案例教学法在物联网通信技术教学中的应用

刘 进 亢艳芹 刘 涛 王 勇 余小丫

(安徽工程大学计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000)

一、引言

物联网通信技术是一门以物-物互联为主线，涵盖了现代通信技术、移动网络等一些通信课程的内容和物联网前沿技术的课程，其特点是知识覆盖面广并且内容抽象[1-2]。对于物联网工程专业的学生来说，物联网通信技术课程不但要求学生掌握各种通信技术的基本工作原理和关键技术，而且要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。传统的以教师“教”为主，重理论轻应用的教学方法，难以满足教学需求。而案例教学法是针对教学内容，设计实际案例，结合案例提出问题，让学生在解决实际案例问题中学习原理性知识，实现学以致用[3]。该方法最初是在医学和法学上应用，随着对案例法教学模式的不断研究和完善，目前在计算机类课程的教学中已广泛使用[4-5]。因此，本文在物联网通信技术课程的教学中，采用案例教学法，将理论知识与工程案例精准对应，让学生在掌握原理性知识的同时，明确通信技术在物联网系统中的具体应用，提高学生的工程应用能力。

二、物联网通信技术教学中存在的问题

(一)物联网通信技术课程特点

《物联网通信技术》是物联网工程专业课程体系中的核心课程。一方面，该课程知识覆盖面广。教学内容包括有USB、RS-232、ETH、CAN总线等有线通信技术和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，涉及多种异构通信网络以及众多通信技术，每种通信技术的工作原理、主要特点等均有所不同，学生容易混淆所学内容。另一方面，该课程的教学内容重理论轻应用。教材中大多是各种通信技术的拓扑结构、协议体系、相关标准以及关键技术等内容，理论性非常强。在学时分配上，课内实验学时远远少于理论学时，并且笔者所在高校，这门课没有开设课程设计环节，这也直接导致课程设置上更侧重于理论知识介绍。同时，物联网通信技术的发展日新月异，这就要求教师在课堂教学中，要融入物联网前沿技术，紧跟时代发展。

(二)教学手段单一，难以激发学生学习兴趣

目前，该门课程的课堂教学主要是采用传统的以教师“教”为主的授课方式，学生一知半解被动性听课，接受的基本都是原理性知识，难以达到灵活运用程度，并且缺乏教师与学生互动交流，学生课堂参与度不高。该课程的知识点大多是看不见摸不着的抽象理论，比如标准、协议体系，拓扑结构，多址接入方式、分集技术、调制技术等，很难让学生带着兴趣和问题去听课，课堂气氛沉闷，本身枯燥的通信知识学生学习起来会更加吃力，并且学生难以明确在具体的物联网系统中究竟如何应用这些通信技术，教学效果大打折扣。

(三)考核方式单一，难以体现课堂学习状况

目前，该门课的考核包括平时成绩、实验成绩、期末考试成绩，比重分别是10%、10%、 80%，平时成绩的依据主要是学生出勤率和作业质量，实验成绩的依据主要是实验报告撰写和上交情况，期末考试成绩比重较大，学生大多数考前临时突击可以不挂科。这种单一的考核方式，缺乏对学生课堂参与度和知识运用能力的考核，使得学生参与课堂回答问题和讨论的热情不够高，所学的理论知识也没有及时巩固应用，难以对知识充分理解和掌握。因此，我们需要打破这种忽视过程性的考核方式，使考核多样化，实现“考”“学”结合。

三、案例教学法在物联网通信技术教学中的应用

(一)整合优化教学内容

物联网通信技术贯穿于后续专业课学习的整个过程，鉴于通信技术在物联网专业课程体系中的重要性，有些高校开设了《现代通信技术》《通信原理》等[6]。安徽工程大学计算机与信息学院结合专业定位，开设了《物联网通信技术》课程，选用的教材是吕慧主编的《物联网通信技术》。该教材围绕物联网通信技术展开，主要讲授物联网的概念和物联网中常见的通信技术。根据物联网通信技术课程内容多，学时少，学生基础知识欠缺的特点，同时满足教学需求，我们将教学内容整合为基础知识、实用技术和网络技术三个模块：1.基础知识模块包涵数据通信和无线通信技术两部分，目的是培养学生了解和掌握通信的基础知识，主要是对数据通信系统、调制技术、多路复用、无线信道、无线通信原理等的学习；2.实用技术模块的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、协议与标准。主要知识点有近距离无线通信技术，如蓝牙技术、超宽带技术、NFC、ZigBee技术、RFID技术等，中远距离无线通信技术，如WiFi、扩频传输技术、WiMax等，移动通信技术，如移动信道、多址技术、GSM、GPRS及3G、4G、5G等；3.网络技术模块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。主要是对无线传感器网络结构、MAC协议、技术和异构网络模型、协同通信技术、协同数据传输等的学习。

通过整合优化教学内容，使学生对该门课程的知识体系有整体认知，更加明确不同通信技术在物联网中的应用对象，避免混淆所学知识。同时，我们设计与教学内容息息相关的研讨专题，作为课堂教学的延伸环节，让学生自己在课下查阅资料，了解物联网通信领域的新技术、新成果，提高学生自学能力。

(二)案例教学法在课堂教学中的实施

物联网通信技术的应用性很强，像RFID技术、ZigBee技术、WiFi和移动通信技术等，在物联网技术产品中已广泛应用，尤其像智能锁、高速ETC、智能快递柜、智能水电气表等智能产品，人们在日常生活中都能经常接触到[7][8]。因此，我们采用案例教学法，将物联网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，提高学生解决实际工程问题的能力。

表1 物联网通信技术课程教学内容与案例对照表

案例教学法在课前需要搜集大量具有针对性和新颖性的教学案例，进行归纳整理，如表1所示。课堂上，教学案例的选取要与教学目标中的知识点相匹配，实现工程案例与理论教学内容精准对应。课堂教学过程中，首先，通过图片和视频的形式向学生详细介绍工程案例和实施过程，并构建具体的物联网系统模型；其次，结合工程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不同类型通信技术，并介绍涉及到通信技术的工作原理、主要特点等，使学生了解各种通信技术如何在物联网系统中应用，紧接着分离出与本节课教学目标对应的系统模块，重点讲解相关知识点；然后，针对教学重点和教学难点，教师创设应用场景，提出问题，让学生分组开展专题研讨并交流讨论结果；最后，教师总结点评，进一步深化理论知识。下面以ZigBee技术为例，说明教师采用案例教学法的授课过程。

1.案例：远程抄表充值系统

远程抄表充值系统，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，并且利用无线网络进行底层数据传输。包括的产品有智能电表、远程抄和售电软件系统、数据监控电脑和数据采集器，其中智能电表具有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。远程抄表充值系统架构图如图1所示。

图1 远程抄表充值系统架构图

2.教学案例实施过程

结合远程抄表充值系统，讲解ZigBee技术的主要知识点：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。

首先，通过图片和视频向学生介绍智能电表实现自动抄表和自动监控的实施过程；其次，重点分析上述工程实例中涉及到的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，包括感知层的数据采集器(ZigBee中心节点)和智能电表(ZigBee终端节点)，网络层采用中国移动GPRS/CDMA无线通信网，应用层的集抄中心包括有中心服务器和上位机抄表软件。由此引入第一个知识点：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，即终端设备(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。

除此之外，本案例中采用GPRS无线分组技术实现数据传输，而目前市场上有些同类产品开始采用NB-IOT技术，因此，这里需要给学生穿插介绍物联网通信的新兴技术--NB-IOT相关知识，让学生了解新技术新产品，扩大视野，增加知识储备。

3.创设应用场景，学生分组研讨

对于教学内容中的重点和难点问题，教师创设应用场景，提出问题，学生分组讨论，共同探讨解决问题的方法，突出学生的主体地位。本次教学的重点和难点是ZigBee网络的组成。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。学生分小组讨论，每个小组分别讲解寝室火灾报警系统的设计方案、网络体系结构并画出网络拓扑图，小组之间自由提问，使每个学生都能参与到课堂中，课后撰写分析报告上交。通过专题讨论，加深学生对ZigBee网络的组成的理解和实践应用，完成教学重难点目标。

4.教师总结

最后教师总结远程抄表充值系统和寝室火灾报警系统的实现方案，并再次强调本节课的教学重点知识。

通过选取与实际生活比较贴切的物联网应用实例，将枯燥的原理性知识融入到实际生活中，让学生明确理论知识的应用价值，增加学生的学习获得感。除此之外，充分利用信息化教学平台，将案例教学的实施过程制作成微课，上传至智慧在线教学系统供学生学习。

(三)优化实验教学内容

实验是本课程一个关键环节，对物联网通信技术理论知识的掌握和灵活运用具有重要的作用，通过实验教学，使学生的综合能力得到训练和提升。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，巩固课堂内容。目前开设有基础实验和综合应用实验，其中综合应用实验是对课堂教学案例的部分实现和延伸。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。实验教学内容见表2。

表2 实验教学内容

除此之外，鼓励学生进创新实验室，加入教师课题组以及参加学科竞赛，都非常适合学生拓展自己的想象力和创新能力，将物联网通信技术应用到具体工程实践中。通过参加比赛，学生可以掌握更多物联网的应用技能，了解国家在物联网应用的最新研究方向，大大提高学生解决实际工程问题的能力和综合素质。

(四)多样化考核机制

本门课程的考核中，我们将注重过程性考核，尤其加强对学生学习过程的考核，调整后的总成绩包括平时成绩、实验成绩和期末考试成绩，比重分别是20%、20%和60%，其中平时成绩除了考勤和作业，主要依据回答课堂提问情况、专题讨论情况及课堂分析报告撰写；实验考核由验收答辩和实验报告质量综合评定，主要根据实验方案设计的合理性和完整性、对实验设备操作的熟练程度、实验结果的好坏、回答问题情况等；期末考试的试题类型也进行了改革，删除了传统的选择、填空和判断题型，增加设计性和开放性题目的比重，尽量减少对记忆性知识的考察，加强对学生原理性知识应用能力的考察，改革后的考试题型为简答与计算题(30分)、分析题(30分)和设计题(40分)。通过采用多样化的考核机制，打破学生平时不主动学习、考前连夜突击的学习思维模式，真正做到学以致用。

四、结语

在物联网通信技术的教学过程中，采用案例教学法，打破了学生死搬硬套记忆知识点的学习思维方式，实现在解决工程案例问题中，让学生循序渐进地学习到原理性知识，不仅提高了学生学习的积极性，更多地参与到课堂教学中，并且教学重点和难点问题通过专题研讨形式开展，突出学生主体地位，轻松达到教学目标，提高教学质量。