新工科形勢下物聯網專業(yè)通信類課程改革與實踐

董 俊，魏書寧，鄧月明，張連明

（湖南師范大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410081）

0 引 言

隨著我國經濟發(fā)展結構調整和轉型升級，“移動互聯網+”、大數據、云計算、虛擬現實、5G和人工智能等新一代信息技術的飛速發(fā)展，以及科技和產業(yè)革命的新一輪蓄勢待發(fā)，對現代教育產生了深遠影響。新工科具有強化人才培養(yǎng)的新模式、改善傳統工科形式的新結構、實現新型綜合性工程的新理念以及提升學科專業(yè)強化性的新質量?？梢?，新時代對于人才的需求引起新工科教育的不斷變革和創(chuàng)新，新工科人才的培養(yǎng)和業(yè)態(tài)轉型、行業(yè)需求發(fā)展的趨勢需要保持一致。

1 物聯網通信類課程改革背景

物聯網產業(yè)是目前發(fā)展應用前景較為廣泛的產業(yè)，后續(xù)發(fā)展中對于高素質人才的需求缺口較大。我國先后提出了“互聯網+”等重大戰(zhàn)略決策，且高校人才培養(yǎng)目標和定位必須要與國家發(fā)展戰(zhàn)略高度吻合。近年來，我國已有上百所高校開設了物聯網工程專業(yè)。隨著移動通信技術的快速發(fā)展，對物聯網通信技術類課程在內容設置上提出了新的要求，需要其緊跟前沿技術和行業(yè)發(fā)展趨勢。在課程設置上，物聯網通信技術類課程是物聯網工程專業(yè)的學科基礎，從課程性質來看，也最能夠體現出物聯網工程專業(yè)“物物相連”的特點。另外，在教學內容上，新工科背景下物聯網通信技術課程內容應以互聯互通為主線，課程體系設計應包含通信原理知識、技術應用和物聯網應用系統集成等三個方面。

2 物聯網通信類課程統籌規(guī)劃與建設

物聯網是一門集電子、通信和計算機的交叉學科，而通信技術是物聯網技術發(fā)展的基礎和關鍵技術。在課程教學過程中，要將企業(yè)的最新研發(fā)成果與教學相結合，提升學生的實踐能力，有利于學生更好地理解物聯網技術，從而更有效地培養(yǎng)與企業(yè)對接的應用型人才。很多高校也從不同角度積極進行專業(yè)和課程教學改革。其中，課堂教學是學校教育教學的核心，當前基于信息技術發(fā)展的深度融合已經成為發(fā)展趨勢，越來越多的教育工作者也在不斷改變教學方式。如章立亮基于產教融合的理念對新工科的建設提出了改革實踐探索方案；范小嬌等基于信息化技術手段雨課堂的運用，探討了雨課堂在物聯網組網技術與應用課程教學中的應用效果；張連明等從企業(yè)需求角度出發(fā)，探討了企業(yè)對于物聯網工程師所需的知識體系結構，設計了較為完備的課程體系。

物聯網通信技術相關課程主要包括通信原理、無線傳感網絡、短距離無線通信等核心課程。一般來說，通信原理測重于通信的基礎理論教學；短距離通信主要側重于RFID、藍牙、ZigBee和可見光通信等幾種短距離通信技術應用教學，且主要偏向于硬件；無線傳感網主要側重于幾種短距離通信的網絡協議和軟件控制部分。在新形勢下，則須串聯各門課程的知識點，使之成為一個系統的整體，保持物聯網通信技術體系的完整性，這也符合物聯網專業(yè)特色的發(fā)展需求。

2.1 新興通信技術引入課堂教學

將物聯網通信技術課程中新興的LoRa、NB-IoT等相關技術引入課堂教學。其中，LoRa技術誕生于2013年，它是一種新型芯片，可以實現基于1 GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術。同時，與業(yè)界其他先進水平的sub-GHz芯片相比，LoRa最高的接收靈敏度改善了20 dB以上，從而確保了網絡連接可靠性。NB-IoT是指窄帶物聯網（Narrow Band-Internet of Things）技術，它具有低功耗、廣域覆蓋、低成本、大連接等特點。2016年NB-IoT技術協議被3GPP無線接入網（RAN）技術規(guī)范組會議通過。兩種新興通信技術可廣泛應用于物聯網各類場景，如遠距離抄表、智慧農業(yè)、定位與跟蹤、智慧醫(yī)療等。在物聯網通信課程中急需補充拓展這兩種新興技術。

2.2 5G通信引入課堂教學

隨著物聯網時代的到來以及其他領域的應用需求的增加，比如醫(yī)療健康等特殊需求，新型移動通信網絡—5G通信網絡受到廣泛關注，5G通信網絡能夠滿足物聯網發(fā)展的核心需求，即海量連接和低時延。因此，5G通信技術是推動物聯網應用的核心推力。將與物聯網技術未來發(fā)展息息相關的5G通信技術引入物聯網通信課程的教學中是非常必要的。此外，除了考慮培養(yǎng)學生的新興技術和專業(yè)知識，還需要加強學生的能力和職業(yè)素質培養(yǎng)。只有基于這些目標展開相應課程體系的教學，才能使學生明白“為什么學”，老師也能清楚“為什么教”。

3 物聯網通信課程教學模式的創(chuàng)新

3.1 基于體驗實踐的實驗教學模式

物聯網工程專業(yè)的快速發(fā)展離不開通信、計算機以及電子等相關領域的研究探索，與此同時又有自身的顯著特性。因此，在教學過程中，要注重基于體驗實踐的實驗教學模式?？梢酝ㄟ^建立“物聯網通信綜合演示實訓中心”，讓學生感性體驗實驗課課程，從而將物聯網工程專業(yè)的特色與其他計算機、通信類專業(yè)進行有效區(qū)分；同時利用學校與企業(yè)聯合共建的物聯網通信平臺示范基地，讓學生提前認識、學習專業(yè)內的應用設備，激發(fā)學生興趣。通過引入基于體驗實踐的優(yōu)質資源，建設一流的軟硬件和教學資源平臺，提升對于產業(yè)人才的培養(yǎng)能力。針對工科專業(yè)的基礎課程體系進行整合、優(yōu)化、重組，對核心課程資源實現網絡共享，實現在線授課，建成符合工程認證標準的課程評價體系。

3.2 精品實踐案例的通信課程教學模式

對于概念和應用寬泛的物聯網專業(yè)而言，其通信類課程還可以采用精品案例教學的模式。學生可以適當結合自身的專業(yè)特長和興趣特點，通過了解國內外前沿技術，選擇適合自己的研究方向，以小組研究的形式開展精品實踐案例學習。這不僅可以充分利用現有資源，更能體現針對性，且學生容易入門。在教學過程中，通過某個具體精品案例展示，也能夠充分體現物聯網的知識體系。

為了使學生更容易掌握智能家居相關物聯網通信技術，在課程案例教學上，應從小系統學習出發(fā)。引導學生以基于物聯網技術的智能家居系統的案例教學為例，在智能家居中融合無線通信技術、自動化控制技術、計算機網絡技術以及傳感器技術于一體，形成物物相連、智能化、網絡化的家居控制系統，將家中的各種設備以家庭網絡的形式連接到一起，從而實現全方位的信息交互。該精品方案以智能家居系統為例引出物聯網關鍵技術，在物聯網通信技術、物聯網網絡技術以及物聯網傳感技術、物聯網接入技術等方面對學生進行指導。結合實際系統的通信技術應用，呈現出實踐性強、效率高等特點，讓學生對學習的內容印象更深刻。

3.3 信息技術支持的精準教學模式

精準教學模式旨在通過課程過程觀測、數據收集來追蹤學生的學習表現并為教學提供數據決策支持。按照所設計的教學模式，在物聯網通信課程中展開教學實踐，研究每個階段的教學實施的方法步驟和策略。主要包括：一是課前預習設計和數據分析；二是課前教學設計；三是基于全過程數據采集設計的課堂授課環(huán)節(jié)設計和實踐；四是過程數據分析與反饋；五是課后差異化學習設計和實踐。以精準教學模式設計，通過數據挖掘和方案分析以及輔助軟件系統完善教學全過程。

總之，物聯網專業(yè)作為一個實踐性較強的專業(yè)，要以學生為主體，積極培育學生創(chuàng)新探索精神。教師在課程教學上可以進行如圖1所示的改革創(chuàng)新，從而更加符合專業(yè)發(fā)展的特色和社會行業(yè)需求。

圖1 物聯網通信課程教學的創(chuàng)新模式

4 結 語

結合我國物聯網產業(yè)的發(fā)展趨勢和人才培養(yǎng)的需求，本文探究了新工科形勢下物聯網專業(yè)通信類課程改革和實踐；并通過課程教學改革實踐，提出了基于體驗實踐的實驗教學模式、精品實踐案例的通信課程以及信息技術支持的精準教學模式，從而實現使課程培養(yǎng)目標朝著創(chuàng)新性人才培養(yǎng)發(fā)展的積極有效探索?；诟兄晚椖框寗拥男滦臀锫摼W通信課程教學模式探索，緊密結合認識和實踐，能夠最大限度地激發(fā)學生的興趣，培養(yǎng)學生的認知和動手能力，提升教學效率。將符合物聯網技術發(fā)展的新興通信技術引入物聯網通信課程的教學，加強學生對新知識的學習，更好地面向社會需求，打好物聯網創(chuàng)新性人才培養(yǎng)平臺搭建的基礎。此模式對物聯網工程專業(yè)其他課程的教學也有較大的借鑒意義。