“RFID 技術與應用”模塊化教學實踐

曲愛玲，黃 平，馬長路

（北京農業職業學院，北京 102442）

0 引言

目前，物聯網在各行各業的應用越來越廣泛，技術日趨成熟與穩定。物聯網主要由感知層、傳輸層與應用層3 個部分組成，要實現真正的物物相連，3 個部分缺一不可[1]。RFID（Radio Frequency Identification） 是物聯網感知層技術核心，獲取物聯網系統數據信息主要由RFID 電子標簽和各類傳感器實現，RFID 在物聯網技術應用中發揮著至關重要的作用[2]。高職院校物聯網應用技術專業，主要是為社會培養物聯網方向應用型人才，為使高職院校物聯網專業學生能夠具備物聯網行業RFID 技術人才需求條件，將“RFID 技術與應用”課程進行創新改革，采用模塊化教學，使學生掌握“RFID 技術與應用”課程的關鍵技術，為項目實施積累經驗。

1 RFID

RFID（射頻識別） 系統信息交互通過空間耦合的非接觸方式實現，完成對識別目標信息的讀寫操作。在物聯網系統中，就是利用射頻識別技術對目標物品進行有效的數據采集和數據交互。讀寫器、電子標簽、系統高層是RFID 系統的3 個主要組成部分。

RFID 系統結構圖見圖1。

圖1 RFID 系統結構圖

1.1 讀寫器

讀寫器是射頻識別系統中非常重要的組成部分。讀寫器的作用是和電子標簽建立通信關系，完成對電子標簽信息的讀寫操作。讀寫器的功能如下：

（1） 為電子標簽提供能量。讀寫器可以為無源或半有源的電子標簽提供足夠的能量用來激活電子標簽。

（2） 與電子標簽進行通信。讀寫器可以與電子標簽間建立通信方式，訪問電子標簽的數據信息或對數據信息按要求進行改寫。

（3） 與計算機通信。讀寫器可以利用RS232 接口、USB 接口、網口、WIFI 等接口方式與計算機進行通信，將電子標簽的信息傳輸至計算機，用于系統終端與系統高層的數據信息交互。

（4） 多電子標簽識別。讀寫器具有防碰撞功能，可以同時正確識別工作范圍內多個靜止或移動的電子標簽，并完成數據交互。

1.2 電子標簽

射頻卡、射頻標簽和應答器是對電子標簽的其他叫法，三者可統稱為電子標簽（Tag）。在RFID 系統中，電子標簽是存儲目標物品有效數據的載體，每個電子標簽都是由天線和芯片組成的一個微型的硬件系統，目標物品數據存儲在電子標簽的芯片中，收發無線電波主要由電子標簽的天線完成。RFID 電子標簽的電子編碼具有全球唯一性，每個電子標簽可標識不同的目標物品，電子編碼具有不重復性。RFID 技術被廣泛應用，在于RFID 技術可以通過電子標簽對物品進行非接觸式的自動識別。

1.3 系統高層

RFID 系統的數據交換、數據處理、數據傳輸和通信管理等工作均由系統高層完成。在RFID 系統中，計算機網絡是構成RFID 系統高層的核心技術。RFID 系統分為簡單的RFID 系統和復雜的RFID 系統。由單個讀寫器構成的RFID 系統稱為簡單的RFID 系統，由多個讀寫器構成的RFID 系統稱為復雜的RFID 系統。在簡單的RFID 系統中，讀寫器每次只負責對一個電子標簽進行讀操作或寫操作，在復雜的RFID 系統中，每個讀寫器每次需完成對多個電子標簽的讀操作或寫操作，在復雜的RFID 系統中，系統高層必須要參與RFID 系統信息數據的分析及處理工作。

2 課程規劃

高等職業教育在教學內容、教學過程、教學手段、教學方式上凸顯教學的實踐性，在教育教學中以崗位需要、實踐操作為目的，使學生能夠具備過硬的專業技術技能和較強的動手能力。“RFID 技術與應用”是高等職業院校物聯網專業的核心課程，其課程規劃以高職物聯網專業人才培養的目標要求為基礎，堅持以就業為導向，以實用性為特征，在課程規劃上除舊創新，在課程設置上實現理論與實踐的有效結合。以北京農業職業學院物聯網應用技術方向，計1711 班為授課對象，對“RFID 技術與應用”課程進行了具體的教學創新實踐[3]。

2.1 課程目標

高等職業教育培養方案的設計以社會需求為目標，以培養技術應用能力為主線，以專項技術領域或特定崗位群為職位培養目標。高等職業教育培養的是能夠在生產、建設、管理、服務第一線工作的具有綜合職業能力、勝任某一具體崗位的高級技術應用型人才，具備從事本專業實際工作的全面素質和綜合職業能力。結合高等職業教育的培養目標和輕理論、重實踐的高職教育特點，制定了“RFID 技術與應用”課程教學目標，具體教學目標是，使學生掌握RFID 相關的理論知識，具備基于RFID 項目開發、技術測試、產品維護等方面的基本技能。

2.2 課程學時

“RFID 技術與應用”課程共106 學時，其中教學學時為70 學時，綜合技能提升學時為36 學時。課程教學按模塊化環節進行改革，綜合技能提升采用分小組、不同項目開發進行改革。

2.3 課程規劃

“RFID 技術與應用”課程規劃以教學內容突出理論知識應用和學生綜合實踐能力的培養為目的，以增強學生的職業適應能力和應變能力為目標，以RFID 技術職業崗位和就業方向為宗旨，在“RFID技術與應用”課程規劃中注重理論為實踐服務，突出應用性、實踐性的原則組織課程結構、更新教學內容。“RFID 技術與應用”課程的教學規劃分為教學環節和綜合技能提升環節，以北京農業職業學院物聯網應用技術專業實訓室現有的RFID 實驗平臺為教學環節的硬件資源，課程規劃購買的實驗耗材為綜合技能提升環節的硬件資源。教學環節主要劃分為RFID 理論知識模塊、條碼技術應用模塊、處理器應用模塊和RFID 實驗開發模塊，綜合技能提升環節為RFID 項目開發模塊，課程共5 個模塊部分。

RFID 系統結構圖見圖2。

3 模塊化教學設計

課程內容是實現課程目標的重要載體，“RFID技術與應用”課程教學設計以職業需求為主線，以培養高素質應用型人才為目標，進一步深化教育教學改革，將課程體系進行模塊化劃分，教學環節主要培養學生具備獲取RFID 理論知識的能力、運用RFID 理論知識解決RFID 系統具體問題的能力及利用RFID 理論知識進行RFID 技術應用項目創新的能力[3]，綜合技能提升環節能夠使學生具備項目開發與實踐的能力。

圖2 RFID 系統結構圖

表1 “RFID 技術與應用”模塊化教學設計

“RFID 技術與應用”模塊化教學設計見表1。

由表1 可以看出，“RFID 技術與應用”課程在模塊化教學設計中加入了條碼技術應用模塊[4-5]，主要考慮到RFID 電子標簽有一定的造價，若大規模使用RFID 電子標簽，無形中增加產品前期經濟投入，且RFID 電子標簽在通信過程中還存在傳輸距離、數據穩定及保密等一系列問題，上述因素也是RFID 技術普及與推廣存在的主要問題，一維條形碼、二維條形碼和RFID 電子標簽的混合使用，是RFID 管理系統設計的首選，這樣可以節省RFID 管理系統開發的經濟投入，大大提高企業的經濟效益。“RFID 技術與應用”課程在模塊化教學設計中加入了處理器應用模塊，主要考慮到北京農業職業學院物聯網實訓室RFID 技術實驗箱基于Cortex M3 處理器開發，Cortex M3 處理器比學生學習的先導課程單片機C51要復雜得多，外設豐富，功能強大，在課程模塊化設計中加入了Cortex M3 處理器主要外設GPIO、UART、I2C 模塊的學習，主要教授學生學習和使用處理器外設的方法，要求學生能夠做到舉一反三，利用Cortex M3 處理器設計和控制RFID 讀寫器及其外圍電路[6]。

4 模塊化教學實施

“RFID 技術與應用”課程模塊化教學實施共分為5 個模塊。

4.1 RFID 理論知識模塊

RFID 理論知識是RFID 技術應用的基礎，理論知識以普及、夠用、實用的原則進行設計與實施。RFID 理論知識模塊主要采用云班課+課堂教學方式進行，云班課主要完成線上預習、線下復習、課堂活動和課后作業[7-8]；課堂教學采用多元化方法，主要包括PPT 主要理論講解、RFID 電子標簽實物體驗、RFID 讀寫器實物認識、RFID 天線實物認知、RFID 應用演示視頻、RFID 天線高頻仿真等方式進行。RFID 理論知識模塊是RFID 實驗開發模塊和綜合技能提升模塊的理論基礎與項目實施的重要依據。

4.2 條碼技術應用模塊

目前，流通的商品主要由一維條碼進行標識商品種類。計算機對流通的商品信息進行管理與數據交換，主要由前端集采技術條碼技術實現。條碼是目前商品流通的主要數據載體，主要分一維條碼和二維條碼。條碼技術應用模塊主要采用云班課+項目制作方式進行，云班課主要完成線上預習、線下復習、課堂活動和課后作業[9]；項目制作需要學生按項目要求利用條碼制作軟件設計一維或二維條碼，利用手機可進行掃描識別制作的一維或二維條碼信息，在條碼技術應用模塊中引入C#控制臺編程控制部分，實現C#程序對條碼程序的調用，使條碼信息設計種類多樣化和靈活化，并可將相應的條碼信息進行打印輸出。條碼技術應用模塊是綜合技能提升模塊項目開發的關鍵技術支撐。

4.3 處理器應用模塊

處理器是RFID 讀寫器的主控器件，在RFID 系統中發揮著至關重要的作用，其負責系統處理命令的發送、接收、數據處理、通信等工作。處理器應用模塊主要采用云班課+項目制作方式進行，云班課主要完成線上預習、線下復習、課堂活動和課后作業[4]；項目制作需要學生先掌握主要外設工作原理及驅動程序編寫，后續學習利用該外設控制具有該接口的硬件，實現硬件電路原理設計，并進行硬件電路搭建，最后實現該硬件模塊驅動程序編寫。處理器應用模塊是RFID 實驗開發模塊和綜合技能提升模塊的硬件核心。

4.4 RFID 實驗開發模塊

RFID 實驗開發模塊是RFID 理論知識模塊、處理器應用模塊學習的階段檢驗與綜合應用，是提高學生動手能力和知識應用的重要階段。RFID 實驗開發模塊主要采用云班課+項目制作方式進行，云班課主要完成線上預習、線下復習、課堂活動和課后作業[10-11]；項目制作需要學生先掌握RFID 讀寫器芯片的工作原理，掌握RFID 讀寫器模塊的電路原理圖設計方法，完成RFID 讀寫器驅動程序編寫，之后按RFID 項目要求進行程序完善及軟硬件聯調。RFID實驗開發模塊是學生學習RFID 理論知識模塊和處理器應用模塊的綜合應用與階段學習成果驗收的重要階段。

4.5 RFID 項目開發模塊

“RFID 技術與應用”課程更加重視綜合技能提升實踐環節。綜合技能提升環節可以提高學生的專業技能水平，使學生能夠體驗并適應該課程對應的職業崗位需求。RFID 項目開發模塊主要采用小組法+產品研發方式進行，小組法主要采用教師指定組長，組員自愿選擇組長方式進行，每組人數3 名，組長均由自律、主動、動手能力強、具有創新想法的學生承擔，主要起到幫帶組員作用，RFID 項目開發環節組長分配組員開發任務，進行本組工作及時間統籌，教師主要進行技術答疑、項目指導；RFID項目開發采用產品研發模式進行[5]，此教學方法已在學校“傳感器與檢測技術”課程教學中實踐，教學效果良好。RFID 項目開發模塊教學中，每組分派開發項目不同，避免項目相互借鑒，有利于學生全員參與，獨立完成本組項目，教師會根據授課班級人數，制定不同項目個數，提供不同項目所需硬件耗材。

5 結語

在“RFID 技術與應用”課程中采用模塊化教學方式，可以使學生對RFID 系統知識體系理解更加透徹；“RFID 技術與應用”課程模塊化教學設計中，知識結構層層遞進，要求學生掌握的RFID 專業技能水平也層層加強與深入；“RFID 技術與應用”課程模塊化教學過程中，重實踐，輕理論，摒棄做實驗簡單看現象的實驗模式，積極調動全體學生開創實踐，在教學周小項目實踐階段，學生均能獨立完成項目設計，提升了學生的學習成就感，建立了其學好專業技能的信心；“RFID 技術與應用”課程模塊化教學綜合實踐周是學生學習“RFID 技術與應用”課程模塊化知識的整體運用、開創思維發揮的重要階段，RFID 綜合項目的實施與完成，使學生更好地掌握了RFID 技術應用與開發的整體技能。教學實踐證明，“RFID 技術與應用”課程基于模塊化教學改革，提升了學生基于RFID 技術的物聯網工程項目實施與項目創新能力，且模塊化教學實施過程中貫穿云班課、小組法、項目法、產品研發模式等多種教學手段，有效提升了教學質量與教學效果[11-12]，實現了教學改革目標。