基于物聯網應用驅動的《物聯網通信技術》課程教學改革研究與探索

項慧慧+邵星+孟海濤+皋軍

摘 要：針對現有《物聯網通信技術》課程偏理論輕應用的教學實際，分析物聯網行業對應用型人才的需要和物聯網工程專業應用型人才的培養目標，提出將理論教學環節與實驗教學環節合并為統一的課程教學環節，并在課程教學環節引入具有真實應用背景的物聯網應用系統設計的觀點。通過基于物聯應用驅動的教學改革，做到講授內容與應用精準對應，讓學生既能夠了解通信技術的原理性知識，又能熟悉如何在實際的物聯網應用場景中選擇合適的通信技術。

關鍵詞：物聯網應用驅動；教學改革；通信技術；物聯網

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.145

物聯網被譽為繼計算機、互聯網之后的世界信息產業的第三次信息技術革命，它涉及信息、通信、計算機、微電子、自動化等眾多學科，是典型的多學科交叉融合的專業，世界各國均將物聯網發展上升為國家戰略。在“兩化融合”和“感知中國”的國家戰略背景下，隨著“感知中國”計劃到“互聯網+”計劃的快速推進，我國也由“互聯網時代”向“物聯網時代”轉型，而《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》對以物聯網為代表的新一代信息作了戰略性部署。自2010-03教育部發布《關于戰略性新興產業相關專業申報和審批工作的通知》和2010-10國家發布《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》至今，物聯網工程專業經過了近20年的發展，目前，已有百余所高校開設了物聯網工程專業。由于物聯網工程專業是一個新興專業，沒有成熟的專業知識體系可以借鑒，而物聯網又是一個復雜的應用系統，涵蓋了多領域的應用和多學科的技術知識，融合了有線通信進而無線通信、長距離通信和短距離通信、接入網和核心網絡等多種通信技術以及如何在這些技術的基礎上結合現有的互聯網、移動通信網等構造物聯網應用系統，使得目前《物聯網通信技術》課程在內容設置上知識點雜亂，且偏重于理論知識介紹。本文將結合物聯網具體應用場景和系統架構，討論、分析通信技術在物聯網應用系統中所發揮的作用，并給出《物聯網通信技術》課程設置的一些見解，優化課程內容中技術應用方面的知識配置，以滿足物聯網工程專業培養工程應用型人才的要求。

1 《物聯網通信技術》課程特點和教學現狀

1.1 課程特點

物聯網是信息技術、通信技術、計算機技術發展到一定階段后出現的集成創新型應用技術，是多種異構通信技術與網絡融合的綜合性網絡，其基本架構如圖1所示。從圖1中可以看出，物聯網通信技術是實現物聯網應用的基礎，它貫穿于信息采集、信息傳輸、信息處理全過程，融合了接入網、核心網的多種通信技術，這使得《物聯網通信技術》課程內容需要涉及多種異構通信網絡及眾多通信技術和標準。這些異構通信網絡按照通信媒介可分為有線通信網絡和無線通信網絡，其中，有線通信技術涉及基于串行通信、CAN總線、802.3局域網等多種短距離有線通信技術和基于IP的互聯網技術，而無線通信網絡技術涉及到包含ZigBee、RFID、NFC、藍牙、6LowPan等的無線個域網技術，802.11無線局域網技術，802.16無線城域網技術，移動通信網絡技術和無線傳感器網絡技術，每一種通信技術都有其原理、特點及其所適用的物聯網應用場景。

由此可知，《物聯網通信技術》課程是物聯網工程專業的學科基礎，它最能體現出物聯網工程專業“物物相連”的特點。《物聯網通信技術》課程內容也應以互聯互通為主線，包含通信原理知識、技術應用和物聯網應用系統集成3個方面。由于通信技術發展很快，尤其是移動通信技術更新換代速度快，要求《物聯網通信技術》課程在內容設置上能夠緊跟最新前沿技術。

1.2 教學現狀

根據《高等學校物聯網工程專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）》提出的《物聯網通信技術》專業核心課程的知識體系和教學內容，現有《物聯網通信技術》課程教學模式主要按照傳統的理論教學和實驗教學設置，兩部分獨立進行，學時分配不夠優化。筆者所在高校的物聯網工程專業按照理論教學

40學時、實驗教學8學時分配，這就導致目前《物聯網通信技術》課程在內容設置上更偏重于理論知識介紹，從數據鏈路層延伸至物理層，忽略了從物聯網應用的角度闡述物聯網通信技術所發揮的作用。

1.2.1 教學內容重理論輕應用

理論教學模式依然采用的是傳統的方式，即根據教材內容制作PPT，采取教師講授、學生被動接受的課堂教學模式。從圖1中可以看到，《物聯網通信技術》課程涉及多種異構通信技術，涵蓋的知識面廣，包括的知識點繁雜。鑒于學時限制，傳統以講述枯燥的理論知識為主的理論教學模式使得學生不愿意上理論課，教師只是泛泛地講一些主要內容。這樣，不但會使學生失去學習興趣，更容易混淆所學內容，學生很難明確每項技術究竟如何應用于物聯網系統中。

現有《物聯網通信技術》教材也主要是介紹包括互聯網、無線傳感網、無線通信技術等各種通信技術的原理、網絡結構、網絡協議及其與物聯網的關系以及多網融合等內容，理論性非常強，需要學生具有較強的通信原理、信號與系統、移動通信等相關知識基礎，而這通常又是以計算機課程為主的物聯網工程專業學生所欠缺的，容易使學生對《物聯網通信技術》課程開設的必要性及其與物聯網工程專業的關系產生疑惑，感到迷茫。這些技術內容與專業核心課程中的通信原理、無線傳感器網絡、RFID原理及應用，物聯網應用程序設計的課程內容多有重復，如果排除這些重復內容，《物聯網通信技術》課程只需要涉及無線網絡技術和移動通信技術，但這又使得物聯網涉及到的通信技術分散在多門課程中，不利于學生系統掌握物聯網通信技術的知識，更無法培養學生根據應用場景選擇通信技術的技能。

1.2.2 實驗教學內容單一

實驗課程基本是基于CC2530節點、傳感器模塊和IAR開發環境進行的，雖然是硬件電路連接與軟件程序調試相結合的實驗過程，但受實驗學時的限制，現有的實驗教學形式大多是教師直接將調試好的程序給學生，學生只需要進行將傳感器模塊與CC2530節點連接的簡單硬件操作，然后就直接通過仿真器加載程序，觀察結果。在實驗教學過程中，由于硬件連線非常簡單，學生沒有真正經歷代碼開發和調試過程，只是簡單運行，沒有達到實驗教學培養學生動手操作能力的目的。實驗設置以基礎性的數據采集實驗為主，實驗課程內容比較單一，往往只涉及基于CC2530節點的串口通信技術和ZigBee技術，實驗內容與理論課程涉及到的眾多通信技術脫節，學生并沒有真正掌握物聯網通信技術是如何實現物物相連的系統性知識，導致這門專業的核心課程被學生忽視，教學效果與培養目標相差甚遠。

2 《物聯網通信技術》課程教學改革的必要性

根據《高等學校物聯網工程專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）》提出的應用型人才培養目標，應用型人才應該在掌握物聯網應用相關軟件和硬件的功能和性能的基礎上，能承擔物聯網系統建設、集成、配置和維護的主要任務。《物聯網通信技術》是一門應用性很強的課程，需要學生在理解必要理論知識的基礎上，具備解決實際問題的能力。

因此，有必要開展《物聯網通信技術》課程教學改革研究，依據物聯網工程專業的特點和人才培養需要設置教學內容，探索面向物聯網應用的新教學方法，不斷完善學生的知識結構，培養他們的實踐能力和學習的主動性、應用能力、創新能力。而基于物聯網應用驅動的教學模式是以學生為主體，教師為引導，通過分組完成應用項目的教學，培養學生的主觀能動性、技術應用能力、團隊合作精神和創新能力，這也符合《物聯網通信技術》課程教學改革的要求。

3 基于物聯網應用驅動的教學模式設計

基于物聯網應用驅動教學模式是綜合探究式教學模式和項目驅動教學模式的教學法，它結合實用背景設置物聯網應用項目的教學模式，提高學生的綜合素質和各種能力。因此，將筆者所在高校的物聯網工程專業開設的《通信原理》《傳感器原理與應用》《無線傳感器網絡》《計算機網絡》《RFID原理及應用》《物聯網應用程序設計》等課程的學時整合，構建物聯網應用驅動的教學體系，在項目設置的過程中，分別以無線傳感器網絡技術、RFID技術、移動通信技術等為重點，根據教師的研究方向有針對性地安排教學，重點突出某種技術在物聯網應用系統中作用的系統性知識，輔助介紹簡單的原理性知識，以加深學生對技術理論的了解。

3.1 教學組織過程

基于物聯網應用驅動的教學模式組織過程如圖2所示。

3.1.1 創建應用場景

創建應用場景是實施基于物聯網應用教學的第一步，也是最關鍵的一步。應用場景創建的合理性直接影響了基于物聯網應用教學的實施結果。結合圖1的物聯網基本架構，教師根據每個應用系統中需要學生重點掌握的通信技術來創建應用場景，確定設計目標，并明確通信技術的類型（例如有線或無線、近距離或遠距離等）、通信基本原理、網絡拓撲結構等多個知識點。

應用場景的設置要具有開放性和探究性，難易適中，并且最好是學生平時能夠接觸到的物聯網應用場景，例如智能家居、智能停車場、高速公路ETC收費等。教師引導學生參與應用系統設計中，可以通過成績或其他獎勵方式鼓勵學生自行查閱資料或與其他同學交流，最終通過分組合作完成設計方案。

3.1.2 應用系統設計

教師講解系統功能和整體架構，根據學生前期環境搭建完成情況進行功能分解，要求學生根據自己的任務查閱資料，指導學生了解硬件電路工作原理，并進行軟件設計，積極鼓勵學生通過團隊合作完成系統整體調試，實現設計目標。

在輔助的課堂講授中，講授內容緊扣具體應用場景中物-物互聯的主線，在簡單介紹原理性技術知識的基礎上，以如何基于多種不同的通信技術實現物聯網系統架構為重點，注重引導學生對比、分析某個具體應用場景中不同通信技術的作用，加深學生對物聯網中“網”的理解和掌握，培養學生選擇通信方案、解決實際應用問題的能力。

3.1.3 應用和拓展

每一個項目設計完成后，設置一節課讓學生走上講臺，闡述自己的設計觀點和設計思路，重點介紹應用系統中涉及的通信技術的原理和開發過程，并鼓勵其他學生積極參與討論。由筆者已經實踐的分組報告環節效果來看，讓學生充當講授者，教師作為引導者與學生共同探討相關知識點，能極大地提高學生學習的積極性。同時，準備分組報告也能增強學生對物聯網工程專業的學習興趣，而課堂報告也能發掘出動手操作能力比較強的學生，為后續參加全國高校物聯網應用創新大賽、物聯網程序設計大賽等相關競賽做好準備。

3.1.4 過程評價

教師對學生完成的應用系統和設計過程的評價，主要依據學生在設計過程和課堂報告中的表現、學習成績體。教學改革后的《物聯網通信技術》課程的成績包括3部分，即設計過程成績、課堂報告成績和期末成績。

設計過程成績是根據教師在設計過程中布置的問題所提交的電子版作業所獲得的，占總成績的20%.在設計過程中，布置的問題要與應用背景和《物聯網通信技術》課程的知識點緊密相關。例如，實際環境中影響無線通信質量的因素有哪些？超聲波測距的范圍受什么限制？

課堂報告成績根據學生在課堂報告環節的表現給出，占總成績的30%.學生在課堂報告環節需要講解設計思路、程序構成和代碼、設計過程中遇到的問題，鼓勵其他同學在聽取匯報后積極提問。經過討論，學生既可以了解完成相同應用項目時其他同學的思路，也可以掌握未實現功能的解決方法。例如，分組中的學生分別負責數據采集模塊、數據傳輸模塊和數據顯示模塊等任務。通過課堂報告，完成數據傳輸模塊的學生可以掌握數據采集模塊或數據顯示模塊的實現方法，同樣，完成數據采集模塊的學生可以掌握數據傳輸模塊或數據顯示模塊的實現方法。

期末成績是期末考試的卷面成績，占總成績的50%.教學改革是為了提高學生的應用能力，培養學生的團隊合作精神和創新能力，因此，卷面成績所占比例相應減少。期末考試采用開卷考試的形式，結合應用場景設計與物聯網通信技術知識點相關的考試內容，通過設置開放性、設計性題目，進一步加強學生對主要通信技術原理和應用的認識。例如，在智能交通物聯網中，要想實現公路物聯網、鐵路物聯網、航空物聯網、水路物聯網等應用，需要哪些通信技術配合實現互聯互通？

3.2 教學內容組織

基于物聯網應用驅動的教學項目包括基礎應用和綜合應用2大部分，具體如表1所示。

基礎應用的主要功能是基于各種類型傳感器實現數據采集，并傳到上位機顯示。這里涉及到了短距離的有線通信技術和無線通信技術，例如串行通信技術、RFID技術等。

在通過基礎項目熟悉各種類型傳感器數據采集原理的基礎上，任何一個物聯網應用項目都是根據多種通信技術的融合實現互聯互通的，所以設置綜合性應用項目的目的是讓學生結合圖1的物聯網架構，根據具體的應用場景設計物聯網應用系統，了解不同類型的通信技術在具體物聯網應用系統中的作用。例如，短距離有線通信技術與無線通信技術、移動通信技術等的區別，并輔助以簡單的原理性知識，讓學生在“做中學，學中做”。

4 結束語

根據物聯網工程專業的培養目標和物聯網行業對人才的需要，本文主要研究了基于物聯網應用驅動的教學模式在《物聯網通信技術》課程中的應用，涉及應用場景的創建、應用系統設計、應用和拓展、教學過程評價4個方面的教學設計。通過基于物聯網應用的教學改革，可以使課程培養目標朝著技能型、應用型、合作型和創新型進行有益的探索。另外，本文的研究成果對物聯網工程專業其他課程的教學也有較大的借鑒意義。

參考文獻

[1]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）.

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

[3]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發展戰略研究報告暨專業規范（試行）[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]胡成全，魏曉輝，鐘麗鴻，等.物聯網工程專業課程設置與實踐教學體系設計[J].計算機教育，2015（09）.

[5]錢麗萍，黃亮，陳慶章.物聯網工程專業通信原理課程教學改革探究[J].計算機教育，2016（03）.

[6]石柯，秦磊華.物聯網通信技術課程建設研究[J].計算機教育，2014（11）.

[7]牛磊.物聯網通信相關課程設置存在的問題與對策[J].福建電腦，2016（06）.

[8]史艷翠，郝宇，楊巨成，等.探究式教學模式在《物聯網通信技術》課程中的應用[J].科技與創新，2017（01）.

[9]郎春玲.物聯網工程專業項目驅動教學改革的研究與探索[J].電子測試，2016（09）.

〔編輯：白潔〕