“通信原理”課程在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的教學(xué)改革研究

趙亮 吳靜 曹文

摘 要：針對高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設(shè)“通信原理”課程時在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法方面所存在的不足，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)特點，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，對“通信原理”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進行了改革。教學(xué)改革中所采取的措施有助于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生提高“通信原理”課程的學(xué)習(xí)效率，并增強通信理論知識與物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用之間的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：通信原理;物聯(lián)網(wǎng)工程;應(yīng)用型人才培養(yǎng);教學(xué)改革;無線傳感器;認(rèn)識框架

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，許多高校新增了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，以此面向國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)掌握物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)專業(yè)知識，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，從事產(chǎn)品開發(fā)、系統(tǒng)集成、運行維護、項目管理等工作的工程技術(shù)人才。

對于大量高校而言，其新增的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)都還處于逐步建立并完善課程體系的階段。由于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)天生具有的通信需求，許多高校都延續(xù)了通信工程專業(yè)的培養(yǎng)方式，將“通信原理”作為必修課程納入物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程體系與培養(yǎng)方案當(dāng)中。從目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的典型需求上來講，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)所培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)具有解決物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)通信領(lǐng)域工程問題所需的工程技術(shù)知識，熟悉本行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，能夠分析本領(lǐng)域工程項目實施過程中遇到的關(guān)鍵問題，具備從事物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)通信領(lǐng)域工程項目的設(shè)計與開發(fā)能力。這樣的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求與傳統(tǒng)的通信工程專業(yè)的培養(yǎng)需求是存在區(qū)別的。為此，部分普通高校對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)定位也有別于通信工程專業(yè)，更側(cè)重于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[1]。這就需要在開設(shè)“通信原理”課程時進行相應(yīng)的教學(xué)改革，以支撐物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設(shè)“通信原理”課程所存在的問題

現(xiàn)階段部分高校在開設(shè)“通信原理”課程時，直接采用了通信工程專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容與授課方式[2]，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的自身特點與需求考慮不多，因此在課時安排、課程內(nèi)容、教學(xué)方法等方面都還存在諸多不盡如人意之處。由此導(dǎo)致的問題集中表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 對專業(yè)特點及學(xué)生基礎(chǔ)考慮不足

傳統(tǒng)通信工程專業(yè)開設(shè)的“通信原理”課程，本質(zhì)上是從數(shù)學(xué)角度描述并分析典型通信系統(tǒng)工作過程及其性能的理論課[3-4]，其先導(dǎo)課程包括“信號與系統(tǒng)分析”“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”“數(shù)字信號處理”等。由于涉及大量交叉的知識體系，對修課學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求較高。對于學(xué)校而言，是否開設(shè)了相應(yīng)的先導(dǎo)課程，對于學(xué)生理解“通信原理”中的相關(guān)內(nèi)容有重要影響。以筆者所在的學(xué)校為例，在通信工程與物聯(lián)網(wǎng)工程這兩個專業(yè)中采用同樣的“通信原理”授課方式時，發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生在理解調(diào)制解調(diào)中的電路實現(xiàn)時明顯更為困難。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其部分原因在于通信工程專業(yè)較物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)多了“高頻電子線路”的先導(dǎo)課程，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生反映較難理解的倍頻、鎖相環(huán)等概念在“高頻電子線路”課程中實際已經(jīng)有過詳細(xì)介紹。這在一定程度上說明物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在開設(shè)“通信原理”課程時，需要更多考慮到本專業(yè)的特點及學(xué)生的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程的培養(yǎng)方案來確定“通信原理”的教學(xué)內(nèi)容，不宜簡單復(fù)制該課在通信工程專業(yè)中的授課內(nèi)容。

1.2 課程內(nèi)容與實際應(yīng)用聯(lián)系不緊密

傳統(tǒng)的“通信原理”課程花了大量篇幅用于介紹不同通信系統(tǒng)的頻譜分析、模擬信號的數(shù)字化過程等內(nèi)容。這些內(nèi)容理論性強，數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，通常是通信工程專業(yè)的教學(xué)重點。而對于旨在培養(yǎng)應(yīng)用型人才的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)來說，大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容在占用大量教學(xué)與學(xué)習(xí)資源的情況下，對于提高學(xué)生的工程能力幫助有限。

除此以外，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域涉及較多的無線通信技術(shù)，現(xiàn)有的“通信原理”課程對于無線通信技術(shù)的介紹相對較少。傳統(tǒng)通信工程專業(yè)往往依賴后續(xù)的無線通信技術(shù)類課程對這方面知識進行專門講授。而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中并不一定設(shè)置了這類后續(xù)課程[5]，由此導(dǎo)致學(xué)生難以通過“通信原理”課程掌握無線通信技術(shù)中的主要概念。

另外，現(xiàn)有的“通信原理”課程通常圍繞傳統(tǒng)的通信應(yīng)用，如調(diào)幅/調(diào)頻廣播系統(tǒng)、數(shù)字電話通信系統(tǒng)等，展開有關(guān)系統(tǒng)原理的介紹。而對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生而言，他們通常很難將這些通信應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的實際應(yīng)用場景聯(lián)系起來，這往往會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。

1.3 教學(xué)方法難以吸引學(xué)生注意力

對于傳統(tǒng)的“通信原理”課程而言，由于其涉及大量分散的抽樣概念以及繁瑣的理論推導(dǎo)，處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)的學(xué)生在有限的課堂時間內(nèi)往往不足以形成自身的見解，這種情況下授課教師成為課堂的唯一主角，學(xué)生對課程的參與度通常不高，同時難以在課堂上對所學(xué)知識形成討論。當(dāng)講授比較枯燥的理論內(nèi)容時，若學(xué)生事先沒有對課程的總體內(nèi)容形成整體的認(rèn)識框架，并將當(dāng)前所講的內(nèi)容納入到整體框架中進行理解，就很容易出現(xiàn)學(xué)生跟不上課堂節(jié)奏的情況，由此導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣下降，注意力不集中。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點，對“通信原理”課程的教學(xué)內(nèi)容進行了調(diào)整。調(diào)整的原則是在保證知識體系相對完整的前提下，幫助學(xué)生利用“通信原理”的相關(guān)知識指導(dǎo)其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的工程實踐，并為學(xué)生掌握“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”等物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程奠定理論基礎(chǔ)。調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容著重講授影響隨參信道傳輸特性的因素、數(shù)字基帶傳輸、數(shù)字帶通傳輸、信源編碼、信道編碼的基本原理，以及無線通信中所涉及的頻譜資源劃分等概念，并以日常RFID標(biāo)簽信息無線讀取過程中的2ASK，BPSK通信方式為例，將數(shù)字帶通傳輸?shù)脑砼c物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用結(jié)合起來進行介紹。除此以外，還引入了目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)廣泛采用的LORA及NB-IoT兩種通信模式的相關(guān)內(nèi)容，分別作為擴頻通信以及復(fù)用技術(shù)的實際應(yīng)用案例，以此為學(xué)生構(gòu)建起“通信原理”課程知識與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用之間的聯(lián)系。

考慮到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)側(cè)重于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的特點，對傳統(tǒng)“通信原理”課程中大量有關(guān)通信系統(tǒng)抗噪性能的理論推導(dǎo)進行了簡化，在課堂上僅限于介紹影響系統(tǒng)抗噪性能的因素及不同通信方式的抗噪聲性能排序。對于部分具有較強鉆研精神的同學(xué)，對教材在推導(dǎo)過程中所用到的概率論、隨機過程、模擬電路等方面知識進行了參考文獻的列舉，學(xué)生在課后可以從所列參考文獻中直接查閱到抗噪性能理論推導(dǎo)的依據(jù)。