物聯網技術與應用課程的課堂教學探究
——以網絡工程專業為例

李瑞霞，涂勁松，郭垸汝

（皖西學院，安徽六安 237012）

物聯網技術與應用課程的課堂教學探究
——以網絡工程專業為例

李瑞霞，涂勁松，郭垸汝

（皖西學院，安徽六安 237012）

探討網絡工程專業物聯網技術與應用課程的重要性，確定課程教學主要內容。提出了結合課堂教學和輔助教學活動開展物聯網技術與應用課程的教學新模式，并利用評價指標進行分析。結果表明，運用此方法不僅可以培養學生分析問題解決問題的能力，同時有助于提升其跨學科知識的學習能力。

物聯網；體系架構；評價指標

0 引言

近年來，物聯網技術越來越多地走進了人們的生活，得到國內外企業、政府和教育部門的高度重視。物聯網可以應用于多行業，關鍵技術多樣且復雜，綜合性較強，對專業人才需求量非常大。然而，高等院校本科教育在人才培養過程中，物聯網專業尚屬新專業，可以借鑒的成熟的人才培養方案并不多，授課經驗豐富的專業教師相對比較緊缺，所以如何上好物聯網技術與應用這門專業核心課程，使之符合網絡工程專業人才培養目標是一個值得探討的課題。

耶魯大學校長理查德萊文曾在一次演講中提到，目前我國高等教育缺乏跨學科的知識廣度[1]，可以通過廣泛地接觸多個學科領域知識，拓展學生的視野，從而培養其創造性地解決問題的能力。物聯網技術與應用作為網絡工程專業的專業核心課程，知識點覆蓋了電子、通信、網絡和計算機多個學科的交叉應用，既有基礎理論知識的學習，也有應用案例的分析設計及編程，所以本課程的學習既可培養學生的專業技能，也是拓寬學生視野的窗口，可以幫助學生通過更多更廣的維度來理解專業，發展其創新思維。

1 相關工作

目前，許多工科類的大學已開設了物聯網專業，也有部分大學將物聯網技術與應用課程作為信息類專業的必修課，然而物聯網技術與應用課程無論是對專業教育還是非專業的教育，在教學過程中都存在諸多困難[2]。主要由于課程本身是各種技術的綜合，內容多而且比較復雜，因此要求學生需具備一定的理論基礎方可達到較好的學習效果。如果教學方法不當，學生會覺得理解抽象從而失去學習信心[3]。為了解決這種困境，許多教師進行了教學方法的探索和改革，文獻[4]中作者提出物聯網課程作為一個流對象，完整的課程學習分為10個等級，第1級重點在于培養學生的編程能力，第2級側重進行Web設計與開發，第3-4級側重安卓開發，第5-8級則需要學生深入學習物聯網的相關理論知識，最后9-10級要求學生以小組的形式解決某個實際應用問題。部分教師從物聯網的三層體系及每層的主要功能和涉及的關鍵技術進行課程教學。文獻[5]介紹了一個學習系統，該系統整合了傳感器、執行器、LDR、照相機、處理器、APP及3D打印等功能。綜合上述方法，本文提出了課堂教學結合輔助教學活動開展物聯網技術與應用課程，以適合網絡工程專業學生的學習。通過開展相關教學活動一方面培養學生的興趣，借助于特定應用場景更好地理解相關技術，另一方面通過該活動，學生愿意主動思考并發現物聯網在生活中的一些創新。

1.1 課堂教學

1.1.1物聯網體系架構

物聯網技術與應用課程作為網絡工程專業的一門專業核心課通常開設在大學第6學期[6]，在學習本課程之前，學生已經具備了一定的基礎知識，所以本課程的學習主要通過認識物聯網的體系架構進行學習，物聯網體系架構如圖1所示，主要分為感知層、網絡層和應用層三層。

圖1 物聯網體系架構

感知層：大學第4、5、6學期開始陸續開設了RFID技術、傳感器技術及嵌入式系統等專業基礎課程，通過上述課程的學習，學生可以理解感知層獲得數據的基本原理及過程，使得物聯網的實現成為可能。

網絡層：從第5、6學期開始學生學習計算機網絡、移動通信及無線傳感網等課程，通過這部分課程的學習，學生逐步理解數據如何從物到網，可以根據位置、距離及環境等從多方面綜合考慮，采用有線網絡、移動網或者各類無線網絡解決特定的應用需求。

應用層：在應用層學生不僅要掌握開發技能，還要熟悉云計算等關鍵知識。C語言通常開設在大學一年級，是物聯網開發中重要的一門語言課，學生有較大的興趣，課程學習本身較容易，因此，C語言將是網絡工程學生編程必備的基本功。Java語言是面向對象的編程語言，可以實現跨平臺，同時也便于學習web開發，因此，在第6學期開設該課程。操作系統課程的學習將針對網絡工程專業應用性較強的特殊性，要求學生熟悉linux環境下的一系列操作，以便適應不同的應用場景。

1.1.2物聯網技術與應用主要授課內容

經過以上基礎課程的學習，物聯網技術與應用課程可以安排在第6學期進行學習，其課程性質屬于專業核心課，學分為3分，理論課占40課時，實驗課占8課時。課程覆蓋的主要知識點如圖2所示。主要授課內容共分為8章。在前3章學習的時候不需要開設實驗課，基本以課堂教學為主。4-6章側重介紹具體應用中的軟件硬件設計方法、各種接口技術以及終端器件的編程。第4章討論氣象監測的設計方法與實例研究，第5章用Python說明接口編程，第6章討論物聯網終端設備。這三章內容屬于物聯網的關鍵技術，需要學生具備一定的基本理論，在理論教學的同時可以開展實驗教學，在此期間教師課堂教學要結合學生動手實驗進行。最后7-8章是關于連接云端的設計細節，具體通過在智能家居、校園安全和智能城市等應用中的案例，主要體現在項目實施過程中，所以學生需要結合云計算基本知識及行業應用體系架構進行學習[7]。

圖2 物聯網技術與應用課程知識體系

1.2 輔助教學活動

輔助教學活動在幫助學生學習的過程中遵循物聯網原型系統分層思想，主要通過開展相關活動讓學生熟悉各類設備的工作原理、方法及編程接口等。其中感知層的主要元素包括各類傳感器等終端設備，主要技術為傳感技術、RFID技術等。網絡層分為有線通信和無線移動通信，應用層主要包括各種接口技術和應用層模塊。本文設計的輔助教學活動，是為了培養學生的學習興趣，提高學生的學習能力、實踐能力和創新能力。

1.2.1 教學活動分類

在本文討論的方法中主要開展兩個層次的教學活動，活動1基于原型物聯網系統進行設計，活動計劃在學期初即可公布，持續時間為4周，約在學期的第3周至第7周之間進行。與此同時，學生可以結合大學生創新創業項目、物聯網或者互聯網+等相關競賽中創意賽開展活動。鑒于網絡工程專業學生經過物聯網技術與應用課程約4周的課堂學習，對物聯網有了基本的認識，通過自己的思考就可以發現在生活中利用物聯網解決的一些實際問題，進而進行原型系統的設計。隨著課堂教學的深入學習，學生不僅了解了物聯網的基本框架，也掌握了其實現的關鍵技術，因此可以繼續開展活動2。在該過程中學生主要解決技術問題，通過請教老師、小組討論及借助網絡等多種渠道學習，進而建立Web開發框架，最終實現完整的系統開發。

1.2.2 實施教學活動

將學生進行4人一個團隊分組，學生也可以根據自己的興趣自行組隊，針對不同應用進行案例選取。教師會提前給學生提供相關參考資料并進行任務分解，每個小組將解決某個應用的特定問題。其中主要問題涉及如下幾個方面。

（1）終端設備：小組的任務是選擇適合某原型系統開發所需的不同的面板、傳感器和接口技術等。讓學生熟悉Arduino，Intel Galileo和Raspberry Pi接口板，掌握建立原型系統開發示意圖的工具等基礎知識。例如，超聲波傳感器HC-SR04用于智能廢物管理和智能停車場系統，在智能廢物管理系統中傳感器可以識別廢物的分類，在智能停車系統中用于識別汽車是否停放完好；PIR運動傳感器用于家庭入侵檢測系統中識別入侵者；在氣象監測系統中DHT11（數字溫濕度傳感器）用來記錄溫度和濕度；MQ-135氣體傳感器可以檢測有害氣體，如氨氣、硫化氫、苯蒸汽等用于“空氣污染監測系統”；土壤水分傳感器、繼電器和伺服電機可應用于智能灌溉系統中。

（2）網絡層組件的接口：終端設備連接到互聯網通常通過使用有線連接（以太網電纜）、藍牙、ESP8266 WiFi模塊或GSM模塊。nodemcu Wi-Fi模塊第十二版ESP8266因其簡單常被應用于連接互聯網。

（3）應用層組件：數據庫存儲、網絡服務器的配置，建立與云服務的開發者賬戶和傳感器數據到Web服務器的交互都屬于應用層，processing-3.0.2版本可以用于互連Arduino Uno串口數據到服務器。WampServer使學生運用Apache Web應用服務器進行開發，PHP作為編程語言和MySQL數據庫存儲，傳感器收集的數據被推到云端進行分析。另外，部分團隊還給用戶提供手機的通知功能。

2 教學效果評價

通過觀察，每一個團隊成員都會致力于實現其設定目標。例如物聯網原型系統開發智能停車設施項目，使市民可以在擁擠的停車場找到免費停車位。學生首先在活動1的學習過程中選擇運用超聲波傳感器建立了一個原型系統組件，用來檢測存在的障礙物，障礙物被看做是一輛車。超聲波傳感器用于發送障礙物的距離，通過查詢服務器，用戶可以通過移動終端或互聯網訪問停車區中空閑車位信息。接下來繼續開展活動2，學生可以使用Web開發框架的用戶界面構建。通過簡單的網頁設計活動圖以及實物分析接口編程技術進而實現本地應用。如果有興趣學生可以繼續建立傳感器與因特網之間的接口，進行數據庫存儲，推送傳感器數據到云端，對移動通知事件的發生等進行完整的應用設計、分析、實現及測試。

評價指標從可行性、科學性、創新性三個維度對學生學習效果進行評價[8-10]，如表1所示。通過對學生提交的作品及成果報告最終分析，來判斷課程開展課堂教學結合輔助教學活動的實際成效。具體來說，就是通過“可行性、科學性”去評判其對課程內容的熟悉情況，通過“創造性”來判斷成果是否有創新，是否有不同于現有成果的構想或設計。

表1 課程教學效果評價指標

在本文評價系統中采用4個等級的評分標準“優、良、中、差”，分別賦予 5分、4分、3分、2分（④③②①）的分值，可以形成教師教學和學生學習效果總分100的評價。最終評價要反饋給教師和學生，既可以用于各階段的形成性評價，也可以用于終結性評價。它可以在課程教學過程中多次進行，每一個評價階段本身就是鑒定、引導、促進教師和學生發展的過程。

3 結語

本文所探究的教學方法，在課堂教學的同時根據教學內容和知識點本身的性質進行理論結合實踐、課上教學結合課下實踐、課程學習結合競賽積極參與實際項目的開發，使學生主動接觸到物聯網最新的技術。理論教學收獲的知識幫助學生們培養開發物聯網的專業技能，實踐活動的鍛煉讓學生掌握物聯網原型系統的分析設計、開發及實施過程，通過該教學方法可以培養學生跨領域知識的學習能力。

［1］本刊編輯部.美國耶魯大學校長理查德·萊文：以批判眼光看中國本科教育［J］.國際人才交流，2011，（3）：12-14．

［2］辛政華，宋啟祥，李建新.物聯網技術及應用課程教學路徑探析［J］.宿州學院學報，2015，30（6）：122-123.

［3］Ling Lu，Yin Gui，LiHua Li.The Teaching Method Reformation for the Artificial Intelligence Course［A］.Proceedings of 2015 2nd International Conference on Education，Management and Information Technology（ICEMIT 2015）［C］.2015：368-371.

［4］Cha J S，Kang S K.The study of a course design of IoT manpower training based on the HOPPING education system and the ESIC program ［J］.International Journal of Software Engineering&Its Applications，2015，9（6）：71-82.

［5］Pruet P，Ang C S，Farzin D，et al.Exploring the Internet of“E-ducational Things”（IoET）in rural underprivileged areas［C］//International Conference on Electrical Engineering/electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology.IEEE，2015：1-5.

［6］趙蘇驊，王琳.物聯網導論課程的課堂教學探究—以非物聯網工程專業為例［J］.成都師范學院學報，2015，31（11）：121-124.

［7］Raikar M M ，Desai P，Naragund J G.Active Learning Explored in Open Elective Course：Internet of Things （IoT）［C］//IEEE Eighth International Conference on Technology for Education.IEEE，2017：15-18.

［8］楊瑞軍.實踐教學評價體系的研究 ［J］.機械管理開發，2010，25（4）：158-161.

［9］魯志萍.高職院校計算機網絡技術專業建設的幾點思考［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2008，8（5）：98-101.

［10］陸長平，姜 銳，鄧慶山.構建探究式教學課程評價指標體系［J］.中國大學教學，2013，（6）：76-88.

Classroom Teaching Research on the Course of Internet of Things——Network Engineering Major as the Case Study

LI Rui-xia，TU Jin-song，GUO Yuan-ru
（West Anhui University，Lu'an 237012，China）

The paper explores the importance of curriculum about Internet of Things technology and application on the network engineering major teaching，it determines the main content of the course.It proposes a new teaching model of Internet of Things technology and application course combining with classroom teaching and auxiliary teaching activity，uses the evaluation index to analyze.The results show that method not only develops students' ability to analyze and solve problems but also helps to enhance their learning skills across interdisciplinary knowledge.

internet of things;architecture;evaluation index

TP399

A

1674-3229（2017）04-0116-04

2017-06-22

安徽省教育廳質量工程項目（2016jyxm1103）；皖西學院校級自然科學重點項目（WXZR201711）；皖西學院校級質量工程項目（wxxy2017122）

李瑞霞（1978-），女，碩士，皖西學院電子與信息工程學院副教授，研究方向：大數據處理、人工智能學習。