基于物联网应用驱动的《物联网通信技术》课程教学改革研究与探索

项慧慧+邵星+孟海涛+皋军

摘 要：针对现有《物联网通信技术》课程偏理论轻应用的教学实际，分析物联网行业对应用型人才的需要和物联网工程专业应用型人才的培养目标，提出将理论教学环节与实验教学环节合并为统一的课程教学环节，并在课程教学环节引入具有真实应用背景的物联网应用系统设计的观点。通过基于物联应用驱动的教学改革，做到讲授内容与应用精准对应，让学生既能够了解通信技术的原理性知识，又能熟悉如何在实际的物联网应用场景中选择合适的通信技术。

关键词：物联网应用驱动；教学改革；通信技术；物联网

中图分类号：G642.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.145

物联网被誉为继计算机、互联网之后的世界信息产业的第三次信息技术革命，它涉及信息、通信、计算机、微电子、自动化等众多学科，是典型的多学科交叉融合的专业，世界各国均将物联网发展上升为国家战略。在“两化融合”和“感知中国”的国家战略背景下，随着“感知中国”计划到“互联网+”计划的快速推进，我国也由“互联网时代”向“物联网时代”转型，而《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》对以物联网为代表的新一代信息作了战略性部署。自2010-03教育部发布《关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知》和2010-10国家发布《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》至今，物联网工程专业经过了近20年的发展，目前，已有百余所高校开设了物联网工程专业。由于物聯网工程专业是一个新兴专业，没有成熟的专业知识体系可以借鉴，而物联网又是一个复杂的应用系统，涵盖了多领域的应用和多学科的技术知识，融合了有线通信进而无线通信、长距离通信和短距离通信、接入网和核心网络等多种通信技术以及如何在这些技术的基础上结合现有的互联网、移动通信网等构造物联网应用系统，使得目前《物联网通信技术》课程在内容设置上知识点杂乱，且偏重于理论知识介绍。本文将结合物联网具体应用场景和系统架构，讨论、分析通信技术在物联网应用系统中所发挥的作用，并给出《物联网通信技术》课程设置的一些见解，优化课程内容中技术应用方面的知识配置，以满足物联网工程专业培养工程应用型人才的要求。

1 《物联网通信技术》课程特点和教学现状

1.1 课程特点

物联网是信息技术、通信技术、计算机技术发展到一定阶段后出现的集成创新型应用技术，是多种异构通信技术与网络融合的综合性网络，其基本架构如图1所示。从图1中可以看出，物联网通信技术是实现物联网应用的基础，它贯穿于信息采集、信息传输、信息处理全过程，融合了接入网、核心网的多种通信技术，这使得《物联网通信技术》课程内容需要涉及多种异构通信网络及众多通信技术和标准。这些异构通信网络按照通信媒介可分为有线通信网络和无线通信网络，其中，有线通信技术涉及基于串行通信、CAN总线、802.3局域网等多种短距离有线通信技术和基于IP的互联网技术，而无线通信网络技术涉及到包含ZigBee、RFID、NFC、蓝牙、6LowPan等的无线个域网技术，802.11无线局域网技术，802.16无线城域网技术，移动通信网络技术和无线传感器网络技术，每一种通信技术都有其原理、特点及其所适用的物联网应用场景。

由此可知，《物联网通信技术》课程是物联网工程专业的学科基础，它最能体现出物联网工程专业“物物相连”的特点。《物联网通信技术》课程内容也应以互联互通为主线，包含通信原理知识、技术应用和物联网应用系统集成3个方面。由于通信技术发展很快，尤其是移动通信技术更新换代速度快，要求《物联网通信技术》课程在内容设置上能够紧跟最新前沿技术。

1.2 教学现状

根据《高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》提出的《物联网通信技术》专业核心课程的知识体系和教学内容，现有《物联网通信技术》课程教学模式主要按照传统的理论教学和实验教学设置，两部分独立进行，学时分配不够优化。笔者所在高校的物联网工程专业按照理论教学

40学时、实验教学8学时分配，这就导致目前《物联网通信技术》课程在内容设置上更偏重于理论知识介绍，从数据链路层延伸至物理层，忽略了从物联网应用的角度阐述物联网通信技术所发挥的作用。

1.2.1 教学内容重理论轻应用

理论教学模式依然采用的是传统的方式，即根据教材内容制作PPT，采取教师讲授、学生被动接受的课堂教学模式。从图1中可以看到，《物联网通信技术》课程涉及多种异构通信技术，涵盖的知识面广，包括的知识点繁杂。鉴于学时限制，传统以讲述枯燥的理论知识为主的理论教学模式使得学生不愿意上理论课，教师只是泛泛地讲一些主要内容。这样，不但会使学生失去学习兴趣，更容易混淆所学内容，学生很难明确每项技术究竟如何应用于物联网系统中。

现有《物联网通信技术》教材也主要是介绍包括互联网、无线传感网、无线通信技术等各种通信技术的原理、网络结构、网络协议及其与物联网的关系以及多网融合等内容，理论性非常强，需要学生具有较强的通信原理、信号与系统、移动通信等相关知识基础，而这通常又是以计算机课程为主的物联网工程专业学生所欠缺的，容易使学生对《物联网通信技术》课程开设的必要性及其与物联网工程专业的关系产生疑惑，感到迷茫。这些技术内容与专业核心课程中的通信原理、无线传感器网络、RFID原理及应用，物联网应用程序设计的课程内容多有重复，如果排除这些重复内容，《物联网通信技术》课程只需要涉及无线网络技术和移动通信技术，但这又使得物联网涉及到的通信技术分散在多门课程中，不利于学生系统掌握物联网通信技术的知识，更无法培养学生根据应用场景选择通信技术的技能。

1.2.2 实验教学内容单一

实验课程基本是基于CC2530节点、传感器模块和IAR开发环境进行的，虽然是硬件电路连接与软件程序调试相结合的实验过程，但受实验学时的限制，现有的实验教学形式大多是教师直接将调试好的程序给学生，学生只需要进行将传感器模块与CC2530节点连接的简单硬件操作，然后就直接通过仿真器加载程序，观察结果。在实验教学过程中，由于硬件连线非常简单，学生没有真正经历代码开发和调试过程，只是简单运行，没有达到实验教学培养学生动手操作能力的目的。实验设置以基础性的数据采集实验为主，实验课程内容比较单一，往往只涉及基于CC2530节点的串口通信技术和ZigBee技术，实验内容与理论课程涉及到的众多通信技术脱节，学生并没有真正掌握物联网通信技术是如何实现物物相连的系统性知识，导致这门专业的核心课程被学生忽视，教学效果与培养目标相差甚远。

2 《物联网通信技术》课程教学改革的必要性

根据《高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》提出的应用型人才培养目标，应用型人才应该在掌握物联网应用相关软件和硬件的功能和性能的基础上，能承担物联网系统建设、集成、配置和维护的主要任务。《物联网通信技术》是一门应用性很强的课程，需要学生在理解必要理论知识的基础上，具备解决实际问题的能力。

因此，有必要开展《物联网通信技术》课程教学改革研究，依据物联网工程专业的特点和人才培养需要设置教学内容，探索面向物联网应用的新教学方法，不断完善学生的知识结构，培养他们的实践能力和学习的主动性、应用能力、创新能力。而基于物联网应用驱动的教学模式是以学生为主体，教师为引导，通过分组完成应用项目的教学，培养学生的主观能动性、技术应用能力、团队合作精神和创新能力，这也符合《物联网通信技术》课程教学改革的要求。

3 基于物联网应用驱动的教学模式设计

基于物联网应用驱动教学模式是综合探究式教学模式和项目驱动教学模式的教学法，它结合实用背景设置物联网应用项目的教学模式，提高学生的综合素质和各种能力。因此，将笔者所在高校的物联网工程专业开设的《通信原理》《传感器原理与应用》《无线传感器网络》《计算机网络》《RFID原理及应用》《物联网应用程序设计》等课程的学时整合，构建物联网应用驱动的教学体系，在项目设置的过程中，分别以无线传感器网络技术、RFID技术、移动通信技术等为重点，根据教师的研究方向有针对性地安排教学，重点突出某种技术在物联网应用系统中作用的系统性知识，辅助介绍简单的原理性知识，以加深学生对技术理论的了解。

3.1 教学组织过程

基于物联网应用驱动的教学模式组织过程如图2所示。

3.1.1 创建应用场景

創建应用场景是实施基于物联网应用教学的第一步，也是最关键的一步。应用场景创建的合理性直接影响了基于物联网应用教学的实施结果。结合图1的物联网基本架构，教师根据每个应用系统中需要学生重点掌握的通信技术来创建应用场景，确定设计目标，并明确通信技术的类型（例如有线或无线、近距离或远距离等）、通信基本原理、网络拓扑结构等多个知识点。

应用场景的设置要具有开放性和探究性，难易适中，并且最好是学生平时能够接触到的物联网应用场景，例如智能家居、智能停车场、高速公路ETC收费等。教师引导学生参与应用系统设计中，可以通过成绩或其他奖励方式鼓励学生自行查阅资料或与其他同学交流，最终通过分组合作完成设计方案。

3.1.2 应用系统设计

教师讲解系统功能和整体架构，根据学生前期环境搭建完成情况进行功能分解，要求学生根据自己的任务查阅资料，指导学生了解硬件电路工作原理，并进行软件设计，积极鼓励学生通过团队合作完成系统整体调试，实现设计目标。

在辅助的课堂讲授中，讲授内容紧扣具体应用场景中物-物互联的主线，在简单介绍原理性技术知识的基础上，以如何基于多种不同的通信技术实现物联网系统架构为重点，注重引导学生对比、分析某个具体应用场景中不同通信技术的作用，加深学生对物联网中“网”的理解和掌握，培养学生选择通信方案、解决实际应用问题的能力。

3.1.3 应用和拓展

每一个项目设计完成后，设置一节课让学生走上讲台，阐述自己的设计观点和设计思路，重点介绍应用系统中涉及的通信技术的原理和开发过程，并鼓励其他学生积极参与讨论。由笔者已经实践的分组报告环节效果来看，让学生充当讲授者，教师作为引导者与学生共同探讨相关知识点，能极大地提高学生学习的积极性。同时，准备分组报告也能增强学生对物联网工程专业的学习兴趣，而课堂报告也能发掘出动手操作能力比较强的学生，为后续参加全国高校物联网应用创新大赛、物联网程序设计大赛等相关竞赛做好准备。

3.1.4 过程评价

教师对学生完成的应用系统和设计过程的评价，主要依据学生在设计过程和课堂报告中的表现、学习成绩体。教学改革后的《物联网通信技术》课程的成绩包括3部分，即设计过程成绩、课堂报告成绩和期末成绩。

设计过程成绩是根据教师在设计过程中布置的问题所提交的电子版作业所获得的，占总成绩的20%.在设计过程中，布置的问题要与应用背景和《物联网通信技术》课程的知识点紧密相关。例如，实际环境中影响无线通信质量的因素有哪些？超声波测距的范围受什么限制？

课堂报告成绩根据学生在课堂报告环节的表现给出，占总成绩的30%.学生在课堂报告环节需要讲解设计思路、程序构成和代码、设计过程中遇到的问题，鼓励其他同学在听取汇报后积极提问。经过讨论，学生既可以了解完成相同应用项目时其他同学的思路，也可以掌握未实现功能的解决方法。例如，分组中的学生分别负责数据采集模块、数据传输模块和数据显示模块等任务。通过课堂报告，完成数据传输模块的学生可以掌握数据采集模块或数据显示模块的实现方法，同样，完成数据采集模块的学生可以掌握数据传输模块或数据显示模块的实现方法。

期末成绩是期末考试的卷面成绩，占总成绩的50%.教学改革是为了提高学生的应用能力，培养学生的团队合作精神和创新能力，因此，卷面成绩所占比例相应减少。期末考试采用开卷考试的形式，结合应用场景设计与物联网通信技术知识点相关的考试内容，通过设置开放性、设计性题目，进一步加强学生对主要通信技术原理和应用的认识。例如，在智能交通物联网中，要想实现公路物联网、铁路物联网、航空物联网、水路物联网等应用，需要哪些通信技术配合实现互联互通？

3.2 教学内容组织

基于物联网应用驱动的教学项目包括基础应用和综合应用2大部分，具体如表1所示。

基础应用的主要功能是基于各种类型传感器实现数据采集，并传到上位机显示。这里涉及到了短距离的有线通信技术和无线通信技术，例如串行通信技术、RFID技术等。

在通过基础项目熟悉各种类型传感器数据采集原理的基础上，任何一个物联网应用项目都是根据多种通信技术的融合实现互联互通的，所以设置综合性应用项目的目的是让学生结合图1的物联网架构，根据具体的应用场景设计物联网应用系统，了解不同类型的通信技术在具体物联网应用系统中的作用。例如，短距离有线通信技术与无线通信技术、移动通信技术等的区别，并辅助以简单的原理性知识，让学生在“做中学，学中做”。

4 结束语

根据物联网工程专业的培养目标和物联网行业对人才的需要，本文主要研究了基于物联网应用驱动的教学模式在《物联网通信技术》课程中的应用，涉及应用场景的创建、应用系统设计、应用和拓展、教学过程评价4个方面的教学设计。通过基于物联网应用的教学改革，可以使课程培养目标朝着技能型、应用型、合作型和创新型进行有益的探索。另外，本文的研究成果对物联网工程专业其他课程的教学也有较大的借鉴意义。

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〔编辑：白洁〕