，2020，36（9）：69-71.

[8]張長平，王志強，王美艷，等.“雙一流”背景下高校工科研究生示范課程建設探索[J].決策探索（下），2020（12）：57-58.

[9]陳慶.基于復雜工程問題的檢測技術與儀表課程教學研究[J].教育教學論壇，2020（47）：241-244.

[10]周磊，王宇奇，喬貴方.工程教育專業認證背景下自動控制原理課程教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2020（19）：33-35.

基金項目：2020湖南省學位與研究生教育改革研究項目“湖南省內高校理工科碩士研究生科研創新能力的診斷及優化研究”（2020JGZD056）;湖南省普通高等學校課程思政建設研究項目“課程思政與工程教育融合路徑研究”（HNKCSZ-2020-0367）

作者簡介：谷志茹（1979-），女，漢族，新疆烏魯木齊人，博士，副教授，研究方向為通信系統。