基于CDIO 理念的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學改革探索①

譚永前，曾凡菊

（凱里學院大數(shù)據(jù)工程學院，貴州 凱里 556011）

物聯(lián)網(wǎng)是融合信息技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等的綜合應(yīng)用，被視為世界信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，其宗旨是在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實現(xiàn)各個軟硬件設(shè)備之間的互聯(lián)互通，真正實現(xiàn)萬物相連。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的通信技術(shù)是各個“物”實現(xiàn)互聯(lián)互通的關(guān)鍵技術(shù)；本課程主要講解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中常用的各種通信技術(shù)的基本原理及使用場景，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系中占有重要地位。物聯(lián)網(wǎng)屬于“新工科”，是面向當前和未來的交叉復(fù)合新型工科[1]。在“新工科”建設(shè)發(fā)展需求背景下，為推動物聯(lián)網(wǎng)、信息類等工科專業(yè)工程應(yīng)用人才的培養(yǎng)，高校對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的教學改革顯得尤為重要。凱里學院物聯(lián)網(wǎng)工程教研室積極探索專業(yè)課程的教學改革，以學生為中心，教師為引導，重視過程考核，把CDIO 工程教育理念貫徹到物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)理論課程教學中，取得了良好的教學效果。

一、基于CDIO 的教學思想

構(gòu)思—設(shè)計—實施—運行（Conceive Design Implement Operate，CDIO）教學模式是以培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才為目標的工程教育模式[2-3]。CDIO 教學模式要求把教學過程分為“構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行”四個階段，每個階段承擔不同的教學內(nèi)容和任務(wù)，同時各個環(huán)節(jié)之間又相互聯(lián)系、相互滲透。以CDIO 為理念的教學模式倡導以學生為中心，教師為引導，注重專業(yè)知識與實踐能力之間的關(guān)系，要求在扎實掌握工程理論和專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，將教學融入具體的工程應(yīng)用中[4]。以搭建物聯(lián)網(wǎng)智慧小屋系統(tǒng)為例，將CDIO 教學理念融入課程教學的知識結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。在“構(gòu)思”階段，主要是結(jié)合行業(yè)發(fā)展動態(tài)，分析系統(tǒng)設(shè)計的用戶需求信息，為后續(xù)階段設(shè)計提供系統(tǒng)設(shè)計目標；在“設(shè)計”階段，根據(jù)用戶需求，結(jié)合相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，完成硬件電路的頂層設(shè)計、系統(tǒng)方案設(shè)計等；在“實施”階段，主要根據(jù)硬件電路、設(shè)計方案等實現(xiàn)軟硬件的集成，完成代碼的開發(fā)，設(shè)計出符合設(shè)計目標的實物作品；在“運行”階段，主要是對設(shè)計中存在的不足進行分析和總結(jié)，并查找原因，對系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高精度檢測和實效性，對項目進行深度挖掘，持續(xù)改進，形成改進方案。

二、CDIO 教學模式實施方法

在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系中，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程是連接嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、RFID 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)控制等課程的“橋梁”，課程內(nèi)容涉及多個學科，知識面廣，具有典型的工程應(yīng)用特點。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程授課內(nèi)容都是按照教材內(nèi)容獨立開設(shè)，忽視了與其他課程之間的關(guān)聯(lián)，學生孤立地學習各種通信技術(shù)，導致無法融會貫通各個知識點，不能把相應(yīng)的通信技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)實際場景。

（一）課程“C”（構(gòu)思）階段

在CDIO 理念下的“C”階段，即構(gòu)思階段，主要對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學內(nèi)容進行整合[5-6]。根據(jù)不同物聯(lián)網(wǎng)場景需要使用不同物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的原則，緊跟行業(yè)發(fā)展動態(tài)，選擇當前比較成熟的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)作為授課內(nèi)容。構(gòu)思階段的主要教學內(nèi)容設(shè)計包括物聯(lián)網(wǎng)概述、通信的基本原理、長距離無線通信技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、LoRa 技術(shù)、NB-IoT 技術(shù)、eMTC 技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)綜合應(yīng)用案例。對于每一種通信技術(shù)的特點和應(yīng)用場景，采用案例教學法結(jié)合相應(yīng)案例進行講解，讓學生知道每一種通信技術(shù)都有其自身優(yōu)點和適合的應(yīng)用場景，每一種通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中都有一席之地?；贑DIO 理念的課程教學內(nèi)容整合情況見表1 所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學內(nèi)容設(shè)計

（二）課程“D”（設(shè)計）階段

在CDIO 理念下的“D”階段，即設(shè)計階段，主要對前一階段學習的相關(guān)通信技術(shù)理論知識進行實際應(yīng)用的功能分析、方案設(shè)計。該階段主要涉及各種傳感器器件、RFID 技術(shù)、無線傳感器技術(shù)等內(nèi)容，是多學科融合的一個階段。主要內(nèi)容包括火焰報警器實驗和實時溫濕度檢測器實驗、光敏傳感器實驗和土壤傳感器實驗、基于RFID 門禁系統(tǒng)設(shè)計以及基于STM32 小車設(shè)計。實驗項目的設(shè)計由淺入深，從單一的傳感器實驗到簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計再到物聯(lián)網(wǎng)綜合系統(tǒng)設(shè)計，學生的實踐動手能力逐步得到提升。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學項目設(shè)計見表2 所示。

表2 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學項目設(shè)計

（三）課程“I”（實施）階段

在CDIO 理念下的“I”階段，即實施階段，該階段主要是對前兩個階段（構(gòu)思、設(shè)計）涉及的具體項目進行硬件電路搭建和實現(xiàn)軟硬件集成，該階段重點考查學生構(gòu)思階段的思想，搭建硬件電路，利用軟硬件集成形成實踐動手能力，具體內(nèi)容見表3 所示。

表3 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學項目

（四）課程“O”（運行）階段

在CDIO 理念下的“O”階段，即運行階段，主要對實驗項目的設(shè)計合理性進行分析總結(jié)，對實驗項目的功能進行持續(xù)改進，利用有限的電子元器件和相關(guān)設(shè)備進行自主拓展等。以小組為單位對每個實驗項目進行結(jié)果分析、問題分析、持續(xù)改進分析以及拓展分析，最后形成分析報告提交給教師，教師對每組完成實驗項目的實際情況結(jié)合分析報告對該組實驗進行點評。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗項目分析和總結(jié)的內(nèi)容如表4所示。

表4 實驗項目分析和總結(jié)

通過“O”（運行）階段的總結(jié)分析，可以有效培養(yǎng)學生對知識整合和系統(tǒng)綜合的能力，進一步提升學生對物聯(lián)網(wǎng)各種通信技術(shù)在實際場景中應(yīng)用的認知能力。

三、過程考核與評價

基于CDIO 理念的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學重視學生在每個環(huán)節(jié)的過程考核和評價，要求學生高質(zhì)量完成實驗項目的每個環(huán)節(jié)，摒棄只看期末考試結(jié)果的傳統(tǒng)教學考核模式。CDIO 理念的各個階段考核內(nèi)容和占比如表5 所示。

表5 基于CDIO 的課程教學評價與考核內(nèi)容

四、CDIO 教學成效

基于CDIO 理念的教學模式在我校物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程中實施以來教學效果顯著，主要體現(xiàn)在：（1）課程對學生的吸引力明顯增強，學生主動學習的情況得到較好改善，如很多學生通過課程的學習，自主設(shè)計開發(fā)了一些物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實物，并實現(xiàn)了相應(yīng)功能。（2）課程有效提高了學生參與教學實踐的積極性，培養(yǎng)了學生的工程實踐能力，教學目標達成度得到了進一步提高。課后學生積極與教師探討物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方面的應(yīng)用，如“物聯(lián)網(wǎng)+四足機器人”“物聯(lián)網(wǎng)+遠程智能鎖”等創(chuàng)意項目。（3）學生整合學科知識的能力得到提升，勇于選擇綜合性較強的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)題目參與學科競賽，并取得良好成績。這些效果的改善得益于基于CDIO 理念各個階段的教學內(nèi)容得以合理實施，實驗項目各個環(huán)節(jié)保質(zhì)保量完成。

五、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)是一門融合通信原理、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等學科的課程，把CDIO 教育理念融入物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學中。從物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用場景出發(fā)，以案例、項目、實驗為載體，準確實施CDIO 各教學環(huán)節(jié)，重視過程考核，教學效果顯著。教學實踐表明，與傳統(tǒng)教學方法相比，基于CDIO 教育理念的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學方法，在激發(fā)學生自主學習興趣、培養(yǎng)學生工程實踐能力、提高教學目標達成度方面效果顯著。