物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的課堂教學探究
——以網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)為例

李瑞霞，涂勁松，郭垸汝

（皖西學院，安徽六安 237012）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的課堂教學探究
——以網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)為例

李瑞霞，涂勁松，郭垸汝

（皖西學院，安徽六安 237012）

探討網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的重要性，確定課程教學主要內(nèi)容。提出了結(jié)合課堂教學和輔助教學活動開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的教學新模式，并利用評價指標進行分析。結(jié)果表明，運用此方法不僅可以培養(yǎng)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(lián)網(wǎng)；體系架構(gòu)；評價指標

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地走進了人們的生活，得到國內(nèi)外企業(yè)、政府和教育部門的高度重視。物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用于多行業(yè)，關(guān)鍵技術(shù)多樣且復(fù)雜，綜合性較強，對專業(yè)人才需求量非常大。然而，高等院校本科教育在人才培養(yǎng)過程中，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)尚屬新專業(yè)，可以借鑒的成熟的人才培養(yǎng)方案并不多，授課經(jīng)驗豐富的專業(yè)教師相對比較緊缺，所以如何上好物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用這門專業(yè)核心課程，使之符合網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)人才培養(yǎng)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(lǐng)域知識，拓展學生的視野，從而培養(yǎng)其創(chuàng)造性地解決問題的能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用作為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，知識點覆蓋了電子、通信、網(wǎng)絡(luò)和計算機多個學科的交叉應(yīng)用，既有基礎(chǔ)理論知識的學習，也有應(yīng)用案例的分析設(shè)計及編程，所以本課程的學習既可培養(yǎng)學生的專業(yè)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(yè)，發(fā)展其創(chuàng)新思維。

1 相關(guān)工作

目前，許多工科類的大學已開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，也有部分大學將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程作為信息類專業(yè)的必修課，然而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程無論是對專業(yè)教育還是非專業(yè)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(shù)的綜合，內(nèi)容多而且比較復(fù)雜，因此要求學生需具備一定的理論基礎(chǔ)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(lián)網(wǎng)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(yǎng)學生的編程能力，第2級側(cè)重進行Web設(shè)計與開發(fā)，第3-4級側(cè)重安卓開發(fā)，第5-8級則需要學生深入學習物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)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(yīng)用問題。部分教師從物聯(lián)網(wǎng)的三層體系及每層的主要功能和涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行課程教學。文獻[5]介紹了一個學習系統(tǒng)，該系統(tǒng)整合了傳感器、執(zhí)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(jié)合輔助教學活動開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程，以適合網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學生的學習。通過開展相關(guān)教學活動一方面培養(yǎng)學生的興趣，借助于特定應(yīng)用場景更好地理解相關(guān)技術(shù)，另一方面通過該活動，學生愿意主動思考并發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在生活中的一些創(chuàng)新。

1.1 課堂教學

1.1.1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程作為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課通常開設(shè)在大學第6學期[6]，在學習本課程之前，學生已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)知識，所以本課程的學習主要通過認識物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)進行學習，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1所示，主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

感知層：大學第4、5、6學期開始陸續(xù)開設(shè)了RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)等專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過上述課程的學習，學生可以理解感知層獲得數(shù)據(jù)的基本原理及過程，使得物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)成為可能。

網(wǎng)絡(luò)層：從第5、6學期開始學生學習計算機網(wǎng)絡(luò)、移動通信及無線傳感網(wǎng)等課程，通過這部分課程的學習，學生逐步理解數(shù)據(jù)如何從物到網(wǎng)，可以根據(jù)位置、距離及環(huán)境等從多方面綜合考慮，采用有線網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)或者各類無線網(wǎng)絡(luò)解決特定的應(yīng)用需求。

應(yīng)用層：在應(yīng)用層學生不僅要掌握開發(fā)技能，還要熟悉云計算等關(guān)鍵知識。C語言通常開設(shè)在大學一年級，是物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)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(wǎng)絡(luò)工程學生編程必備的基本功。Java語言是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，可以實現(xiàn)跨平臺，同時也便于學習web開發(fā)，因此，在第6學期開設(shè)該課程。操作系統(tǒng)課程的學習將針對網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)應(yīng)用性較強的特殊性，要求學生熟悉linux環(huán)境下的一系列操作，以便適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

1.1.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用主要授課內(nèi)容

經(jīng)過以上基礎(chǔ)課程的學習，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程可以安排在第6學期進行學習，其課程性質(zhì)屬于專業(yè)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(nèi)容共分為8章。在前3章學習的時候不需要開設(shè)實驗課，基本以課堂教學為主。4-6章側(cè)重介紹具體應(yīng)用中的軟件硬件設(shè)計方法、各種接口技術(shù)以及終端器件的編程。第4章討論氣象監(jiān)測的設(shè)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(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。這三章內(nèi)容屬于物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，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(jié)合學生動手實驗進行。最后7-8章是關(guān)于連接云端的設(shè)計細節(jié)，具體通過在智能家居、校園安全和智能城市等應(yīng)用中的案例，主要體現(xiàn)在項目實施過程中，所以學生需要結(jié)合云計算基本知識及行業(yè)應(yīng)用體系架構(gòu)進行學習[7]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)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(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)分層思想，主要通過開展相關(guān)活動讓學生熟悉各類設(shè)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(shè)備，主要技術(shù)為傳感技術(shù)、RFID技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)層分為有線通信和無線移動通信，應(yīng)用層主要包括各種接口技術(shù)和應(yīng)用層模塊。本文設(shè)計的輔助教學活動，是為了培養(yǎng)學生的學習興趣，提高學生的學習能力、實踐能力和創(chuàng)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行設(shè)計，活動計劃在學期初即可公布，持續(xù)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(jié)合大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、物聯(lián)網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)+等相關(guān)競賽中創(chuàng)意賽開展活動。鑒于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學生經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程約4周的課堂學習，對物聯(lián)網(wǎng)有了基本的認識，通過自己的思考就可以發(fā)現(xiàn)在生活中利用物聯(lián)網(wǎng)解決的一些實際問題，進而進行原型系統(tǒng)的設(shè)計。隨著課堂教學的深入學習，學生不僅了解了物聯(lián)網(wǎng)的基本框架，也掌握了其實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，因此可以繼續(xù)開展活動2。在該過程中學生主要解決技術(shù)問題，通過請教老師、小組討論及借助網(wǎng)絡(luò)等多種渠道學習，進而建立Web開發(fā)框架，最終實現(xiàn)完整的系統(tǒng)開發(fā)。

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(jù)自己的興趣自行組隊，針對不同應(yīng)用進行案例選取。教師會提前給學生提供相關(guān)參考資料并進行任務(wù)分解，每個小組將解決某個應(yīng)用的特定問題。其中主要問題涉及如下幾個方面。

（1）終端設(shè)備：小組的任務(wù)是選擇適合某原型系統(tǒng)開發(fā)所需的不同的面板、傳感器和接口技術(shù)等。讓學生熟悉Arduino，Intel Galileo和Raspberry Pi接口板，掌握建立原型系統(tǒng)開發(fā)示意圖的工具等基礎(chǔ)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(tǒng)，在智能廢物管理系統(tǒng)中傳感器可以識別廢物的分類，在智能停車系統(tǒng)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(tǒng)中識別入侵者；在氣象監(jiān)測系統(tǒng)中DHT11（數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)”；土壤水分傳感器、繼電器和伺服電機可應(yīng)用于智能灌溉系統(tǒng)中。

（2）網(wǎng)絡(luò)層組件的接口：終端設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)通常通過使用有線連接（以太網(wǎng)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(yīng)用于連接互聯(lián)網(wǎng)。

（3）應(yīng)用層組件：數(shù)據(jù)庫存儲、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的配置，建立與云服務(wù)的開發(fā)者賬戶和傳感器數(shù)據(jù)到Web服務(wù)器的交互都屬于應(yīng)用層，processing-3.0.2版本可以用于互連Arduino Uno串口數(shù)據(jù)到服務(wù)器。WampServer使學生運用Apache Web應(yīng)用服務(wù)器進行開發(fā)，PHP作為編程語言和MySQL數(shù)據(jù)庫存儲，傳感器收集的數(shù)據(jù)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(xiàn)其設(shè)定目標。例如物聯(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)開發(fā)智能停車設(shè)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(tǒng)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(fā)送障礙物的距離，通過查詢服務(wù)器，用戶可以通過移動終端或互聯(lián)網(wǎng)訪問停車區(qū)中空閑車位信息。接下來繼續(xù)開展活動2，學生可以使用Web開發(fā)框架的用戶界面構(gòu)建。通過簡單的網(wǎng)頁設(shè)計活動圖以及實物分析接口編程技術(shù)進而實現(xiàn)本地應(yīng)用。如果有興趣學生可以繼續(xù)建立傳感器與因特網(wǎng)之間的接口，進行數(shù)據(jù)庫存儲，推送傳感器數(shù)據(jù)到云端，對移動通知事件的發(fā)生等進行完整的應(yīng)用設(shè)計、分析、實現(xiàn)及測試。

評價指標從可行性、科學性、創(chuàng)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(jié)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(nèi)容的熟悉情況，通過“創(chuàng)造性”來判斷成果是否有創(chuàng)新，是否有不同于現(xiàn)有成果的構(gòu)想或設(shè)計。

表1 課程教學效果評價指標

在本文評價系統(tǒng)中采用4個等級的評分標準“優(yōu)、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(jié)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(dǎo)、促進教師和學生發(fā)展的過程。

3 結(jié)語

本文所探究的教學方法，在課堂教學的同時根據(jù)教學內(nèi)容和知識點本身的性質(zhì)進行理論結(jié)合實踐、課上教學結(jié)合課下實踐、課程學習結(jié)合競賽積極參與實際項目的開發(fā)，使學生主動接觸到物聯(lián)網(wǎng)最新的技術(shù)。理論教學收獲的知識幫助學生們培養(yǎng)開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)技能，實踐活動的鍛煉讓學生掌握物聯(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)的分析設(shè)計、開發(fā)及實施過程，通過該教學方法可以培養(yǎng)學生跨領(lǐng)域知識的學習能力。

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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(zhì)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(zhì)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(shù)據(jù)處理、人工智能學習。