基于理論實(shí)踐與項(xiàng)目創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

陳 勇，寧 磊

（深圳技術(shù)大學(xué) 大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，廣東 深圳 518118）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是融合了信息技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的交叉融合學(xué)科，是圍繞國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)設(shè)立的新專業(yè)[1]。無(wú)論是“互聯(lián)網(wǎng)+”、德國(guó)的“工業(yè) 4.0”和美國(guó)的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，還是“中國(guó)制造2025”，物聯(lián)網(wǎng)都是支柱[2]。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，人才是關(guān)鍵，如何為社會(huì)培養(yǎng)合格的應(yīng)用型、創(chuàng)新型物聯(lián)網(wǎng)人才尤為重要[3]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新工科建設(shè)培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型工程人才的重要環(huán)節(jié)[4]。在新工科專業(yè)建設(shè)背景下，需要將理論知識(shí)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，把理論實(shí)踐和項(xiàng)目創(chuàng)新融入到“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中。因此，提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量十分必要[5]。

1 “物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 知識(shí)點(diǎn)涉及面廣

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程涉及多種異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)及眾多有線和無(wú)線通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，每種通信技術(shù)都有不同的工作原理和特點(diǎn)，它們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用對(duì)象也不一樣，學(xué)生容易混淆，并且這些課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)需要具備信號(hào)與系統(tǒng)和通信原理等相關(guān)知識(shí)，而這通常是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生所欠缺的[8-9]。

受課程本身的特點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)時(shí)的限制，大部分學(xué)校難以將通信工程專業(yè)的先修專業(yè)課程全部在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開(kāi)設(shè)，所以學(xué)生難以通過(guò)理論課堂深入掌握物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)所涉及全部知識(shí)點(diǎn)。為此，通過(guò)對(duì)應(yīng)的理論實(shí)踐和項(xiàng)目創(chuàng)新來(lái)緩解這一矛盾，理論實(shí)踐通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)各通信技術(shù)工作原理，方便理解和掌握；而項(xiàng)目創(chuàng)新則持續(xù)緊跟物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)和綜合應(yīng)用[10]。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分析

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，目前物聯(lián)網(wǎng)工程/通信工程專業(yè)使用的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置主要有單片機(jī)/ARM+物聯(lián)網(wǎng)通信芯片+各類云、MATLAB軟件、軟件無(wú)線電+LabVIEW等。本教改項(xiàng)目則主要使用軟件無(wú)線電設(shè)備+GNU Radio軟件構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[11-12]，與傳統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)比見(jiàn)表1所列。

由表1可見(jiàn)，市面上大多物聯(lián)網(wǎng)通信相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以應(yīng)用為設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)課程大都以演示驗(yàn)證為主。多數(shù)通過(guò)主控單片機(jī)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，發(fā)送控制命令即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議被封裝成黑盒子。為使學(xué)生更好地理解物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，有必要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改革。

使用軟件無(wú)線電設(shè)備+GNU Radio軟件進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)無(wú)線通信技術(shù)分層逐一實(shí)驗(yàn)，也可以通過(guò)搭積木的方式剖析某一物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議；在真實(shí)信道環(huán)境中進(jìn)行傳輸，以確保理論實(shí)踐更加客觀真實(shí)。

2 教學(xué)改革的內(nèi)容與途徑

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的專業(yè)課程之一。有些高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在開(kāi)展本課程之前先開(kāi)設(shè)了通信原理等專業(yè)基礎(chǔ)課。而我校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)已將信息安全作為本專業(yè)的特色，并開(kāi)設(shè)了信息安全相關(guān)課程。由于專業(yè)總學(xué)時(shí)原因，通信類相關(guān)先修課程較少。為此，我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)采用陳彥輝主編的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》，圍繞物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)展開(kāi)，主要講授物聯(lián)網(wǎng)通信概述、基帶傳輸技術(shù)、頻帶傳輸技術(shù)、鏈路傳輸技術(shù)、路由傳輸技術(shù)、典型物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為物聯(lián)網(wǎng)通信理論實(shí)踐項(xiàng)目和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)纱箢?。理論?shí)踐是整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，主要培養(yǎng)學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中所涉及的分層技術(shù)知識(shí)點(diǎn)；項(xiàng)目創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)則培養(yǎng)學(xué)生具備物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在對(duì)應(yīng)場(chǎng)景中的綜合應(yīng)用能力。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及器件（軟件）見(jiàn)表2所列。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及培養(yǎng)能力見(jiàn)表3所列。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程分為知識(shí)講解、實(shí)驗(yàn)操作以及分析總結(jié)持續(xù)改進(jìn)三個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)流程如圖1所示。知識(shí)講解環(huán)節(jié)在每次實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始階段，講解的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、所用軟件無(wú)線電模塊以及實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)四個(gè)部分。針對(duì)理論實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)，知識(shí)講解環(huán)節(jié)更側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)通信各層理論知識(shí)點(diǎn)、對(duì)應(yīng)的軟件無(wú)線電模塊選擇和參數(shù)設(shè)置，讓學(xué)生能夠掌握GNU Radio軟件在設(shè)備中搭建實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)；針對(duì)項(xiàng)目創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，在知識(shí)講解環(huán)節(jié)著重講解如何把物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用在適合的場(chǎng)景，提升學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)包括實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程答疑指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)程序和GNU Radio流圖分析、拓展實(shí)驗(yàn)或思考題分析以及實(shí)驗(yàn)總結(jié)和點(diǎn)評(píng)四個(gè)部分。針對(duì)理論實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，重點(diǎn)要求學(xué)生能正確選擇GNU Radio模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和流程來(lái)搭建GNU Radio流圖，并判斷和解決流圖連接等錯(cuò)誤，讓學(xué)生理性認(rèn)識(shí)用軟件無(wú)線電設(shè)備進(jìn)行真實(shí)信道通信的原理；針對(duì)項(xiàng)目創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，重點(diǎn)要求學(xué)生能在軟件無(wú)線電設(shè)備上完整實(shí)現(xiàn)某一物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，以及要求學(xué)生通過(guò)添加模塊或者補(bǔ)全代碼實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。另外，有些實(shí)驗(yàn)設(shè)置了拓展實(shí)驗(yàn)和思考題，拓展實(shí)驗(yàn)用于學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行額外訓(xùn)練，而思考題則用于鞏固理解實(shí)驗(yàn)原理，舉一反三。

持續(xù)改進(jìn)環(huán)節(jié)主要對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施完成后進(jìn)行分析總結(jié)，分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中存在的共性問(wèn)題。教師對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，并對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的實(shí)驗(yàn)感想進(jìn)行總結(jié)，分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的不足，涉及知識(shí)點(diǎn)是否講透，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難易程度設(shè)置是否合理，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容切入點(diǎn)是否有吸引力等，持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和內(nèi)容。

3 過(guò)程考核與評(píng)價(jià)

教學(xué)改革后的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程的成績(jī)包括5部分，即考勤、隨堂測(cè)試、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、PPT展示和期末考試，各部分所占比例分別為5%、5%、32%、18%和40%。

由于我校致力成為對(duì)標(biāo)德國(guó)的應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)，較為重視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，專業(yè)課程的理論課和實(shí)驗(yàn)課分別開(kāi)設(shè)?！拔锫?lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程共計(jì)4個(gè)學(xué)分（每個(gè)學(xué)分18個(gè)學(xué)時(shí)），理論課2個(gè)學(xué)分，實(shí)驗(yàn)課1個(gè)學(xué)分，課外實(shí)踐1個(gè)學(xué)分，實(shí)驗(yàn)課除理論老師外，還專門配備了實(shí)驗(yàn)老師。上述成績(jī)包括理論課成績(jī)和實(shí)驗(yàn)課成績(jī)，其中，考勤和隨堂測(cè)試在理論課上評(píng)估，用于考察平時(shí)學(xué)生上課的出勤率和課堂的理論學(xué)習(xí)情況。

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐即為實(shí)驗(yàn)課成績(jī)，占比為32%，包括預(yù)習(xí)、操作及記錄、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果陳述和報(bào)告整體5部分。預(yù)習(xí)考察學(xué)生課前根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)提前進(jìn)行資料搜集和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的情況。操作及記錄則為實(shí)驗(yàn)課上的操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄或者實(shí)測(cè)值按組排名的情況。數(shù)據(jù)處理與結(jié)果陳述則為對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)。部分實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了思考題，用于考察學(xué)生對(duì)本次實(shí)驗(yàn)更深入的理解和分析能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告整體為對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的整體印象。

PPT展示也是本次改革的一部分，對(duì)應(yīng)于課外實(shí)踐的1個(gè)學(xué)分，占比為18%，布置的問(wèn)題要與“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)且具有一定前瞻性，除了可以有演示的實(shí)物外，還需要在課堂上按小組進(jìn)行PPT展示和講解，由老師和學(xué)生評(píng)價(jià)。例如，如何設(shè)計(jì)一個(gè)零功耗物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，這是一個(gè)相對(duì)比較新的命題，且比較有應(yīng)用前景，學(xué)生需要分工協(xié)作，一部分學(xué)生去查找零功耗取能的方式，思考體積、工作條件以及可以供給外部的功耗；另一部分學(xué)生則設(shè)計(jì)如何綜合應(yīng)用零功耗模塊，在哪些特定的場(chǎng)景比較實(shí)用，等等。

期末考試采用閉卷形式，卷面成績(jī)占總成績(jī)的40%。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是為了提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用和動(dòng)手實(shí)踐能力，提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新能力，因此，卷面成績(jī)所占比例相應(yīng)減少。期末考試還有另外一個(gè)特點(diǎn)，考試試卷中除100分常規(guī)題型外，還配備了額外20分的附加題，對(duì)于理論掌握比較扎實(shí)的學(xué)生，可以通過(guò)這20分的附加題來(lái)彌補(bǔ)常規(guī)題型的失分（卷面總成績(jī)不超過(guò)100分）。

除此以外，教務(wù)系統(tǒng)中的教學(xué)考評(píng)為學(xué)生提供反饋渠道，學(xué)生通過(guò)填寫評(píng)價(jià)意見(jiàn)和點(diǎn)贊，對(duì)課程所學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，幫助教師針對(duì)教學(xué)中存在的不足進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

采取理論實(shí)踐與項(xiàng)目創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式對(duì)深圳技術(shù)大學(xué)2019級(jí)、2020級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的426名學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。學(xué)生積極參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽及其他省級(jí)比賽，學(xué)生申請(qǐng)的“面向泛在場(chǎng)景下的隨身物品防丟系統(tǒng)”獲得了第十六屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽省級(jí)二等獎(jiǎng)。老師主導(dǎo)的“物聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)例設(shè)計(jì)”“鴻蒙系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”等項(xiàng)目獲得了2022年度院級(jí)優(yōu)秀實(shí)踐項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效提升了學(xué)生參加物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競(jìng)賽的興趣，并取得了一定成績(jī)。