面向应用的《物联网通信技术》教学研究与改革

亢艳芹　刘进　刘涛　王勇　张新杨

摘 要：针对物联网通信技术课程知识点杂乱、教学手段单一的教学现状，在深入分析该课程知识体系的基础上，整合優化教学内容，并提出了一种面向物联网应用的教学模式，将理论知识和工程应用精准对应，激发学生学习兴趣，并且能够让学生在掌握通信技术原理性知识的基础上，将所学的知识应用到解决实际工程项目问题中。

关键词： 物联网;通信技术; 面向应用; 工程应用能力

中图分类号：G642.4        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0171-03

1 引言 

物联网在智能家居、智慧农业、环境监测等领域有很大应用前景，它融合了通信、自动化、微电子、计算机等多学科的技术知识，其中通信技术贯穿于物联网系统中信息采集、信息传输和信息处理整个过程，是实现物联网应用的基础[1-2]。《物联网通信技术》这门课主要介绍各种通信技术的工作原理，通过学习本课程，使学生系统且全面地学习各类物联网通信技术的基础知识和关键技术，培养学生依据应用场景选择通信技术进而设计物联网应用系统的能力[3-4]。

2 《物联网通信技术》课程教学现状

现有《物联网通信技术》教材的内容主要是有线通信、无线通信、无线传感器网络、互联网等各种通信技术[5]。而物联网工程专业的其他课程，比如《RFID原理及应用》《传感器技术与应用》《无线传感器网络原理》等也会涉及部分物联网通信内容，容易使学生感觉课程内容的重复，质疑这门课开设的必要性，但如果删除，会使得物联网系统中的通信技术分散在多门课程中，难以使学生对通信技术有整体的认知。其次，这门课程本身的特点是知识点杂乱涉及面广，并且是看不见摸不着抽象难懂的理论知识，再加上理论教学大多采用传统的满堂灌授课方式，导致学生缺乏学习的积极性和主动性。因此，现行《物联网通信技术》课程的教学内容和教学模式需要进行优化整合，以满足教学需求。

2.1 知识点杂乱，涉及面广

《物联网通信技术》课程内容涉及多种异构通信网络及众多通信技术和标准，常见的有红外技术、射频识别技术、Zigbee技术、蓝牙技术、无线局域网以及移动通信网等无线通信技术和RS-232、USB、CAN总线等有线通信技术[6-8]。每种通信技术都有不同的工作原理、主要特点及其在物联网系统中的应用场景和应用对象，学生容易混淆所学内容，并且这些课程内容的学习需要学生具备《信号系统》《通信原理》《模拟电子线路》和《通信电子线路》等先修课程的相关知识，而这通常是物联网工程专业学生所欠缺的。

2.2 教学手段单一

目前，物联网通信技术的理论教学采用传统的“满堂灌”授课方式，教师根据教材内容制作PPT，整节课按部就班地讲解每种通信技术的理论知识，缺少与学生的互动，学生似懂非懂被动听课。《物联网通信技术》的学习内容多数是看不见摸不着的抽象知识，如ZigBee技术的拓扑结构，协议体系，移动通信中的多址接入方式、分集技术、鉴权与加密等，甚至有更为抽象的信源编码、调制技术等，涉及多门学科的交叉，如果采用传统的教学模式，不仅知识枯燥难懂，并且很难使学生明确每种通信技术在具体的物联网系统中究竟是如何应用的。

3 教学改革的内容与途径

通信技术是物联网专业学生后续学习物联网开发应用的基础。有些高校开设了通信原理课程，现代通信技术课程等，综合考虑，我校结合物联网工程专业建设特点和人才培养需要，开设了《物联网通信技术》课程，并采用吕慧主编的《物联网通信技术》教材。该教材围绕物联网通信技术展开，主要讲授物联网的概念、物联网中的无线通信技术、移动通信技术和网络技术，并且用一个章节介绍数据通信基本原理。

3.1 整合课堂教学内容

物联网通信技术知识框架如图1所示，整合后的课堂教学内容分为三个模块：（1）基础知识：包括数据通信和无线通信技术两部分。主要内容有数据通信系统、信源编码、信道编码、多路复用、调制技术、无线信道、无线通信原理等，目的是培养学生了解和掌握通信的基础知识，是整个课程的基础。（2）实用技术：主要知识点包括蓝牙技术（Bluetooth）、ZigBee技术、射频识别技术（RFID）等近距离无线通信技术， WiFi、WiMax等中远距离无线通信技术，GSM、GPRS、CDMA及3G、4G、5G等移动通信技术，目的是培养学生了解和掌握物联网中的各种无线通信技术。（3）网络技术：主要知识点包括无线传感器网络和异构网络中的协同数据传输，目的是培养学生了解物联网中的多种无线通信技术实现互联互通，协同通信。

通过将知识点划分模块，构建有条理的知识框架，有助于学生对物联网系统中的各种通信技术有更加清晰的整体认知，避免混淆所学内容。同时，我们将根据教学内容提出相关的专题研讨，要求学生利用课余时间通过查阅资料，了解通信领域的新技术及其在物联网应用中的新成果，以此激发学生对通信技术的学习兴趣，提高学生自学能力。

3.2 优化实验教学内容

实验是本课程一个重要环节，对学生完成物联网通信技术的学习具有重要的作用。由于实验学时少，目前大多数实验教学开设的是验证性实验，课前教师把程序直接发给学生，课上学生验证实验结果，课后提交实验报告，实验成绩评定基本以实验报告为主，实验课上学生分析和解决问题的能力很难得到锻炼。

在现有实验学时的条件下，我们依托本校物联网应用开发实验室的实验平台，采用telosb开发套件和相关模块，通过一系列的无线传感网络TinyOS中的无线通信实验，让学生们理解无线传感网中的通信原理，巩固课堂所讲授的内容。目前开设了4个课程实验项目：（1）节点与PC的通信;（2）点对点通信实验;（3）点对基站实验;（4）智慧农业大棚综合性设计实验。学生在了解TinyOS编程原理后，针对给定的实验设备编程实现相关功能，完成相应的实验要求，同时，每个实验项目后面都设置有练习题，拓展了实验内容。实验过程中，学生按照实验要求，独立完成或团队协作完成，教师不断观察学生实验情况，适时加以指导。除此以外，还安排了一些自学实验项目，开拓学生思维。

3.3 改革教学模式

由于物联网通信技术这门课程的理论教学内容枯燥，采用传统的满堂灌教学模式，学生很难充分理解所学知识，更难以达到灵活运用的程度。同时，通信技术的应用性很强，比如教学内容中的蓝牙技术、ZigBee技术、RFID技术、WiFi和移动通信技术等在现如今的物联网技术项目和产品中已经应用得非常广泛，像智能锁、高速ETC、智能快递柜、智能水气表等这些物联网技术产品，人们在日常生活中都会经常接触到[9]。因此，我们引入面向物联网应用的教学模式，将物联网的通信技术与工程应用实例相结合，激发学生对通信技术学习的积极性和主动性，提高学生的工程应用能力。

教材中有关实际工程案例的介绍非常缺乏，因此课前我们将搜集最新工程实例，进行归纳整理，实现工程项目与理论教学内容的无缝对接。教学中，首先向学生介绍物联网工程项目实例，并通过视频形式向学生演示项目实施过程;其次将该项目抽象成具体的物联网系统模型，结合项目分析该物联网系统的感知层、网络层到应用层所采用的通信技术，进而分析相应通信技术的工作原理、特点以及协议标准等，使学生明确每一种通信技术在物联网系统中如何发挥作用以及如何应用，帮助学生深入理解原理性知识，并且让学生认识到理论知识的应用价值;然后教师创设应用场景，进行专题研讨，采取学生分组讨论，小组讲解的方法，各个小组分别讲解解决方案及工作原理，小组之间自由提问，使每个学生都能参与到课堂中，教师实时加以引导，激发学生主动思考;最后教师总结点评，进一步深化理论知识。这里以ZigBee技术授课为例，说明教师采用面向物联网应用方式的授课过程。

教学内容：ZigBee技术。主要知识点有ZigBee技术特点、ZigBee网络的组成、ZigBee网络的协议栈框架结构和ZigBee网络的路由协议。

教学过程：

（1）工程实例：远程自动抄表售电系统。可实现远程抄表、远程充值、远程拉合闸、余额报警提醒、手机APP充值、短信通知等功能。包括的产品有数据监控电脑、远程抄、售电软件系统、数据采集器和智能电表，其中智能电表具有实施采集并存储电表信息，无线收发、防窃电及控制电表通断等功能。

通过图片和视频向学生介紹智能电表实现自动抄表和自动监控的实施过程。

（2）重点分析上述工程实例中涉及的ZigBee技术，并将远程自动抄表售电系统抽象成物联网系统模型，画出其实物网络拓扑图，进而引入第一个知识点：ZigBee技术的网络体系结构;然后结合远程抄表系统的产品介绍ZigBee网络的设备类型有终端设备（智能电表）、路由器和协调器（数据采集器），接下来由远程抄表系统的拓扑结构延伸出ZigBee网络的星型、树状和网状三种类型拓扑结构及其优缺点，并要求学生分别画出远程抄表系统的这三种类型的拓扑结构。最后结合学生画的拓扑图介绍ZigBee网络的协议栈以及路由协议。

（3）教师创设应用场景：基于ZigBee技术模拟设计学校寝室火灾报警系统，能够对学校寝室实时监控与预警，及时发现火灾现象并报警。

（4）学生分组讨论，每个小组分别讲解寝室火灾报警系统解决方案和工作原理，并画出网络拓扑图。

（5）教师总结该应用场景实现方案，并再次强调ZigBee技术网络体系结构，设备类型以及拓扑结构这些重要知识点。

通过选取与实际生活比较贴切的物联网应用实例，不仅可以将枯燥的理论知识融入实际生活中，易于学生理解重难点，而且能够让学生明确理论知识的应用价值，增加学生的学习获得感。同时在讲课时，多介绍一些物联网领域的新技术、新产品，使学生能够了解物联网技术前沿及其应用实例，扩大视野，增加知识储备。

4 结束语

物联网行业对应用型人才的需要，对物联网工程专业的课程教学提出了新要求。本文通过面向物联网应用的教学改革研究，将物联网通信技术课堂教学内容整合为基础知识，实用技术和网络技术三大模块，并且优化实验教学内容，增大学生实践动手环节，更重要的是摒弃传统的满堂灌的教学模式，采用了从演示工程实例，抽象出系统模型到理论知识分析，再到创设应用场景，学生分组讨论，最后教师总结深化理论知识的教学模式，培养学生的工程应用能力。

参考文献：

[1] 贾应彪. 浅谈《物联网通信技术》课程教学[J]. 电脑知识与技术，2018，14（21）： 169-170.

[2] 江煜，许飞云，杨忠，等. 基于项目驱动下的物联网通信技术教学改革初探[J]. 科技创新导报，2017，14（35）：215-216.

[3] 石柯，秦磊华. 物联网通信技术课程建设研究[J]. 计算机教育，2014（11）： 64-67.

[4] 钱丽萍，黄亮，陈庆章. 物联网工程专业通信原理课程教学改革探究[J]. 计算机教育， 2016（03）： 103-105+110.

[5] 史艳翠，郝宇，杨巨成，等.探究式教学模式在《物联网通信技术》课程中的应用[J]. 科技与创新，2017（01）： 137-138.

[6] 项慧慧，邵星，孟海涛，等. 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[J].科技与创新，2017（11）：145-147.

[7] 赵翠芹，黄星寿，吴启明. 基于应用型人才培养的“物联网通信技术”课程教学改革[J]. 物联网技术，2017，7（06）： 112-114，117.

[8] 秦向攀. 面向模块化移动机器人的无线自组网控制系统研究[D]. 河北工业大学，2015.

[9] 史艳翠，廖富丽，杨巨成，等.智能手机在《物联网通信技术》课程教学中的应用[J]. 科技与创新，2017（23）：106-108.

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