面向應用的《物聯網通信技術》教學研究與改革

亢艷芹　劉進　劉濤　王勇　張新楊

摘 要：針對物聯網通信技術課程知識點雜亂、教學手段單一的教學現狀，在深入分析該課程知識體系的基礎上，整合優化教學內容，并提出了一種面向物聯網應用的教學模式，將理論知識和工程應用精準對應，激發學生學習興趣，并且能夠讓學生在掌握通信技術原理性知識的基礎上，將所學的知識應用到解決實際工程項目問題中。

關鍵詞： 物聯網;通信技術; 面向應用; 工程應用能力

中圖分類號：G642.4 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0171-03

1 引言?

物聯網在智能家居、智慧農業、環境監測等領域有很大應用前景，它融合了通信、自動化、微電子、計算機等多學科的技術知識，其中通信技術貫穿于物聯網系統中信息采集、信息傳輸和信息處理整個過程，是實現物聯網應用的基礎[1-2]。《物聯網通信技術》這門課主要介紹各種通信技術的工作原理，通過學習本課程，使學生系統且全面地學習各類物聯網通信技術的基礎知識和關鍵技術，培養學生依據應用場景選擇通信技術進而設計物聯網應用系統的能力[3-4]。

2 《物聯網通信技術》課程教學現狀

現有《物聯網通信技術》教材的內容主要是有線通信、無線通信、無線傳感器網絡、互聯網等各種通信技術[5]。而物聯網工程專業的其他課程，比如《RFID原理及應用》《傳感器技術與應用》《無線傳感器網絡原理》等也會涉及部分物聯網通信內容，容易使學生感覺課程內容的重復，質疑這門課開設的必要性，但如果刪除，會使得物聯網系統中的通信技術分散在多門課程中，難以使學生對通信技術有整體的認知。其次，這門課程本身的特點是知識點雜亂涉及面廣，并且是看不見摸不著抽象難懂的理論知識，再加上理論教學大多采用傳統的滿堂灌授課方式，導致學生缺乏學習的積極性和主動性。因此，現行《物聯網通信技術》課程的教學內容和教學模式需要進行優化整合，以滿足教學需求。

2.1 知識點雜亂，涉及面廣

《物聯網通信技術》課程內容涉及多種異構通信網絡及眾多通信技術和標準，常見的有紅外技術、射頻識別技術、Zigbee技術、藍牙技術、無線局域網以及移動通信網等無線通信技術和RS-232、USB、CAN總線等有線通信技術[6-8]。每種通信技術都有不同的工作原理、主要特點及其在物聯網系統中的應用場景和應用對象，學生容易混淆所學內容，并且這些課程內容的學習需要學生具備《信號系統》《通信原理》《模擬電子線路》和《通信電子線路》等先修課程的相關知識，而這通常是物聯網工程專業學生所欠缺的。

2.2 教學手段單一

目前，物聯網通信技術的理論教學采用傳統的“滿堂灌”授課方式，教師根據教材內容制作PPT，整節課按部就班地講解每種通信技術的理論知識，缺少與學生的互動，學生似懂非懂被動聽課。《物聯網通信技術》的學習內容多數是看不見摸不著的抽象知識，如ZigBee技術的拓撲結構，協議體系，移動通信中的多址接入方式、分集技術、鑒權與加密等，甚至有更為抽象的信源編碼、調制技術等，涉及多門學科的交叉，如果采用傳統的教學模式，不僅知識枯燥難懂，并且很難使學生明確每種通信技術在具體的物聯網系統中究竟是如何應用的。

3 教學改革的內容與途徑

通信技術是物聯網專業學生后續學習物聯網開發應用的基礎。有些高校開設了通信原理課程，現代通信技術課程等，綜合考慮，我校結合物聯網工程專業建設特點和人才培養需要，開設了《物聯網通信技術》課程，并采用呂慧主編的《物聯網通信技術》教材。該教材圍繞物聯網通信技術展開，主要講授物聯網的概念、物聯網中的無線通信技術、移動通信技術和網絡技術，并且用一個章節介紹數據通信基本原理。

3.1 整合課堂教學內容

物聯網通信技術知識框架如圖1所示，整合后的課堂教學內容分為三個模塊：（1）基礎知識：包括數據通信和無線通信技術兩部分。主要內容有數據通信系統、信源編碼、信道編碼、多路復用、調制技術、無線信道、無線通信原理等，目的是培養學生了解和掌握通信的基礎知識，是整個課程的基礎。（2）實用技術：主要知識點包括藍牙技術（Bluetooth）、ZigBee技術、射頻識別技術（RFID）等近距離無線通信技術， WiFi、WiMax等中遠距離無線通信技術，GSM、GPRS、CDMA及3G、4G、5G等移動通信技術，目的是培養學生了解和掌握物聯網中的各種無線通信技術。（3）網絡技術：主要知識點包括無線傳感器網絡和異構網絡中的協同數據傳輸，目的是培養學生了解物聯網中的多種無線通信技術實現互聯互通，協同通信。

通過將知識點劃分模塊，構建有條理的知識框架，有助于學生對物聯網系統中的各種通信技術有更加清晰的整體認知，避免混淆所學內容。同時，我們將根據教學內容提出相關的專題研討，要求學生利用課余時間通過查閱資料，了解通信領域的新技術及其在物聯網應用中的新成果，以此激發學生對通信技術的學習興趣，提高學生自學能力。

3.2 優化實驗教學內容

實驗是本課程一個重要環節，對學生完成物聯網通信技術的學習具有重要的作用。由于實驗學時少，目前大多數實驗教學開設的是驗證性實驗，課前教師把程序直接發給學生，課上學生驗證實驗結果，課后提交實驗報告，實驗成績評定基本以實驗報告為主，實驗課上學生分析和解決問題的能力很難得到鍛煉。

在現有實驗學時的條件下，我們依托本校物聯網應用開發實驗室的實驗平臺，采用telosb開發套件和相關模塊，通過一系列的無線傳感網絡TinyOS中的無線通信實驗，讓學生們理解無線傳感網中的通信原理，鞏固課堂所講授的內容。目前開設了4個課程實驗項目：（1）節點與PC的通信;（2）點對點通信實驗;（3）點對基站實驗;（4）智慧農業大棚綜合性設計實驗。學生在了解TinyOS編程原理后，針對給定的實驗設備編程實現相關功能，完成相應的實驗要求，同時，每個實驗項目后面都設置有練習題，拓展了實驗內容。實驗過程中，學生按照實驗要求，獨立完成或團隊協作完成，教師不斷觀察學生實驗情況，適時加以指導。除此以外，還安排了一些自學實驗項目，開拓學生思維。

3.3 改革教學模式

由于物聯網通信技術這門課程的理論教學內容枯燥，采用傳統的滿堂灌教學模式，學生很難充分理解所學知識，更難以達到靈活運用的程度。同時，通信技術的應用性很強，比如教學內容中的藍牙技術、ZigBee技術、RFID技術、WiFi和移動通信技術等在現如今的物聯網技術項目和產品中已經應用得非常廣泛，像智能鎖、高速ETC、智能快遞柜、智能水氣表等這些物聯網技術產品，人們在日常生活中都會經常接觸到[9]。因此，我們引入面向物聯網應用的教學模式，將物聯網的通信技術與工程應用實例相結合，激發學生對通信技術學習的積極性和主動性，提高學生的工程應用能力。

教材中有關實際工程案例的介紹非常缺乏，因此課前我們將搜集最新工程實例，進行歸納整理，實現工程項目與理論教學內容的無縫對接。教學中，首先向學生介紹物聯網工程項目實例，并通過視頻形式向學生演示項目實施過程;其次將該項目抽象成具體的物聯網系統模型，結合項目分析該物聯網系統的感知層、網絡層到應用層所采用的通信技術，進而分析相應通信技術的工作原理、特點以及協議標準等，使學生明確每一種通信技術在物聯網系統中如何發揮作用以及如何應用，幫助學生深入理解原理性知識，并且讓學生認識到理論知識的應用價值;然后教師創設應用場景，進行專題研討，采取學生分組討論，小組講解的方法，各個小組分別講解解決方案及工作原理，小組之間自由提問，使每個學生都能參與到課堂中，教師實時加以引導，激發學生主動思考;最后教師總結點評，進一步深化理論知識。這里以ZigBee技術授課為例，說明教師采用面向物聯網應用方式的授課過程。

教學內容：ZigBee技術。主要知識點有ZigBee技術特點、ZigBee網絡的組成、ZigBee網絡的協議棧框架結構和ZigBee網絡的路由協議。

教學過程：

（1）工程實例：遠程自動抄表售電系統。可實現遠程抄表、遠程充值、遠程拉合閘、余額報警提醒、手機APP充值、短信通知等功能。包括的產品有數據監控電腦、遠程抄、售電軟件系統、數據采集器和智能電表，其中智能電表具有實施采集并存儲電表信息，無線收發、防竊電及控制電表通斷等功能。

通過圖片和視頻向學生介紹智能電表實現自動抄表和自動監控的實施過程。

（2）重點分析上述工程實例中涉及的ZigBee技術，并將遠程自動抄表售電系統抽象成物聯網系統模型，畫出其實物網絡拓撲圖，進而引入第一個知識點：ZigBee技術的網絡體系結構;然后結合遠程抄表系統的產品介紹ZigBee網絡的設備類型有終端設備（智能電表）、路由器和協調器（數據采集器），接下來由遠程抄表系統的拓撲結構延伸出ZigBee網絡的星型、樹狀和網狀三種類型拓撲結構及其優缺點，并要求學生分別畫出遠程抄表系統的這三種類型的拓撲結構。最后結合學生畫的拓撲圖介紹ZigBee網絡的協議棧以及路由協議。

（3）教師創設應用場景：基于ZigBee技術模擬設計學校寢室火災報警系統，能夠對學校寢室實時監控與預警，及時發現火災現象并報警。

（4）學生分組討論，每個小組分別講解寢室火災報警系統解決方案和工作原理，并畫出網絡拓撲圖。

（5）教師總結該應用場景實現方案，并再次強調ZigBee技術網絡體系結構，設備類型以及拓撲結構這些重要知識點。

通過選取與實際生活比較貼切的物聯網應用實例，不僅可以將枯燥的理論知識融入實際生活中，易于學生理解重難點，而且能夠讓學生明確理論知識的應用價值，增加學生的學習獲得感。同時在講課時，多介紹一些物聯網領域的新技術、新產品，使學生能夠了解物聯網技術前沿及其應用實例，擴大視野，增加知識儲備。

4 結束語

物聯網行業對應用型人才的需要，對物聯網工程專業的課程教學提出了新要求。本文通過面向物聯網應用的教學改革研究，將物聯網通信技術課堂教學內容整合為基礎知識，實用技術和網絡技術三大模塊，并且優化實驗教學內容，增大學生實踐動手環節，更重要的是摒棄傳統的滿堂灌的教學模式，采用了從演示工程實例，抽象出系統模型到理論知識分析，再到創設應用場景，學生分組討論，最后教師總結深化理論知識的教學模式，培養學生的工程應用能力。

參考文獻：

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[8] 秦向攀. 面向模塊化移動機器人的無線自組網控制系統研究[D]. 河北工業大學，2015.

[9] 史艷翠，廖富麗，楊巨成，等.智能手機在《物聯網通信技術》課程教學中的應用[J]. 科技與創新，2017（23）：106-108.

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