物联网技术与应用课程的课堂教学探究——以网络工程专业为例

李瑞霞，涂劲松，郭垸汝

（皖西学院，安徽六安 237012）

物联网技术与应用课程的课堂教学探究
——以网络工程专业为例

李瑞霞，涂劲松，郭垸汝

（皖西学院，安徽六安 237012）

探讨网络工程专业物联网技术与应用课程的重要性，确定课程教学主要内容。提出了结合课堂教学和辅助教学活动开展物联网技术与应用课程的教学新模式，并利用评价指标进行分析。结果表明，运用此方法不仅可以培养学生分析问题解决问题的能力，同时有助于提升其跨学科知识的学习能力。

物联网；体系架构；评价指标

0 引言

近年来，物联网技术越来越多地走进了人们的生活，得到国内外企业、政府和教育部门的高度重视。物联网可以应用于多行业，关键技术多样且复杂，综合性较强，对专业人才需求量非常大。然而，高等院校本科教育在人才培养过程中，物联网专业尚属新专业，可以借鉴的成熟的人才培养方案并不多，授课经验丰富的专业教师相对比较紧缺，所以如何上好物联网技术与应用这门专业核心课程，使之符合网络工程专业人才培养目标是一个值得探讨的课题。

耶鲁大学校长理查德莱文曾在一次演讲中提到，目前我国高等教育缺乏跨学科的知识广度[1]，可以通过广泛地接触多个学科领域知识，拓展学生的视野，从而培养其创造性地解决问题的能力。物联网技术与应用作为网络工程专业的专业核心课程，知识点覆盖了电子、通信、网络和计算机多个学科的交叉应用，既有基础理论知识的学习，也有应用案例的分析设计及编程，所以本课程的学习既可培养学生的专业技能，也是拓宽学生视野的窗口，可以帮助学生通过更多更广的维度来理解专业，发展其创新思维。

1 相关工作

目前，许多工科类的大学已开设了物联网专业，也有部分大学将物联网技术与应用课程作为信息类专业的必修课，然而物联网技术与应用课程无论是对专业教育还是非专业的教育，在教学过程中都存在诸多困难[2]。主要由于课程本身是各种技术的综合，内容多而且比较复杂，因此要求学生需具备一定的理论基础方可达到较好的学习效果。如果教学方法不当，学生会觉得理解抽象从而失去学习信心[3]。为了解决这种困境，许多教师进行了教学方法的探索和改革，文献[4]中作者提出物联网课程作为一个流对象，完整的课程学习分为10个等级，第1级重点在于培养学生的编程能力，第2级侧重进行Web设计与开发，第3-4级侧重安卓开发，第5-8级则需要学生深入学习物联网的相关理论知识，最后9-10级要求学生以小组的形式解决某个实际应用问题。部分教师从物联网的三层体系及每层的主要功能和涉及的关键技术进行课程教学。文献[5]介绍了一个学习系统，该系统整合了传感器、执行器、LDR、照相机、处理器、APP及3D打印等功能。综合上述方法，本文提出了课堂教学结合辅助教学活动开展物联网技术与应用课程，以适合网络工程专业学生的学习。通过开展相关教学活动一方面培养学生的兴趣，借助于特定应用场景更好地理解相关技术，另一方面通过该活动，学生愿意主动思考并发现物联网在生活中的一些创新。

1.1 课堂教学

1.1.1物联网体系架构

物联网技术与应用课程作为网络工程专业的一门专业核心课通常开设在大学第6学期[6]，在学习本课程之前，学生已经具备了一定的基础知识，所以本课程的学习主要通过认识物联网的体系架构进行学习，物联网体系架构如图1所示，主要分为感知层、网络层和应用层三层。

图1 物联网体系架构

感知层：大学第4、5、6学期开始陆续开设了RFID技术、传感器技术及嵌入式系统等专业基础课程，通过上述课程的学习，学生可以理解感知层获得数据的基本原理及过程，使得物联网的实现成为可能。

网络层：从第5、6学期开始学生学习计算机网络、移动通信及无线传感网等课程，通过这部分课程的学习，学生逐步理解数据如何从物到网，可以根据位置、距离及环境等从多方面综合考虑，采用有线网络、移动网或者各类无线网络解决特定的应用需求。

应用层：在应用层学生不仅要掌握开发技能，还要熟悉云计算等关键知识。C语言通常开设在大学一年级，是物联网开发中重要的一门语言课，学生有较大的兴趣，课程学习本身较容易，因此，C语言将是网络工程学生编程必备的基本功。Java语言是面向对象的编程语言，可以实现跨平台，同时也便于学习web开发，因此，在第6学期开设该课程。操作系统课程的学习将针对网络工程专业应用性较强的特殊性，要求学生熟悉linux环境下的一系列操作，以便适应不同的应用场景。

1.1.2物联网技术与应用主要授课内容

经过以上基础课程的学习，物联网技术与应用课程可以安排在第6学期进行学习，其课程性质属于专业核心课，学分为3分，理论课占40课时，实验课占8课时。课程覆盖的主要知识点如图2所示。主要授课内容共分为8章。在前3章学习的时候不需要开设实验课，基本以课堂教学为主。4-6章侧重介绍具体应用中的软件硬件设计方法、各种接口技术以及终端器件的编程。第4章讨论气象监测的设计方法与实例研究，第5章用Python说明接口编程，第6章讨论物联网终端设备。这三章内容属于物联网的关键技术，需要学生具备一定的基本理论，在理论教学的同时可以开展实验教学，在此期间教师课堂教学要结合学生动手实验进行。最后7-8章是关于连接云端的设计细节，具体通过在智能家居、校园安全和智能城市等应用中的案例，主要体现在项目实施过程中，所以学生需要结合云计算基本知识及行业应用体系架构进行学习[7]。

图2 物联网技术与应用课程知识体系

1.2 辅助教学活动

辅助教学活动在帮助学生学习的过程中遵循物联网原型系统分层思想，主要通过开展相关活动让学生熟悉各类设备的工作原理、方法及编程接口等。其中感知层的主要元素包括各类传感器等终端设备，主要技术为传感技术、RFID技术等。网络层分为有线通信和无线移动通信，应用层主要包括各种接口技术和应用层模块。本文设计的辅助教学活动，是为了培养学生的学习兴趣，提高学生的学习能力、实践能力和创新能力。

1.2.1 教学活动分类

在本文讨论的方法中主要开展两个层次的教学活动，活动1基于原型物联网系统进行设计，活动计划在学期初即可公布，持续时间为4周，约在学期的第3周至第7周之间进行。与此同时，学生可以结合大学生创新创业项目、物联网或者互联网+等相关竞赛中创意赛开展活动。鉴于网络工程专业学生经过物联网技术与应用课程约4周的课堂学习，对物联网有了基本的认识，通过自己的思考就可以发现在生活中利用物联网解决的一些实际问题，进而进行原型系统的设计。随着课堂教学的深入学习，学生不仅了解了物联网的基本框架，也掌握了其实现的关键技术，因此可以继续开展活动2。在该过程中学生主要解决技术问题，通过请教老师、小组讨论及借助网络等多种渠道学习，进而建立Web开发框架，最终实现完整的系统开发。

1.2.2 实施教学活动

将学生进行4人一个团队分组，学生也可以根据自己的兴趣自行组队，针对不同应用进行案例选取。教师会提前给学生提供相关参考资料并进行任务分解，每个小组将解决某个应用的特定问题。其中主要问题涉及如下几个方面。

（1）终端设备：小组的任务是选择适合某原型系统开发所需的不同的面板、传感器和接口技术等。让学生熟悉Arduino，Intel Galileo和Raspberry Pi接口板，掌握建立原型系统开发示意图的工具等基础知识。例如，超声波传感器HC-SR04用于智能废物管理和智能停车场系统，在智能废物管理系统中传感器可以识别废物的分类，在智能停车系统中用于识别汽车是否停放完好；PIR运动传感器用于家庭入侵检测系统中识别入侵者；在气象监测系统中DHT11（数字温湿度传感器）用来记录温度和湿度；MQ-135气体传感器可以检测有害气体，如氨气、硫化氢、苯蒸汽等用于“空气污染监测系统”；土壤水分传感器、继电器和伺服电机可应用于智能灌溉系统中。

（2）网络层组件的接口：终端设备连接到互联网通常通过使用有线连接（以太网电缆）、蓝牙、ESP8266 WiFi模块或GSM模块。nodemcu Wi-Fi模块第十二版ESP8266因其简单常被应用于连接互联网。

（3）应用层组件：数据库存储、网络服务器的配置，建立与云服务的开发者账户和传感器数据到Web服务器的交互都属于应用层，processing-3.0.2版本可以用于互连Arduino Uno串口数据到服务器。WampServer使学生运用Apache Web应用服务器进行开发，PHP作为编程语言和MySQL数据库存储，传感器收集的数据被推到云端进行分析。另外，部分团队还给用户提供手机的通知功能。

2 教学效果评价

通过观察，每一个团队成员都会致力于实现其设定目标。例如物联网原型系统开发智能停车设施项目，使市民可以在拥挤的停车场找到免费停车位。学生首先在活动1的学习过程中选择运用超声波传感器建立了一个原型系统组件，用来检测存在的障碍物，障碍物被看做是一辆车。超声波传感器用于发送障碍物的距离，通过查询服务器，用户可以通过移动终端或互联网访问停车区中空闲车位信息。接下来继续开展活动2，学生可以使用Web开发框架的用户界面构建。通过简单的网页设计活动图以及实物分析接口编程技术进而实现本地应用。如果有兴趣学生可以继续建立传感器与因特网之间的接口，进行数据库存储，推送传感器数据到云端，对移动通知事件的发生等进行完整的应用设计、分析、实现及测试。

评价指标从可行性、科学性、创新性三个维度对学生学习效果进行评价[8-10]，如表1所示。通过对学生提交的作品及成果报告最终分析，来判断课程开展课堂教学结合辅助教学活动的实际成效。具体来说，就是通过“可行性、科学性”去评判其对课程内容的熟悉情况，通过“创造性”来判断成果是否有创新，是否有不同于现有成果的构想或设计。

表1 课程教学效果评价指标

在本文评价系统中采用4个等级的评分标准“优、良、中、差”，分别赋予 5分、4分、3分、2分（④③②①）的分值，可以形成教师教学和学生学习效果总分100的评价。最终评价要反馈给教师和学生，既可以用于各阶段的形成性评价，也可以用于终结性评价。它可以在课程教学过程中多次进行，每一个评价阶段本身就是鉴定、引导、促进教师和学生发展的过程。

3 结语

本文所探究的教学方法，在课堂教学的同时根据教学内容和知识点本身的性质进行理论结合实践、课上教学结合课下实践、课程学习结合竞赛积极参与实际项目的开发，使学生主动接触到物联网最新的技术。理论教学收获的知识帮助学生们培养开发物联网的专业技能，实践活动的锻炼让学生掌握物联网原型系统的分析设计、开发及实施过程，通过该教学方法可以培养学生跨领域知识的学习能力。

［1］本刊编辑部.美国耶鲁大学校长理查德·莱文：以批判眼光看中国本科教育［J］.国际人才交流，2011，（3）：12-14．

［2］辛政华，宋启祥，李建新.物联网技术及应用课程教学路径探析［J］.宿州学院学报，2015，30（6）：122-123.

［3］Ling Lu，Yin Gui，LiHua Li.The Teaching Method Reformation for the Artificial Intelligence Course［A］.Proceedings of 2015 2nd International Conference on Education，Management and Information Technology（ICEMIT 2015）［C］.2015：368-371.

［4］Cha J S，Kang S K.The study of a course design of IoT manpower training based on the HOPPING education system and the ESIC program ［J］.International Journal of Software Engineering&Its Applications，2015，9（6）：71-82.

［5］Pruet P，Ang C S，Farzin D，et al.Exploring the Internet of“E-ducational Things”（IoET）in rural underprivileged areas［C］//International Conference on Electrical Engineering/electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology.IEEE，2015：1-5.

［6］赵苏骅，王琳.物联网导论课程的课堂教学探究—以非物联网工程专业为例［J］.成都师范学院学报，2015，31（11）：121-124.

［7］Raikar M M ，Desai P，Naragund J G.Active Learning Explored in Open Elective Course：Internet of Things （IoT）［C］//IEEE Eighth International Conference on Technology for Education.IEEE，2017：15-18.

［8］杨瑞军.实践教学评价体系的研究 ［J］.机械管理开发，2010，25（4）：158-161.

［9］鲁志萍.高职院校计算机网络技术专业建设的几点思考［J］.廊坊师范学院学报（自然科学版），2008，8（5）：98-101.

［10］陆长平，姜 锐，邓庆山.构建探究式教学课程评价指标体系［J］.中国大学教学，2013，（6）：76-88.

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

安徽省教育厅质量工程项目（2016jyxm1103）；皖西学院校级自然科学重点项目（WXZR201711）；皖西学院校级质量工程项目（wxxy2017122）

李瑞霞（1978-），女，硕士，皖西学院电子与信息工程学院副教授，研究方向：大数据处理、人工智能学习。