劉 進 亢艷芹 劉 濤 王 勇 余小丫

(安徽工程大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)是一門以物-物互聯(lián)為主線，涵蓋了現(xiàn)代通信技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)等一些通信課程的內(nèi)容和物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)的課程，其特點是知識覆蓋面廣并且內(nèi)容抽象[1-2]。對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生來說，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程不但要求學(xué)生掌握各種通信技術(shù)的基本工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，而且要培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)應(yīng)用場景選擇通信技術(shù)進而設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的能力。傳統(tǒng)的以教師“教”為主，重理論輕應(yīng)用的教學(xué)方法，難以滿足教學(xué)需求。而案例教學(xué)法是針對教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計實際案例，結(jié)合案例提出問題，讓學(xué)生在解決實際案例問題中學(xué)習(xí)原理性知識，實現(xiàn)學(xué)以致用[3]。該方法最初是在醫(yī)學(xué)和法學(xué)上應(yīng)用，隨著對案例法教學(xué)模式的不斷研究和完善，目前在計算機類課程的教學(xué)中已廣泛使用[4-5]。因此，本文在物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的教學(xué)中，采用案例教學(xué)法，將理論知識與工程案例精準對應(yīng)，讓學(xué)生在掌握原理性知識的同時，明確通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

二、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學(xué)中存在的問題

(一)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程特點

《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系中的核心課程。一方面，該課程知識覆蓋面廣。教學(xué)內(nèi)容包括有USB、RS-232、ETH、CAN總線等有線通信技術(shù)和Zigbee技術(shù)、藍牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)以及移動通信網(wǎng)等無線通信技術(shù)，涉及多種異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)以及眾多通信技術(shù)，每種通信技術(shù)的工作原理、主要特點等均有所不同，學(xué)生容易混淆所學(xué)內(nèi)容。另一方面，該課程的教學(xué)內(nèi)容重理論輕應(yīng)用。教材中大多是各種通信技術(shù)的拓撲結(jié)構(gòu)、協(xié)議體系、相關(guān)標(biāo)準以及關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容，理論性非常強。在學(xué)時分配上，課內(nèi)實驗學(xué)時遠遠少于理論學(xué)時，并且筆者所在高校，這門課沒有開設(shè)課程設(shè)計環(huán)節(jié)，這也直接導(dǎo)致課程設(shè)置上更側(cè)重于理論知識介紹。同時，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，這就要求教師在課堂教學(xué)中，要融入物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)，緊跟時代發(fā)展。

(二)教學(xué)手段單一，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

目前，該門課程的課堂教學(xué)主要是采用傳統(tǒng)的以教師“教”為主的授課方式，學(xué)生一知半解被動性聽課，接受的基本都是原理性知識，難以達到靈活運用程度，并且缺乏教師與學(xué)生互動交流，學(xué)生課堂參與度不高。該課程的知識點大多是看不見摸不著的抽象理論，比如標(biāo)準、協(xié)議體系，拓撲結(jié)構(gòu)，多址接入方式、分集技術(shù)、調(diào)制技術(shù)等，很難讓學(xué)生帶著興趣和問題去聽課，課堂氣氛沉悶，本身枯燥的通信知識學(xué)生學(xué)習(xí)起來會更加吃力，并且學(xué)生難以明確在具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中究竟如何應(yīng)用這些通信技術(shù)，教學(xué)效果大打折扣。

(三)考核方式單一，難以體現(xiàn)課堂學(xué)習(xí)狀況

目前，該門課的考核包括平時成績、實驗成績、期末考試成績，比重分別是10%、10%、 80%，平時成績的依據(jù)主要是學(xué)生出勤率和作業(yè)質(zhì)量，實驗成績的依據(jù)主要是實驗報告撰寫和上交情況，期末考試成績比重較大，學(xué)生大多數(shù)考前臨時突擊可以不掛科。這種單一的考核方式，缺乏對學(xué)生課堂參與度和知識運用能力的考核，使得學(xué)生參與課堂回答問題和討論的熱情不夠高，所學(xué)的理論知識也沒有及時鞏固應(yīng)用，難以對知識充分理解和掌握。因此，我們需要打破這種忽視過程性的考核方式，使考核多樣化，實現(xiàn)“考”“學(xué)”結(jié)合。

三、案例教學(xué)法在物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

(一)整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)貫穿于后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的整個過程，鑒于通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系中的重要性，有些高校開設(shè)了《現(xiàn)代通信技術(shù)》《通信原理》等[6]。安徽工程大學(xué)計算機與信息學(xué)院結(jié)合專業(yè)定位，開設(shè)了《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》課程，選用的教材是呂慧主編的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》。該教材圍繞物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)展開，主要講授物聯(lián)網(wǎng)的概念和物聯(lián)網(wǎng)中常見的通信技術(shù)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程內(nèi)容多，學(xué)時少，學(xué)生基礎(chǔ)知識欠缺的特點，同時滿足教學(xué)需求，我們將教學(xué)內(nèi)容整合為基礎(chǔ)知識、實用技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三個模塊：1.基礎(chǔ)知識模塊包涵數(shù)據(jù)通信和無線通信技術(shù)兩部分，目的是培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握通信的基礎(chǔ)知識，主要是對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、調(diào)制技術(shù)、多路復(fù)用、無線信道、無線通信原理等的學(xué)習(xí)；2.實用技術(shù)模塊的目的是培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握物聯(lián)網(wǎng)中的各種無線通信技術(shù)、協(xié)議與標(biāo)準。主要知識點有近距離無線通信技術(shù)，如藍牙技術(shù)、超寬帶技術(shù)、NFC、ZigBee技術(shù)、RFID技術(shù)等，中遠距離無線通信技術(shù)，如WiFi、擴頻傳輸技術(shù)、WiMax等，移動通信技術(shù)，如移動信道、多址技術(shù)、GSM、GPRS及3G、4G、5G等；3.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模塊目的是培養(yǎng)學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)中的多種無線通信技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)互通，協(xié)同通信。主要是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、MAC協(xié)議、技術(shù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型、協(xié)同通信技術(shù)、協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊膶W(xué)習(xí)。

通過整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生對該門課程的知識體系有整體認知，更加明確不同通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用對象，避免混淆所學(xué)知識。同時，我們設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)的研討專題，作為課堂教學(xué)的延伸環(huán)節(jié)，讓學(xué)生自己在課下查閱資料，了解物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域的新技術(shù)、新成果，提高學(xué)生自學(xué)能力。

(二)案例教學(xué)法在課堂教學(xué)中的實施

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用性很強，像RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、WiFi和移動通信技術(shù)等，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品中已廣泛應(yīng)用，尤其像智能鎖、高速ETC、智能快遞柜、智能水電氣表等智能產(chǎn)品，人們在日常生活中都能經(jīng)常接觸到[7][8]。因此，我們采用案例教學(xué)法，將物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)與工程應(yīng)用實例相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生對通信技術(shù)學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。

表1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容與案例對照表

案例教學(xué)法在課前需要搜集大量具有針對性和新穎性的教學(xué)案例，進行歸納整理，如表1所示。課堂上，教學(xué)案例的選取要與教學(xué)目標(biāo)中的知識點相匹配，實現(xiàn)工程案例與理論教學(xué)內(nèi)容精準對應(yīng)。課堂教學(xué)過程中，首先，通過圖片和視頻的形式向?qū)W生詳細介紹工程案例和實施過程，并構(gòu)建具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型；其次，結(jié)合工程項目分析該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層所采用的不同類型通信技術(shù)，并介紹涉及到通信技術(shù)的工作原理、主要特點等，使學(xué)生了解各種通信技術(shù)如何在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用，緊接著分離出與本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)的系統(tǒng)模塊，重點講解相關(guān)知識點；然后，針對教學(xué)重點和教學(xué)難點，教師創(chuàng)設(shè)應(yīng)用場景，提出問題，讓學(xué)生分組開展專題研討并交流討論結(jié)果；最后，教師總結(jié)點評，進一步深化理論知識。下面以ZigBee技術(shù)為例，說明教師采用案例教學(xué)法的授課過程。

1.案例：遠程抄表充值系統(tǒng)

遠程抄表充值系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程抄表、遠程充值、遠程拉合閘、余額報警提醒、手機APP充值、短信通知等功能，并且利用無線網(wǎng)絡(luò)進行底層數(shù)據(jù)傳輸。包括的產(chǎn)品有智能電表、遠程抄和售電軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控電腦和數(shù)據(jù)采集器，其中智能電表具有采集并存儲電表信息，無線收發(fā)、防竊電及控制電表通斷等功能。遠程抄表充值系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 遠程抄表充值系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.教學(xué)案例實施過程

結(jié)合遠程抄表充值系統(tǒng)，講解ZigBee技術(shù)的主要知識點：ZigBee技術(shù)特點、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議?？蚣芙Y(jié)構(gòu)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。

首先，通過圖片和視頻向?qū)W生介紹智能電表實現(xiàn)自動抄表和自動監(jiān)控的實施過程；其次，重點分析上述工程實例中涉及到的ZigBee技術(shù)，并將遠程自動抄表售電系統(tǒng)抽象成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型，包括感知層的數(shù)據(jù)采集器(ZigBee中心節(jié)點)和智能電表(ZigBee終端節(jié)點)，網(wǎng)絡(luò)層采用中國移動GPRS/CDMA無線通信網(wǎng)，應(yīng)用層的集抄中心包括有中心服務(wù)器和上位機抄表軟件。由此引入第一個知識點：ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；然后，結(jié)合遠程抄表系統(tǒng)的產(chǎn)品介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，即終端設(shè)備(智能電表)、路由器和協(xié)調(diào)器(數(shù)據(jù)采集器)；接下來，由遠程抄表系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)延伸出ZigBee網(wǎng)絡(luò)的星型、樹狀和網(wǎng)狀三種拓撲結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點，并要求學(xué)生分別畫出遠程抄表系統(tǒng)的這三種類型的拓撲結(jié)構(gòu)。最后，結(jié)合學(xué)生畫的拓撲圖介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧以及路由協(xié)議。

除此之外，本案例中采用GPRS無線分組技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而目前市場上有些同類產(chǎn)品開始采用NB-IOT技術(shù)，因此，這里需要給學(xué)生穿插介紹物聯(lián)網(wǎng)通信的新興技術(shù)--NB-IOT相關(guān)知識，讓學(xué)生了解新技術(shù)新產(chǎn)品，擴大視野，增加知識儲備。

3.創(chuàng)設(shè)應(yīng)用場景，學(xué)生分組研討

對于教學(xué)內(nèi)容中的重點和難點問題，教師創(chuàng)設(shè)應(yīng)用場景，提出問題，學(xué)生分組討論，共同探討解決問題的方法，突出學(xué)生的主體地位。本次教學(xué)的重點和難點是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成。教師創(chuàng)設(shè)應(yīng)用場景：基于ZigBee技術(shù)模擬設(shè)計學(xué)校寢室火災(zāi)報警系統(tǒng)，能夠?qū)W(xué)校寢室實時監(jiān)控與預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象并報警。學(xué)生分小組討論，每個小組分別講解寢室火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計方案、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)并畫出網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，小組之間自由提問，使每個學(xué)生都能參與到課堂中，課后撰寫分析報告上交。通過專題討論，加深學(xué)生對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成的理解和實踐應(yīng)用，完成教學(xué)重難點目標(biāo)。

4.教師總結(jié)

最后教師總結(jié)遠程抄表充值系統(tǒng)和寢室火災(zāi)報警系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并再次強調(diào)本節(jié)課的教學(xué)重點知識。

通過選取與實際生活比較貼切的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例，將枯燥的原理性知識融入到實際生活中，讓學(xué)生明確理論知識的應(yīng)用價值，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感。除此之外，充分利用信息化教學(xué)平臺，將案例教學(xué)的實施過程制作成微課，上傳至智慧在線教學(xué)系統(tǒng)供學(xué)生學(xué)習(xí)。

(三)優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

實驗是本課程一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)理論知識的掌握和靈活運用具有重要的作用，通過實驗教學(xué)，使學(xué)生的綜合能力得到訓(xùn)練和提升。在現(xiàn)有實驗學(xué)時的條件下，我們依托本校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)實驗室的實驗平臺，采用telosb開發(fā)套件和相關(guān)模塊，通過一系列的無線傳感網(wǎng)絡(luò)TinyOS中的無線通信實驗，鞏固課堂內(nèi)容。目前開設(shè)有基礎(chǔ)實驗和綜合應(yīng)用實驗，其中綜合應(yīng)用實驗是對課堂教學(xué)案例的部分實現(xiàn)和延伸。學(xué)生在了解TinyOS編程原理后，針對給定的實驗設(shè)備編程實現(xiàn)相關(guān)功能，完成相應(yīng)的實驗要求，同時，每個實驗項目后面都設(shè)置有練習(xí)題，拓展了實驗內(nèi)容。實驗教學(xué)內(nèi)容見表2。

表2 實驗教學(xué)內(nèi)容

除此之外，鼓勵學(xué)生進創(chuàng)新實驗室，加入教師課題組以及參加學(xué)科競賽，都非常適合學(xué)生拓展自己的想象力和創(chuàng)新能力，將物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用到具體工程實踐中。通過參加比賽，學(xué)生可以掌握更多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技能，了解國家在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最新研究方向，大大提高學(xué)生解決實際工程問題的能力和綜合素質(zhì)。

(四)多樣化考核機制

本門課程的考核中，我們將注重過程性考核，尤其加強對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核，調(diào)整后的總成績包括平時成績、實驗成績和期末考試成績，比重分別是20%、20%和60%，其中平時成績除了考勤和作業(yè)，主要依據(jù)回答課堂提問情況、專題討論情況及課堂分析報告撰寫；實驗考核由驗收答辯和實驗報告質(zhì)量綜合評定，主要根據(jù)實驗方案設(shè)計的合理性和完整性、對實驗設(shè)備操作的熟練程度、實驗結(jié)果的好壞、回答問題情況等；期末考試的試題類型也進行了改革，刪除了傳統(tǒng)的選擇、填空和判斷題型，增加設(shè)計性和開放性題目的比重，盡量減少對記憶性知識的考察，加強對學(xué)生原理性知識應(yīng)用能力的考察，改革后的考試題型為簡答與計算題(30分)、分析題(30分)和設(shè)計題(40分)。通過采用多樣化的考核機制，打破學(xué)生平時不主動學(xué)習(xí)、考前連夜突擊的學(xué)習(xí)思維模式，真正做到學(xué)以致用。

四、結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的教學(xué)過程中，采用案例教學(xué)法，打破了學(xué)生死搬硬套記憶知識點的學(xué)習(xí)思維方式，實現(xiàn)在解決工程案例問題中，讓學(xué)生循序漸進地學(xué)習(xí)到原理性知識，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更多地參與到課堂教學(xué)中，并且教學(xué)重點和難點問題通過專題研討形式開展，突出學(xué)生主體地位，輕松達到教學(xué)目標(biāo)，提高教學(xué)質(zhì)量。