面向應(yīng)用的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》教學(xué)研究與改革

亢艷芹　劉進(jìn)　劉濤　王勇　張新楊

摘 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)雜亂、教學(xué)手段單一的教學(xué)現(xiàn)狀，在深入分析該課程知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，并提出了一種面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的教學(xué)模式，將理論知識(shí)和工程應(yīng)用精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并且能夠讓學(xué)生在掌握通信技術(shù)原理性知識(shí)的基礎(chǔ)上，將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際工程項(xiàng)目問題中。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng);通信技術(shù); 面向應(yīng)用; 工程應(yīng)用能力

中圖分類號(hào)：G642.4 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0171-03

1 引言?

物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景，它融合了通信、自動(dòng)化、微電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的技術(shù)知識(shí)，其中通信技術(shù)貫穿于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中信息采集、信息傳輸和信息處理整個(gè)過程，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)[1-2]?！段锫?lián)網(wǎng)通信技術(shù)》這門課主要介紹各種通信技術(shù)的工作原理，通過學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生系統(tǒng)且全面地學(xué)習(xí)各類物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇通信技術(shù)進(jìn)而設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的能力[3-4]。

2 《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

現(xiàn)有《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》教材的內(nèi)容主要是有線通信、無線通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等各種通信技術(shù)[5]。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的其他課程，比如《RFID原理及應(yīng)用》《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理》等也會(huì)涉及部分物聯(lián)網(wǎng)通信內(nèi)容，容易使學(xué)生感覺課程內(nèi)容的重復(fù)，質(zhì)疑這門課開設(shè)的必要性，但如果刪除，會(huì)使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的通信技術(shù)分散在多門課程中，難以使學(xué)生對(duì)通信技術(shù)有整體的認(rèn)知。其次，這門課程本身的特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)雜亂涉及面廣，并且是看不見摸不著抽象難懂的理論知識(shí)，再加上理論教學(xué)大多采用傳統(tǒng)的滿堂灌授課方式，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。因此，現(xiàn)行《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式需要進(jìn)行優(yōu)化整合，以滿足教學(xué)需求。

2.1 知識(shí)點(diǎn)雜亂，涉及面廣

《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程內(nèi)容涉及多種異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)及眾多通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，常見的有紅外技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、Zigbee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)以及移動(dòng)通信網(wǎng)等無線通信技術(shù)和RS-232、USB、CAN總線等有線通信技術(shù)[6-8]。每種通信技術(shù)都有不同的工作原理、主要特點(diǎn)及其在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用對(duì)象，學(xué)生容易混淆所學(xué)內(nèi)容，并且這些課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備《信號(hào)系統(tǒng)》《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(guān)知識(shí)，而這通常是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生所欠缺的。

2.2 教學(xué)手段單一

目前，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的理論教學(xué)采用傳統(tǒng)的“滿堂灌”授課方式，教師根據(jù)教材內(nèi)容制作PPT，整節(jié)課按部就班地講解每種通信技術(shù)的理論知識(shí)，缺少與學(xué)生的互動(dòng)，學(xué)生似懂非懂被動(dòng)聽課?！段锫?lián)網(wǎng)通信技術(shù)》的學(xué)習(xí)內(nèi)容多數(shù)是看不見摸不著的抽象知識(shí)，如ZigBee技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)議體系，移動(dòng)通信中的多址接入方式、分集技術(shù)、鑒權(quán)與加密等，甚至有更為抽象的信源編碼、調(diào)制技術(shù)等，涉及多門學(xué)科的交叉，如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，不僅知識(shí)枯燥難懂，并且很難使學(xué)生明確每種通信技術(shù)在具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中究竟是如何應(yīng)用的。

3 教學(xué)改革的內(nèi)容與途徑

通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)。有些高校開設(shè)了通信原理課程，現(xiàn)代通信技術(shù)課程等，綜合考慮，我校結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)特點(diǎn)和人才培養(yǎng)需要，開設(shè)了《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程，并采用呂慧主編的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》教材。該教材圍繞物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)展開，主要講授物聯(lián)網(wǎng)的概念、物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并且用一個(gè)章節(jié)介紹數(shù)據(jù)通信基本原理。

3.1 整合課堂教學(xué)內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)知識(shí)框架如圖1所示，整合后的課堂教學(xué)內(nèi)容分為三個(gè)模塊：（1）基礎(chǔ)知識(shí)：包括數(shù)據(jù)通信和無線通信技術(shù)兩部分。主要內(nèi)容有數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、信源編碼、信道編碼、多路復(fù)用、調(diào)制技術(shù)、無線信道、無線通信原理等，目的是培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握通信的基礎(chǔ)知識(shí)，是整個(gè)課程的基礎(chǔ)。（2）實(shí)用技術(shù)：主要知識(shí)點(diǎn)包括藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、ZigBee技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）等近距離無線通信技術(shù)， WiFi、WiMax等中遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，GSM、GPRS、CDMA及3G、4G、5G等移動(dòng)通信技術(shù)，目的是培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握物聯(lián)網(wǎng)中的各種無線通信技術(shù)。（3）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：主要知識(shí)點(diǎn)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸，目的是培養(yǎng)學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)中的多種無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，協(xié)同通信。

通過將知識(shí)點(diǎn)劃分模塊，構(gòu)建有條理的知識(shí)框架，有助于學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的各種通信技術(shù)有更加清晰的整體認(rèn)知，避免混淆所學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，我們將根據(jù)教學(xué)內(nèi)容提出相關(guān)的專題研討，要求學(xué)生利用課余時(shí)間通過查閱資料，了解通信領(lǐng)域的新技術(shù)及其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的新成果，以此激發(fā)學(xué)生對(duì)通信技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自學(xué)能力。

3.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)是本課程一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生完成物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的學(xué)習(xí)具有重要的作用。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開設(shè)的是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，課前教師把程序直接發(fā)給學(xué)生，課上學(xué)生驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，課后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定基本以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生分析和解決問題的能力很難得到鍛煉。

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的條件下，我們依托本校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用telosb開發(fā)套件和相關(guān)模塊，通過一系列的無線傳感網(wǎng)絡(luò)TinyOS中的無線通信實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生們理解無線傳感網(wǎng)中的通信原理，鞏固課堂所講授的內(nèi)容。目前開設(shè)了4個(gè)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：（1）節(jié)點(diǎn)與PC的通信;（2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn);（3）點(diǎn)對(duì)基站實(shí)驗(yàn);（4）智慧農(nóng)業(yè)大棚綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在了解TinyOS編程原理后，針對(duì)給定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后面都設(shè)置有練習(xí)題，拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求，獨(dú)立完成或團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，教師不斷觀察學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，適時(shí)加以指導(dǎo)。除此以外，還安排了一些自學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開拓學(xué)生思維。

3.3 改革教學(xué)模式

由于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)這門課程的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥，采用傳統(tǒng)的滿堂灌教學(xué)模式，學(xué)生很難充分理解所學(xué)知識(shí)，更難以達(dá)到靈活運(yùn)用的程度。同時(shí)，通信技術(shù)的應(yīng)用性很強(qiáng)，比如教學(xué)內(nèi)容中的藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、RFID技術(shù)、WiFi和移動(dòng)通信技術(shù)等在現(xiàn)如今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)項(xiàng)目和產(chǎn)品中已經(jīng)應(yīng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品，人們?cè)谌粘Ｉ钪卸紩?huì)經(jīng)常接觸到[9]。因此，我們引入面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的教學(xué)模式，將物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)與工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生對(duì)通信技術(shù)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

教材中有關(guān)實(shí)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(shí)例，進(jìn)行歸納整理，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目與理論教學(xué)內(nèi)容的無縫對(duì)接。教學(xué)中，首先向?qū)W生介紹物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目實(shí)例，并通過視頻形式向?qū)W生演示項(xiàng)目實(shí)施過程;其次將該項(xiàng)目抽象成具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型，結(jié)合項(xiàng)目分析該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層所采用的通信技術(shù)，進(jìn)而分析相應(yīng)通信技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)以及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等，使學(xué)生明確每一種通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中如何發(fā)揮作用以及如何應(yīng)用，幫助學(xué)生深入理解原理性知識(shí)，并且讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到理論知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值;然后教師創(chuàng)設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行專題研討，采取學(xué)生分組討論，小組講解的方法，各個(gè)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(gè)學(xué)生都能參與到課堂中，教師實(shí)時(shí)加以引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考;最后教師總結(jié)點(diǎn)評(píng)，進(jìn)一步深化理論知識(shí)。這里以ZigBee技術(shù)授課為例，說明教師采用面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方式的授課過程。

教學(xué)內(nèi)容：ZigBee技術(shù)。主要知識(shí)點(diǎn)有ZigBee技術(shù)特點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧框架結(jié)構(gòu)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。

教學(xué)過程：

（1）工程實(shí)例：遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表售電系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程充值、遠(yuǎn)程拉合閘、余額報(bào)警提醒、手機(jī)APP充值、短信通知等功能。包括的產(chǎn)品有數(shù)據(jù)監(jiān)控電腦、遠(yuǎn)程抄、售電軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器和智能電表，其中智能電表具有實(shí)施采集并存儲(chǔ)電表信息，無線收發(fā)、防竊電及控制電表通斷等功能。

通過圖片和視頻向?qū)W生介紹智能電表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表和自動(dòng)監(jiān)控的實(shí)施過程。

（2）重點(diǎn)分析上述工程實(shí)例中涉及的ZigBee技術(shù)，并將遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表售電系統(tǒng)抽象成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型，畫出其實(shí)物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，進(jìn)而引入第一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu);然后結(jié)合遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的產(chǎn)品介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型有終端設(shè)備（智能電表）、路由器和協(xié)調(diào)器（數(shù)據(jù)采集器），接下來由遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)延伸出ZigBee網(wǎng)絡(luò)的星型、樹狀和網(wǎng)狀三種類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)，并要求學(xué)生分別畫出遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的這三種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最后結(jié)合學(xué)生畫的拓?fù)鋱D介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧以及路由協(xié)議。

（3）教師創(chuàng)設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景：基于ZigBee技術(shù)模擬設(shè)計(jì)學(xué)校寢室火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)W(xué)校寢室實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象并報(bào)警。

（4）學(xué)生分組討論，每個(gè)小組分別講解寢室火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)解決方案和工作原理，并畫出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

（5）教師總結(jié)該應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)方案，并再次強(qiáng)調(diào)ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)備類型以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這些重要知識(shí)點(diǎn)。

通過選取與實(shí)際生活比較貼切的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，不僅可以將枯燥的理論知識(shí)融入實(shí)際生活中，易于學(xué)生理解重難點(diǎn)，而且能夠讓學(xué)生明確理論知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感。同時(shí)在講課時(shí)，多介紹一些物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)品，使學(xué)生能夠了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前沿及其應(yīng)用實(shí)例，擴(kuò)大視野，增加知識(shí)儲(chǔ)備。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的需要，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程教學(xué)提出了新要求。本文通過面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的教學(xué)改革研究，將物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課堂教學(xué)內(nèi)容整合為基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)用技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三大模塊，并且優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增大學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)，更重要的是摒棄傳統(tǒng)的滿堂灌的教學(xué)模式，采用了從演示工程實(shí)例，抽象出系統(tǒng)模型到理論知識(shí)分析，再到創(chuàng)設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景，學(xué)生分組討論，最后教師總結(jié)深化理論知識(shí)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈應(yīng)彪. 淺談《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程教學(xué)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（21）： 169-170.

[2] 江煜，許飛云，楊忠，等. 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學(xué)改革初探[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（35）：215-216.

[3] 石柯，秦磊華. 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程建設(shè)研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2014（11）： 64-67.

[4] 錢麗萍，黃亮，陳慶章. 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)通信原理課程教學(xué)改革探究[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2016（03）： 103-105+110.

[5] 史艷翠，郝宇，楊巨成，等.探究式教學(xué)模式在《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程中的應(yīng)用[J]. 科技與創(chuàng)新，2017（01）： 137-138.

[6] 項(xiàng)慧慧，邵星，孟海濤，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程教學(xué)改革研究與探索[J].科技與創(chuàng)新，2017（11）：145-147.

[7] 趙翠芹，黃星壽，吳啟明. 基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)改革[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（06）： 112-114，117.

[8] 秦向攀. 面向模塊化移動(dòng)機(jī)器人的無線自組網(wǎng)控制系統(tǒng)研究[D]. 河北工業(yè)大學(xué)，2015.

[9] 史艷翠，廖富麗，楊巨成，等.智能手機(jī)在《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 科技與創(chuàng)新，2017（23）：106-108.

【通聯(lián)編輯：代影】