基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)改革研究與實踐

李建波 張真真 潘必超

摘要：分析了物聯(lián)網(wǎng)人才需求與現(xiàn)狀，指出物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)存在知識體系龐雜、設(shè)備貴而多、專業(yè)教材跟不上時代快速發(fā)展需求等問題，進而提出了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)改革思路，引入窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)、確定教學(xué)改革目標和需要完成的指標，把物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程中傳感層、傳輸層、應(yīng)用層做成一個個應(yīng)用場景，加深學(xué)生專業(yè)認知，對接企業(yè)需求。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;物聯(lián)網(wǎng);教學(xué)改革

1 物聯(lián)網(wǎng)人才需求與現(xiàn)狀

中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)2020年5月份報道，2020年2月NB-IoT中國連接數(shù)突破 1億，2020年全球NB-IoT市場規(guī)模約為1071億美元，其中中國NB-IoT市場規(guī)模約為525億美元[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的需求也在不斷地提高。我國一些具備一定教學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，并在物聯(lián)網(wǎng)教育方面投入了大量的師資力量以及硬件資源，已經(jīng)取得了很大的成效。但是就我國實際情況來說，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)方面依然處于發(fā)展的階段，在人才培養(yǎng)上存在一定的問題。

1.1 知識體系龐雜

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程包含有基礎(chǔ)課：大學(xué)英語、高等數(shù)學(xué)、毛概、體育等;專業(yè)基礎(chǔ)課：物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論、數(shù)字電路、模擬電路、Java程序設(shè)計、C語言程序與設(shè)計、傳感器技術(shù)概論、單片機應(yīng)用技術(shù);專業(yè)核心課：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、云平臺開發(fā)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議、RFID技術(shù)、標準與中間件技術(shù)等。

1.2 設(shè)備貴而多

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)多學(xué)科交叉，涉及計算機軟件專業(yè)、電子專業(yè)、通信專業(yè)等多方面專業(yè)知識，常用設(shè)備有條形碼、RFID射頻、傳感器、服務(wù)器等，對專業(yè)教師知識能力要求高，同時要求實驗老師較強的管理能力。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教材跟不上時代快速發(fā)展需求

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教材已經(jīng)很多，諸如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論、物聯(lián)業(yè)導(dǎo)論、傳感器原理及其應(yīng)用、射頻識別（RFID）原理與應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實訓(xùn)、Android物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開發(fā)等，已經(jīng)取得很大效果。但是與飛速發(fā)展的經(jīng)濟需求相比，還存在重理論輕實踐的問題，而且存在最新技術(shù)介紹不足的缺口，而且缺口日益增大。

總的來說，多學(xué)科交叉、軟硬件強耦合的特點，給專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了較大的壓力，學(xué)生反映教學(xué)是知識點堆砌，找不到完整知識體系，從而導(dǎo)致教學(xué)效果并不理想。通過調(diào)查可以看出，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在我國建立的時間還是相對較短，專業(yè)老師大多是由計算機、電子以及通信等方面組建起來的，在教學(xué)中往往因為設(shè)備、教材等原因并沒有安排學(xué)生進行有效的實驗項目，使得物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)注重理論知識的講述，在實踐教學(xué)上不足。

西北民族大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院郭曉然提出綜合性創(chuàng)新性實驗教學(xué)改革的思路[2];河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)劉曉爽提出基于MOOC的混合式教學(xué)模式研究[3];青島理工大學(xué)琴島學(xué)院王青芝提出基于物聯(lián)網(wǎng)的跨專業(yè)融合教學(xué)系統(tǒng)[4];武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院韋凡提出以實用性為目的開展項目化教學(xué)，讓學(xué)生實際工作中需要的技能和知識[5]。

針對問題、總結(jié)前人經(jīng)驗，我們確定教學(xué)改革關(guān)鍵點第一做好知識點的整合與優(yōu)化工作，做好教材規(guī)劃;第二選擇合適的平臺和項目，能夠突出物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的特色，能夠綜合表現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)整體概念;第三做好師資隊伍的建設(shè)，提高物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)師資力量。學(xué)生通過實際的情景實踐對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建立綜合的整體的認識。

2 物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)改革

2.1 選取合適知識點

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)有很多種，從傳輸距離上區(qū)分，可以簡化分為兩類：一類是短距離無線通信技術(shù)，代表技術(shù)有ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，目前非常成熟并有各自應(yīng)用的領(lǐng)域;另一類是長距離無線通信技術(shù)，寬帶廣域網(wǎng)例如電信CDMA、移動、聯(lián)通的3G/4G無線蜂窩通信和低功耗廣域網(wǎng)即LPWAN。

NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things），是一種全新的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是3GPP組織定義的可在全球范圍內(nèi)廣泛部署的低功耗廣域網(wǎng)，基于授權(quán)頻譜的運營，可以支持大量的低吞吐率、超低成本設(shè)備連接，并且具有低功耗、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等獨特優(yōu)勢。

在2018年3月召開的3GPPRAN第79次全會上，3GPP正式明確了“5GNR與eMTC/NB-IoT將應(yīng)用于不同的物聯(lián)網(wǎng)場景”，繪制了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展藍圖，eMTC/NB-IoT已經(jīng)被認可為5G的一部分，并將與5GNR長時間共存，意味著NB-IoT將在5G時代扮演更加重要的角色。

2.2 選擇合適的平臺和項目

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)市場，具備覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點，主要應(yīng)用場景有智能抄表、智能路燈控制、智能井蓋、智能環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)。將NB-IoT引入教學(xué)，以NB-IoT為紐帶，將傳感器、單片機、Android應(yīng)用程序等課程緊密聯(lián)系起來，選題農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控，進行遠程采集溫度、濕度、壓力，形成項目化教學(xué)案例，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)提供引導(dǎo)，制定課程標準、設(shè)計教學(xué)方案和合理安排實踐環(huán)節(jié)。

圍繞中國電信窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT，融合到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程中，調(diào)整專業(yè)人才培養(yǎng)方案，完成窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT相關(guān)教學(xué)資料，諸如窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT應(yīng)用技術(shù)課程標準、制定教學(xué)方案、制作電子課件、制定實驗指導(dǎo)書、制定實訓(xùn)指導(dǎo)書等。具體指標：

解析窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT通信協(xié)議，赴電信研究院，討論NB-IoT實訓(xùn)云平臺事宜，諸如實訓(xùn)云的功能架構(gòu)、運行模式、教學(xué)功能元素完善、部署及運行環(huán)境等問題;

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT開發(fā)板研制，開發(fā)板上NB-IoT模塊放置，傳感器選型與布局、按鍵模塊、指示燈模塊、液晶顯示模塊等;

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT演示場景設(shè)計，對上的協(xié)議，諸如服務(wù)器接口、消息傳遞;對下的協(xié)議：完成空氣溫度、濕度、氣壓、土壤濕度等傳感器接口。首先應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚，采集溫濕度、土壤濕度，通過NB-IoT模塊上傳，然后在云端進行處理，并網(wǎng)頁顯示。