《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用》課程教學初探

張韜政++杜懷昌++孟放

摘 要：根據(jù)中國傳媒大學《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(nèi)容安排等方面進行了深入研究，通過采用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式將課堂內(nèi)外相結(jié)合、教學與科研相結(jié)合、“走出去”與“引進來”相結(jié)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(yǎng)出社會需要的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才貢獻力量。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用 教學目標 知識體系 內(nèi)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(lián)網(wǎng)（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(shù)和應用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵不斷擴展[1]。目前業(yè)界普遍認為：物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應用和網(wǎng)絡延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)可以廣泛應用于經(jīng)濟社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，引發(fā)和帶動生產(chǎn)力、生產(chǎn)方式和生活方式的深刻變革，成為經(jīng)濟社會綠色、智能、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)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(zhàn)略背景下，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展受到了我國政府、科研、教育、產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。我國經(jīng)濟社會各領(lǐng)域蘊含巨大的物聯(lián)網(wǎng)應用潛能，眾多行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)絡工程系開辦物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向，成為全國較早面向本科生開設物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向的高校之一。

1 課程教學目標

《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用》是網(wǎng)絡工程系物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)方向?qū)W生學習的第一門專業(yè)課，其主要目的是使學生了解物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和相關(guān)技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)在各個領(lǐng)域的典型應用有所認識，在此基礎上了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體框架，明確物聯(lián)網(wǎng)工程各個專業(yè)課程的意義和課程之間的關(guān)系，為后續(xù)的學習打好基礎，同時激發(fā)學生的學習興趣[8]。因此，《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用》課程的講授成功與否關(guān)系到物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)的質(zhì)量，進而影響到我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的進程[9]。

2 課程知識體系及內(nèi)容安排

2.1 知識體系

物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)分為3個層次：感知層、網(wǎng)絡層和應用層，如圖1所示[1]。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的“皮膚”和“五官”，用于識別物體、采集信息，是聯(lián)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(wǎng)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(shù)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(shù)據(jù)分組傳輸?shù)膮R聚、轉(zhuǎn)發(fā)與交換；根據(jù)接入層的用戶流量，進行本地路由、過濾、流量均衡、優(yōu)先級管理，以及安全控制、地址轉(zhuǎn)換、流量整形等處理；根據(jù)處理結(jié)果把用戶流量轉(zhuǎn)發(fā)到核心交換層或在本地進行路由處理。核心交換層為物聯(lián)網(wǎng)提供一個高速、安全與保證服務質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。匯聚層與核心交換層的網(wǎng)絡通信設備與通信線路構(gòu)成了傳輸網(wǎng)。

應用層可以進一步分為管理服務層和行業(yè)應用層。管理服務層通過中間件軟件實現(xiàn)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(shù)據(jù)的高效、可靠地匯聚、整合與存儲，通過數(shù)據(jù)挖掘、智能數(shù)據(jù)處理與智能決策計算，為行業(yè)應用層提供安全的網(wǎng)絡管理與智能服務。行業(yè)應用層由多樣化、規(guī)?；男袠I(yè)應用系統(tǒng)構(gòu)成，包括：智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能交通、智能醫(yī)療等。

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

2.2 內(nèi)容安排

《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用》課程的內(nèi)容安排[10-12]如圖2所示，其中，各部分包含的主要內(nèi)容有[1-6]以下幾方面。

物聯(lián)網(wǎng)概論：物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的社會背景、技術(shù)背景；物聯(lián)網(wǎng)的定義與主要技術(shù)特征；物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)；物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

RFID技術(shù)：自動識別技術(shù)的發(fā)展背景、條形碼簡介、磁卡與IC卡的應用、RFID、RFID應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成、RFID標簽編碼標準。

傳感器技術(shù)：傳感器；智能傳感器與無線傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡；無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議與標準。

嵌入式技術(shù)：智能設備的研究與發(fā)展；集成電路；嵌入式技術(shù)的研究與發(fā)展；RFID讀寫器與中間件軟件設計；無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計；可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用；智能機器人研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用。

移動通信技術(shù)：通信技術(shù)的發(fā)展；移動通信技術(shù)的研究與發(fā)展；3G技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展。

定位技術(shù)：位置信息與位置服務；物聯(lián)網(wǎng)中的位置服務；定位系統(tǒng)；移動通信定位技術(shù)、基于無線局域網(wǎng)的定位技術(shù)、基于RFID的定位技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)。

數(shù)據(jù)處理技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的基本概念；海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)存儲與云計算；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)中的智能決策。

信息安全技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)信息安全中的四個重要關(guān)系問題；物聯(lián)網(wǎng)信息安全技術(shù)研究；RFID安全與隱私保護研究。

物聯(lián)網(wǎng)的應用：智能電網(wǎng)；智能交通；智能醫(yī)療；智能物流。

3 課程教學方法

自2014年春季學期《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(zhuǎn)課堂”模式將課堂內(nèi)外相結(jié)合

翻轉(zhuǎn)課堂譯自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”，是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學習的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)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(guī)劃學習內(nèi)容、節(jié)奏、風格和呈現(xiàn)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(xié)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(zhuǎn)課堂是對傳統(tǒng)課堂教學結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)課堂”模式，轉(zhuǎn)變以往授課過程中教師“滿堂灌”、學生只是被動接受的傳統(tǒng)教學模式，利用教學實踐中小班授課、學生人數(shù)較少的優(yōu)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(diào)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(lián)網(wǎng)學科中自己較為感興趣的一項具體技術(shù)作為自己的講授對象，通過廣泛查閱書籍文獻資料、上網(wǎng)搜索最新科技資訊等方式了解該項技術(shù)的來龍去脈、前世今生及發(fā)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(shù)內(nèi)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(xiàn)，指出其講解的優(yōu)缺點，并補充完善知識點內(nèi)容。學生的個人表現(xiàn)很大程度上決定了該門課程的個人結(jié)課成績。通過3年來具體的實踐，筆者發(fā)現(xiàn)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(jié)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(jīng)歷和科研體會現(xiàn)身說法，以激發(fā)學生的學習興趣。物聯(lián)網(wǎng)作為一門新興學科，發(fā)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(guān)注科技前沿動態(tài)，及時更新知識，極具挑戰(zhàn)性。就筆者而言，由于一直從事數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的研究，在講授第八章《物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)》時，就結(jié)合目前正在進行的有關(guān)電視節(jié)目受眾收視情況的數(shù)據(jù)挖掘研究課題，以實驗中具體的數(shù)據(jù)、模型為例，為學生講解數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的具體流程和其中的關(guān)鍵步驟，從而進一步加深學生對該技術(shù)的理解程度。

3.3 “走出去”與“引進來”相結(jié)合

“走出去”是指教師應當經(jīng)常參加國內(nèi)外相關(guān)教研機構(gòu)組織的高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設的培訓班、研討會等，廣結(jié)同行，吸取其他兄弟院校專業(yè)建設、課程改革的成功經(jīng)驗，達到“它山之石可以攻玉”的目的。此外，還可以與國內(nèi)一些專業(yè)從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)建立良好的合作關(guān)系，建立學生實習、實訓基地。學生可以到企業(yè)實地參觀相應的產(chǎn)品生產(chǎn)線，以便與課堂中學到的知識點概念、原理聯(lián)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(yè)實習或選派學生到企業(yè)進行畢業(yè)設計，不但使學生掌握了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、熟悉了企業(yè)的運行模式，還可以為企業(yè)提供專業(yè)的人才，拓展學生的就業(yè)渠道[13]。

“引進來”是指教師應當定期邀請國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的權(quán)威教授、相關(guān)技術(shù)人員走進課堂、走上講臺，為學生帶來最新的行業(yè)發(fā)展信息。此外，在教材選擇方面，教師應當不局限于國內(nèi)出版的一些經(jīng)典教材，還應當廣泛引進國外的外文教材，追蹤國際領(lǐng)先的前沿技術(shù)[14]。

綜上所述，文章從“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用”課程的教學目標、知識體系及內(nèi)容安排、教學方法等方面進行了探討。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年來的新興技術(shù)，該課程也是中國傳媒大學理工學部信息工程學院網(wǎng)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(yè)學生的課程教學方案任重道遠。

4 結(jié)語

此文是筆者近3年來參加物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設研討班培訓、備課、授課的心得體會。由于筆者的經(jīng)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(jié)、實踐，為培養(yǎng)出社會需要的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才貢獻力量。

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