李瑞霞，涂勁松，郭垸汝

（皖西學(xué)院，安徽六安 237012）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的課堂教學(xué)探究
——以網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)為例

李瑞霞，涂勁松，郭垸汝

（皖西學(xué)院，安徽六安 237012）

探討網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的重要性，確定課程教學(xué)主要內(nèi)容。提出了結(jié)合課堂教學(xué)和輔助教學(xué)活動(dòng)開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程的教學(xué)新模式，并利用評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，運(yùn)用此方法不僅可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，同時(shí)有助于提升其跨學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)能力。

物聯(lián)網(wǎng)；體系架構(gòu)；評(píng)價(jià)指標(biāo)

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地走進(jìn)了人們的生活，得到國(guó)內(nèi)外企業(yè)、政府和教育部門的高度重視。物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用于多行業(yè)，關(guān)鍵技術(shù)多樣且復(fù)雜，綜合性較強(qiáng)，對(duì)專業(yè)人才需求量非常大。然而，高等院校本科教育在人才培養(yǎng)過程中，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)尚屬新專業(yè)，可以借鑒的成熟的人才培養(yǎng)方案并不多，授課經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)教師相對(duì)比較緊缺，所以如何上好物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用這門專業(yè)核心課程，使之符合網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)是一個(gè)值得探討的課題。

耶魯大學(xué)校長(zhǎng)理查德萊文曾在一次演講中提到，目前我國(guó)高等教育缺乏跨學(xué)科的知識(shí)廣度[1]，可以通過廣泛地接觸多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，拓展學(xué)生的視野，從而培養(yǎng)其創(chuàng)造性地解決問題的能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用作為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，知識(shí)點(diǎn)覆蓋了電子、通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)多個(gè)學(xué)科的交叉應(yīng)用，既有基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，也有應(yīng)用案例的分析設(shè)計(jì)及編程，所以本課程的學(xué)習(xí)既可培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能，也是拓寬學(xué)生視野的窗口，可以幫助學(xué)生通過更多更廣的維度來理解專業(yè)，發(fā)展其創(chuàng)新思維。

1 相關(guān)工作

目前，許多工科類的大學(xué)已開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，也有部分大學(xué)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程作為信息類專業(yè)的必修課，然而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程無(wú)論是對(duì)專業(yè)教育還是非專業(yè)的教育，在教學(xué)過程中都存在諸多困難[2]。主要由于課程本身是各種技術(shù)的綜合，內(nèi)容多而且比較復(fù)雜，因此要求學(xué)生需具備一定的理論基礎(chǔ)方可達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。如果教學(xué)方法不當(dāng)，學(xué)生會(huì)覺得理解抽象從而失去學(xué)習(xí)信心[3]。為了解決這種困境，許多教師進(jìn)行了教學(xué)方法的探索和改革，文獻(xiàn)[4]中作者提出物聯(lián)網(wǎng)課程作為一個(gè)流對(duì)象，完整的課程學(xué)習(xí)分為10個(gè)等級(jí)，第1級(jí)重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，第2級(jí)側(cè)重進(jìn)行Web設(shè)計(jì)與開發(fā)，第3-4級(jí)側(cè)重安卓開發(fā)，第5-8級(jí)則需要學(xué)生深入學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)理論知識(shí)，最后9-10級(jí)要求學(xué)生以小組的形式解決某個(gè)實(shí)際應(yīng)用問題。部分教師從物聯(lián)網(wǎng)的三層體系及每層的主要功能和涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行課程教學(xué)。文獻(xiàn)[5]介紹了一個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)整合了傳感器、執(zhí)行器、LDR、照相機(jī)、處理器、APP及3D打印等功能。綜合上述方法，本文提出了課堂教學(xué)結(jié)合輔助教學(xué)活動(dòng)開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程，以適合網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)。通過開展相關(guān)教學(xué)活動(dòng)一方面培養(yǎng)學(xué)生的興趣，借助于特定應(yīng)用場(chǎng)景更好地理解相關(guān)技術(shù)，另一方面通過該活動(dòng)，學(xué)生愿意主動(dòng)思考并發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在生活中的一些創(chuàng)新。

1.1 課堂教學(xué)

1.1.1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程作為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課通常開設(shè)在大學(xué)第6學(xué)期[6]，在學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)知識(shí)，所以本課程的學(xué)習(xí)主要通過認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1所示，主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

感知層：大學(xué)第4、5、6學(xué)期開始陸續(xù)開設(shè)了RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)等專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過上述課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以理解感知層獲得數(shù)據(jù)的基本原理及過程，使得物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

網(wǎng)絡(luò)層：從第5、6學(xué)期開始學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信及無(wú)線傳感網(wǎng)等課程，通過這部分課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生逐步理解數(shù)據(jù)如何從物到網(wǎng)，可以根據(jù)位置、距離及環(huán)境等從多方面綜合考慮，采用有線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)或者各類無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決特定的應(yīng)用需求。

應(yīng)用層：在應(yīng)用層學(xué)生不僅要掌握開發(fā)技能，還要熟悉云計(jì)算等關(guān)鍵知識(shí)。C語(yǔ)言通常開設(shè)在大學(xué)一年級(jí)，是物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中重要的一門語(yǔ)言課，學(xué)生有較大的興趣，課程學(xué)習(xí)本身較容易，因此，C語(yǔ)言將是網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)生編程必備的基本功。Java語(yǔ)言是面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)，同時(shí)也便于學(xué)習(xí)web開發(fā)，因此，在第6學(xué)期開設(shè)該課程。操作系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)將針對(duì)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)應(yīng)用性較強(qiáng)的特殊性，要求學(xué)生熟悉linux環(huán)境下的一系列操作，以便適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.1.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用主要授課內(nèi)容

經(jīng)過以上基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程可以安排在第6學(xué)期進(jìn)行學(xué)習(xí)，其課程性質(zhì)屬于專業(yè)核心課，學(xué)分為3分，理論課占40課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課占8課時(shí)。課程覆蓋的主要知識(shí)點(diǎn)如圖2所示。主要授課內(nèi)容共分為8章。在前3章學(xué)習(xí)的時(shí)候不需要開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，基本以課堂教學(xué)為主。4-6章側(cè)重介紹具體應(yīng)用中的軟件硬件設(shè)計(jì)方法、各種接口技術(shù)以及終端器件的編程。第4章討論氣象監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)例研究，第5章用Python說明接口編程，第6章討論物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。這三章內(nèi)容屬于物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，需要學(xué)生具備一定的基本理論，在理論教學(xué)的同時(shí)可以開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在此期間教師課堂教學(xué)要結(jié)合學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。最后7-8章是關(guān)于連接云端的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，具體通過在智能家居、校園安全和智能城市等應(yīng)用中的案例，主要體現(xiàn)在項(xiàng)目實(shí)施過程中，所以學(xué)生需要結(jié)合云計(jì)算基本知識(shí)及行業(yè)應(yīng)用體系架構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)[7]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程知識(shí)體系

1.2 輔助教學(xué)活動(dòng)

輔助教學(xué)活動(dòng)在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中遵循物聯(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)分層思想，主要通過開展相關(guān)活動(dòng)讓學(xué)生熟悉各類設(shè)備的工作原理、方法及編程接口等。其中感知層的主要元素包括各類傳感器等終端設(shè)備，主要技術(shù)為傳感技術(shù)、RFID技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)層分為有線通信和無(wú)線移動(dòng)通信，應(yīng)用層主要包括各種接口技術(shù)和應(yīng)用層模塊。本文設(shè)計(jì)的輔助教學(xué)活動(dòng)，是為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1.2.1 教學(xué)活動(dòng)分類

在本文討論的方法中主要開展兩個(gè)層次的教學(xué)活動(dòng)，活動(dòng)1基于原型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，活動(dòng)計(jì)劃在學(xué)期初即可公布，持續(xù)時(shí)間為4周，約在學(xué)期的第3周至第7周之間進(jìn)行。與此同時(shí)，學(xué)生可以結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、物聯(lián)網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)+等相關(guān)競(jìng)賽中創(chuàng)意賽開展活動(dòng)。鑒于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用課程約4周的課堂學(xué)習(xí)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有了基本的認(rèn)識(shí)，通過自己的思考就可以發(fā)現(xiàn)在生活中利用物聯(lián)網(wǎng)解決的一些實(shí)際問題，進(jìn)而進(jìn)行原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著課堂教學(xué)的深入學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅了解了物聯(lián)網(wǎng)的基本框架，也掌握了其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，因此可以繼續(xù)開展活動(dòng)2。在該過程中學(xué)生主要解決技術(shù)問題，通過請(qǐng)教老師、小組討論及借助網(wǎng)絡(luò)等多種渠道學(xué)習(xí)，進(jìn)而建立Web開發(fā)框架，最終實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)開發(fā)。

1.2.2 實(shí)施教學(xué)活動(dòng)

將學(xué)生進(jìn)行4人一個(gè)團(tuán)隊(duì)分組，學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣自行組隊(duì)，針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行案例選取。教師會(huì)提前給學(xué)生提供相關(guān)參考資料并進(jìn)行任務(wù)分解，每個(gè)小組將解決某個(gè)應(yīng)用的特定問題。其中主要問題涉及如下幾個(gè)方面。

（1）終端設(shè)備：小組的任務(wù)是選擇適合某原型系統(tǒng)開發(fā)所需的不同的面板、傳感器和接口技術(shù)等。讓學(xué)生熟悉Arduino，Intel Galileo和Raspberry Pi接口板，掌握建立原型系統(tǒng)開發(fā)示意圖的工具等基礎(chǔ)知識(shí)。例如，超聲波傳感器HC-SR04用于智能廢物管理和智能停車場(chǎng)系統(tǒng)，在智能廢物管理系統(tǒng)中傳感器可以識(shí)別廢物的分類，在智能停車系統(tǒng)中用于識(shí)別汽車是否停放完好；PIR運(yùn)動(dòng)傳感器用于家庭入侵檢測(cè)系統(tǒng)中識(shí)別入侵者；在氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中DHT11（數(shù)字溫濕度傳感器）用來記錄溫度和濕度；MQ-135氣體傳感器可以檢測(cè)有害氣體，如氨氣、硫化氫、苯蒸汽等用于“空氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”；土壤水分傳感器、繼電器和伺服電機(jī)可應(yīng)用于智能灌溉系統(tǒng)中。

（2）網(wǎng)絡(luò)層組件的接口：終端設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)通常通過使用有線連接（以太網(wǎng)電纜）、藍(lán)牙、ESP8266 WiFi模塊或GSM模塊。nodemcu Wi-Fi模塊第十二版ESP8266因其簡(jiǎn)單常被應(yīng)用于連接互聯(lián)網(wǎng)。

（3）應(yīng)用層組件：數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的配置，建立與云服務(wù)的開發(fā)者賬戶和傳感器數(shù)據(jù)到Web服務(wù)器的交互都屬于應(yīng)用層，processing-3.0.2版本可以用于互連Arduino Uno串口數(shù)據(jù)到服務(wù)器。WampServer使學(xué)生運(yùn)用Apache Web應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)，PHP作為編程語(yǔ)言和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，傳感器收集的數(shù)據(jù)被推到云端進(jìn)行分析。另外，部分團(tuán)隊(duì)還給用戶提供手機(jī)的通知功能。

2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

通過觀察，每一個(gè)團(tuán)隊(duì)成員都會(huì)致力于實(shí)現(xiàn)其設(shè)定目標(biāo)。例如物聯(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)開發(fā)智能停車設(shè)施項(xiàng)目，使市民可以在擁擠的停車場(chǎng)找到免費(fèi)停車位。學(xué)生首先在活動(dòng)1的學(xué)習(xí)過程中選擇運(yùn)用超聲波傳感器建立了一個(gè)原型系統(tǒng)組件，用來檢測(cè)存在的障礙物，障礙物被看做是一輛車。超聲波傳感器用于發(fā)送障礙物的距離，通過查詢服務(wù)器，用戶可以通過移動(dòng)終端或互聯(lián)網(wǎng)訪問停車區(qū)中空閑車位信息。接下來繼續(xù)開展活動(dòng)2，學(xué)生可以使用Web開發(fā)框架的用戶界面構(gòu)建。通過簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)圖以及實(shí)物分析接口編程技術(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本地應(yīng)用。如果有興趣學(xué)生可以繼續(xù)建立傳感器與因特網(wǎng)之間的接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，推送傳感器數(shù)據(jù)到云端，對(duì)移動(dòng)通知事件的發(fā)生等進(jìn)行完整的應(yīng)用設(shè)計(jì)、分析、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試。

評(píng)價(jià)指標(biāo)從可行性、科學(xué)性、創(chuàng)新性三個(gè)維度對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[8-10]，如表1所示。通過對(duì)學(xué)生提交的作品及成果報(bào)告最終分析，來判斷課程開展課堂教學(xué)結(jié)合輔助教學(xué)活動(dòng)的實(shí)際成效。具體來說，就是通過“可行性、科學(xué)性”去評(píng)判其對(duì)課程內(nèi)容的熟悉情況，通過“創(chuàng)造性”來判斷成果是否有創(chuàng)新，是否有不同于現(xiàn)有成果的構(gòu)想或設(shè)計(jì)。

表1 課程教學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

在本文評(píng)價(jià)系統(tǒng)中采用4個(gè)等級(jí)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)“優(yōu)、良、中、差”，分別賦予 5分、4分、3分、2分（④③②①）的分值，可以形成教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果總分100的評(píng)價(jià)。最終評(píng)價(jià)要反饋給教師和學(xué)生，既可以用于各階段的形成性評(píng)價(jià)，也可以用于終結(jié)性評(píng)價(jià)。它可以在課程教學(xué)過程中多次進(jìn)行，每一個(gè)評(píng)價(jià)階段本身就是鑒定、引導(dǎo)、促進(jìn)教師和學(xué)生發(fā)展的過程。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所探究的教學(xué)方法，在課堂教學(xué)的同時(shí)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)本身的性質(zhì)進(jìn)行理論結(jié)合實(shí)踐、課上教學(xué)結(jié)合課下實(shí)踐、課程學(xué)習(xí)結(jié)合競(jìng)賽積極參與實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)，使學(xué)生主動(dòng)接觸到物聯(lián)網(wǎng)最新的技術(shù)。理論教學(xué)收獲的知識(shí)幫助學(xué)生們培養(yǎng)開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)技能，實(shí)踐活動(dòng)的鍛煉讓學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)原型系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)、開發(fā)及實(shí)施過程，通過該教學(xué)方法可以培養(yǎng)學(xué)生跨領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)能力。

［1］本刊編輯部.美國(guó)耶魯大學(xué)校長(zhǎng)理查德·萊文：以批判眼光看中國(guó)本科教育［J］.國(guó)際人才交流，2011，（3）：12-14．

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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

安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目（2016jyxm1103）；皖西學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（WXZR201711）；皖西學(xué)院校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（wxxy2017122）

李瑞霞（1978-），女，碩士，皖西學(xué)院電子與信息工程學(xué)院副教授，研究方向：大數(shù)據(jù)處理、人工智能學(xué)習(xí)。