《物聯網技術與應用》課程教學初探

張韜政++杜懷昌++孟放

摘 要：根據中國傳媒大學《物聯網技術與應用》課程的教學實踐情況，在課程的教學目標、知識體系及內容安排等方面進行了深入研究，通過采用“翻轉課堂”模式將課堂內外相結合、教學與科研相結合、“走出去”與“引進來”相結合等教學方式，在教學方法上進行了有益的嘗試，取得了良好的效果，期望對今后該課程的教學有所幫助和啟示，為培養出社會需要的物聯網專業人才貢獻力量。

關鍵詞：物聯網技術與應用 教學目標 知識體系 內容安排 教學方法

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0162-03

物聯網（Internet of Things，IoT）概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出，隨著技術和應用的發展，物聯網內涵不斷擴展[1]。目前業界普遍認為：物聯網是通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸，它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互聯，進行計算、處理和知識挖掘，實現人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的[2-5]。

物聯網可以廣泛應用于經濟社會發展的各個領域，引發和帶動生產力、生產方式和生活方式的深刻變革，成為經濟社會綠色、智能、可持續發展的關鍵基礎和重要引擎[6]。近年來，在“兩化融合”和“感知中國”等國家戰略背景下，物聯網發展受到了我國政府、科研、教育、產業界的高度關注。我國經濟社會各領域蘊含巨大的物聯網應用潛能，眾多行業對物聯網技術人才需求旺盛[7]。為此，中國傳媒大學于2012年通過教育部審批，依托理工學部信息工程學院網絡工程系開辦物聯網專業方向，成為全國較早面向本科生開設物聯網專業方向的高校之一。

1 課程教學目標

《物聯網技術與應用》是網絡工程系物聯網技術專業方向學生學習的第一門專業課，其主要目的是使學生了解物聯網的基本概念和相關技術，對物聯網在各個領域的典型應用有所認識，在此基礎上了解物聯網系統的整體框架，明確物聯網工程各個專業課程的意義和課程之間的關系，為后續的學習打好基礎，同時激發學生的學習興趣[8]。因此，《物聯網技術與應用》課程的講授成功與否關系到物聯網人才培養的質量，進而影響到我國物聯網技術發展的進程[9]。

2 課程知識體系及內容安排

2.1 知識體系

物聯網的架構分為3個層次：感知層、網絡層和應用層，如圖1所示[1]。

感知層是物聯網的“皮膚”和“五官”，用于識別物體、采集信息，是聯系物理世界與虛擬信息世界的紐帶。感知層中的自動感知設備包括：RFID標簽與讀寫設備、傳感器、GPS、智能家用電器、智能測控設備等；感知層中的人工生成信息設備包括：智能手機、智能機器人等。

網絡層分為接入層、匯聚層與核心交換層。接入層通過各種接入技術連接最終的用戶設備。匯聚層的功能為：匯接接入層的用戶流量，進行數據分組傳輸的匯聚、轉發與交換；根據接入層的用戶流量，進行本地路由、過濾、流量均衡、優先級管理，以及安全控制、地址轉換、流量整形等處理；根據處理結果把用戶流量轉發到核心交換層或在本地進行路由處理。核心交換層為物聯網提供一個高速、安全與保證服務質量的數據傳輸環境。匯聚層與核心交換層的網絡通信設備與通信線路構成了傳輸網。

應用層可以進一步分為管理服務層和行業應用層。管理服務層通過中間件軟件實現了感知硬件與應用軟件物理的隔離與邏輯的無縫連接，提供海量數據的高效、可靠地匯聚、整合與存儲，通過數據挖掘、智能數據處理與智能決策計算，為行業應用層提供安全的網絡管理與智能服務。行業應用層由多樣化、規模化的行業應用系統構成，包括：智能電網、智能環保、智能交通、智能醫療等。

此外，涉及感知層、網絡層與應用層的共性技術包括信息安全、網絡管理、對象名字服務與服務質量保證等。

2.2 內容安排

《物聯網技術與應用》課程的內容安排[10-12]如圖2所示，其中，各部分包含的主要內容有[1-6]以下幾方面。

物聯網概論：物聯網發展的社會背景、技術背景；物聯網的定義與主要技術特征；物聯網體系結構；物聯網關鍵技術與產業發展。

RFID技術：自動識別技術的發展背景、條形碼簡介、磁卡與IC卡的應用、RFID、RFID應用系統結構與組成、RFID標簽編碼標準。

傳感器技術：傳感器；智能傳感器與無線傳感器；無線傳感器網絡；無線傳感器網絡通信協議與標準。

嵌入式技術：智能設備的研究與發展；集成電路；嵌入式技術的研究與發展；RFID讀寫器與中間件軟件設計；無線傳感器網絡節點設計；可穿戴計算研究及其在物聯網中的應用；智能機器人研究及其在物聯網中的應用。

移動通信技術：通信技術的發展；移動通信技術的研究與發展；3G技術與移動互聯網應用的發展。

定位技術：位置信息與位置服務；物聯網中的位置服務；定位系統；移動通信定位技術、基于無線局域網的定位技術、基于RFID的定位技術、無線傳感器網絡定位技術。

數據處理技術：物聯網數據處理技術的基本概念；海量數據存儲技術；物聯網海量數據存儲與云計算；物聯網數據融合技術；物聯網中的智能決策。

信息安全技術：物聯網信息安全中的四個重要關系問題；物聯網信息安全技術研究；RFID安全與隱私保護研究。

物聯網的應用：智能電網；智能交通；智能醫療；智能物流。

3 課程教學方法

自2014年春季學期《物聯網技術與應用》課程首輪授課起至今，筆者已從以下幾方面做了有益嘗試，取得了良好的效果。

3.1 采用“翻轉課堂”模式將課堂內外相結合

翻轉課堂譯自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”，是指重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。該教學模式需要學生在課后完成自主學習，即自主規劃學習內容、節奏、風格和呈現知識的方式，可以通過看視頻講座、聽播客、廣泛閱讀各種書籍、與其他同學討論等方式進行。教師則采用講授法和協作法來滿足學生的需要和促成他們的個性化學習，其目標是為了讓學生通過實踐獲得更真實的學習體驗。翻轉課堂是對傳統課堂教學結構與教學流程的徹底顛覆。

在該課程的講授方式上，筆者嘗試引入“翻轉課堂”模式，轉變以往授課過程中教師“滿堂灌”、學生只是被動接受的傳統教學模式，利用教學實踐中小班授課、學生人數較少的優勢，使每位同學都有機會走上講臺，輪流充當“教師”的角色，過一把“教師癮”，從而充分調動學生的學習積極性和主動性。具體的實施過程為：首先，請每名學生選取物聯網學科中自己較為感興趣的一項具體技術作為自己的講授對象，通過廣泛查閱書籍文獻資料、上網搜索最新科技資訊等方式了解該項技術的來龍去脈、前世今生及發展前沿。然后，請學生自制課件，通過文字、圖片、視頻等方式形象生動地向大家講解艱澀枯燥的具體技術內容。其間，其他同學可以隨時提問，形成良好的互動效果，極大地活躍了課堂氣氛，同時也鍛煉了學生的邏輯思維能力和語言表達能力。最后，由教師點評學生的表現，指出其講解的優缺點，并補充完善知識點內容。學生的個人表現很大程度上決定了該門課程的個人結課成績。通過3年來具體的實踐，筆者發現學生們搜集資料的深度和廣度都遠遠超出了筆者的預期。作為老師，在授課的同時也收獲了很多新知識，達到了教學相長的目的。

3.2 教學與科研相結合

教師授課過程中應避免簡單生硬地照本宣科，而應以自身的科研經歷和科研體會現身說法，以激發學生的學習興趣。物聯網作為一門新興學科，發展日新月異。每輪備課時都要加入新的科技進展，對于教師來講，在科研方面需要不斷地關注科技前沿動態，及時更新知識，極具挑戰性。就筆者而言，由于一直從事數據挖掘領域的研究，在講授第八章《物聯網數據處理技術》時，就結合目前正在進行的有關電視節目受眾收視情況的數據挖掘研究課題，以實驗中具體的數據、模型為例，為學生講解數據挖掘技術的具體流程和其中的關鍵步驟，從而進一步加深學生對該技術的理解程度。

3.3 “走出去”與“引進來”相結合

“走出去”是指教師應當經常參加國內外相關教研機構組織的高校物聯網專業建設的培訓班、研討會等，廣結同行，吸取其他兄弟院校專業建設、課程改革的成功經驗，達到“它山之石可以攻玉”的目的。此外，還可以與國內一些專業從事物聯網技術的企業建立良好的合作關系，建立學生實習、實訓基地。學生可以到企業實地參觀相應的產品生產線，以便與課堂中學到的知識點概念、原理聯系起來，獲得感性認識，從而加深理解。同時，學生可以利用寒暑假時間到企業實習或選派學生到企業進行畢業設計，不但使學生掌握了物聯網技術、熟悉了企業的運行模式，還可以為企業提供專業的人才，拓展學生的就業渠道[13]。

“引進來”是指教師應當定期邀請國內外物聯網專業的權威教授、相關技術人員走進課堂、走上講臺，為學生帶來最新的行業發展信息。此外，在教材選擇方面，教師應當不局限于國內出版的一些經典教材，還應當廣泛引進國外的外文教材，追蹤國際領先的前沿技術[14]。

綜上所述，文章從“物聯網技術與應用”課程的教學目標、知識體系及內容安排、教學方法等方面進行了探討。由于物聯網技術是近年來的新興技術，該課程也是中國傳媒大學理工學部信息工程學院網絡工程系自2014年首次引入的新課程，一切還在逐步摸索過程中，因此，探尋一套適合本專業學生的課程教學方案任重道遠。

4 結語

此文是筆者近3年來參加物聯網專業建設研討班培訓、備課、授課的心得體會。由于筆者的經驗有限，考慮問題難免有失偏頗，望與各位讀者共同探討。作為一名青年教師，筆者未來仍然需要逐步沉淀，不斷思考、總結、實踐，為培養出社會需要的物聯網專業人才貢獻力量。

參考文獻

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[2] 劉云浩.物聯網導論[M].北京：科學出版社，2010.

[3] 王志良，石志國.物聯網工程導論[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[4] 王汝傳，孫力娟.物聯網技術導論[M].北京：清華大學出版社，2011.

[5] 張凱，張雯婷.物聯網導論[M].北京：清華大學版社，2012.

[6] 黃東軍.物聯網技術導論[M].北京：電子工業出版社，2012.

[7] 詹青龍，劉建卿.物聯網工程導論[M].北京：清華大學出版社，2012.

[8] 石志國，王志良，丁大偉.物聯網技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2012：9.

[9] 陳明，王鎖柱.物聯網的產生與發展[J].計算機教育，2010（12）：1-3.

[10] 教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會.高等學校物聯網工程專業實踐教學體系與規范[M].北京：機械工業出版社，2011.

[11] 吳功宜.對物聯網工程專業教學體系建設的思考[J].計算機教育，2010（21）：26-29.

[12] 桂小林.物聯網技術專業課程體系探索[J].計算機教育，2010（16）：1-3.

[13] 石志國，王志良，姚亦飛，等.“物聯網技術與應用”課程規劃與共享資源建設[J].計算機教育，2012（21）：19-22.

[14] 吳韶波，文江川.“物聯網工程導論”課程教學研究[J].課程教材改革，2014（297）：111.