基于CDIO 理念的物聯網通信技術教學改革探索①

譚永前，曾凡菊

（凱里學院大數據工程學院，貴州 凱里 556011）

物聯網是融合信息技術、通信技術、計算機技術等的綜合應用，被視為世界信息技術產業發展的第三次浪潮，其宗旨是在物聯網系統中實現各個軟硬件設備之間的互聯互通，真正實現萬物相連。物聯網系統中的通信技術是各個“物”實現互聯互通的關鍵技術；本課程主要講解物聯網系統中常用的各種通信技術的基本原理及使用場景，在物聯網工程專業課程體系中占有重要地位。物聯網屬于“新工科”，是面向當前和未來的交叉復合新型工科[1]。在“新工科”建設發展需求背景下，為推動物聯網、信息類等工科專業工程應用人才的培養，高校對物聯網通信技術課程的教學改革顯得尤為重要。凱里學院物聯網工程教研室積極探索專業課程的教學改革，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網通信技術理論課程教學中，取得了良好的教學效果。

一、基于CDIO 的教學思想

構思—設計—實施—運行（Conceive Design Implement Operate，CDIO）教學模式是以培養應用型、創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“構思、設計、實施、運行”四個階段，每個階段承擔不同的教學內容和任務，同時各個環節之間又相互聯系、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，注重專業知識與實踐能力之間的關系，要求在扎實掌握工程理論和專業知識的基礎上，將教學融入具體的工程應用中[4]。以搭建物聯網智慧小屋系統為例，將CDIO 教學理念融入課程教學的知識結構圖如圖1 所示。在“構思”階段，主要是結合行業發展動態，分析系統設計的用戶需求信息，為后續階段設計提供系統設計目標；在“設計”階段，根據用戶需求，結合相應的物聯網應用場景，完成硬件電路的頂層設計、系統方案設計等；在“實施”階段，主要根據硬件電路、設計方案等實現軟硬件的集成，完成代碼的開發，設計出符合設計目標的實物作品；在“運行”階段，主要是對設計中存在的不足進行分析和總結，并查找原因，對系統進行優化，提高精度檢測和實效性，對項目進行深度挖掘，持續改進，形成改進方案。

二、CDIO 教學模式實施方法

在物聯網工程專業課程體系中，物聯網通信技術課程是連接嵌入式系統設計、RFID 技術、物聯網控制等課程的“橋梁”，課程內容涉及多個學科，知識面廣，具有典型的工程應用特點。傳統物聯網通信技術課程授課內容都是按照教材內容獨立開設，忽視了與其他課程之間的關聯，學生孤立地學習各種通信技術，導致無法融會貫通各個知識點，不能把相應的通信技術應用于物聯網實際場景。

（一）課程“C”（構思）階段

在CDIO 理念下的“C”階段，即構思階段，主要對物聯網通信技術課程教學內容進行整合[5-6]。根據不同物聯網場景需要使用不同物聯網通信技術的原則，緊跟行業發展動態，選擇當前比較成熟的物聯網通信技術作為授課內容。構思階段的主要教學內容設計包括物聯網概述、通信的基本原理、長距離無線通信技術、短距離無線通信技術、LoRa 技術、NB-IoT 技術、eMTC 技術以及物聯網通信技術綜合應用案例。對于每一種通信技術的特點和應用場景，采用案例教學法結合相應案例進行講解，讓學生知道每一種通信技術都有其自身優點和適合的應用場景，每一種通信技術在物聯網通信系統中都有一席之地。基于CDIO 理念的課程教學內容整合情況見表1 所示。

表1 物聯網通信技術教學內容設計

（二）課程“D”（設計）階段

在CDIO 理念下的“D”階段，即設計階段，主要對前一階段學習的相關通信技術理論知識進行實際應用的功能分析、方案設計。該階段主要涉及各種傳感器器件、RFID 技術、無線傳感器技術等內容，是多學科融合的一個階段。主要內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 門禁系統設計以及基于STM32 小車設計。實驗項目的設計由淺入深，從單一的傳感器實驗到簡單的物聯網系統設計再到物聯網綜合系統設計，學生的實踐動手能力逐步得到提升。物聯網通信技術實驗教學項目設計見表2 所示。

表2 物聯網通信技術實驗教學項目設計

（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（構思、設計）涉及的具體項目進行硬件電路搭建和實現軟硬件集成，該階段重點考查學生構思階段的思想，搭建硬件電路，利用軟硬件集成形成實踐動手能力，具體內容見表3 所示。

表3 物聯網通信技術實驗教學項目

（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計合理性進行分析總結，對實驗項目的功能進行持續改進，利用有限的電子元器件和相關設備進行自主拓展等。以小組為單位對每個實驗項目進行結果分析、問題分析、持續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合分析報告對該組實驗進行點評。物聯網通信技術實驗項目分析和總結的內容如表4所示。

表4 實驗項目分析和總結

通過“O”（運行）階段的總結分析，可以有效培養學生對知識整合和系統綜合的能力，進一步提升學生對物聯網各種通信技術在實際場景中應用的認知能力。

三、過程考核與評價

基于CDIO 理念的物聯網通信技術課程教學重視學生在每個環節的過程考核和評價，要求學生高質量完成實驗項目的每個環節，摒棄只看期末考試結果的傳統教學考核模式。CDIO 理念的各個階段考核內容和占比如表5 所示。

表5 基于CDIO 的課程教學評價與考核內容

四、CDIO 教學成效

基于CDIO 理念的教學模式在我校物聯網通信技術課程中實施以來教學效果顯著，主要體現在：（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，自主設計開發了一些物聯網系統實物，并實現了相應功能。（2）課程有效提高了學生參與教學實踐的積極性，培養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網通信技術方面的應用，如“物聯網+四足機器人”“物聯網+遠程智能鎖”等創意項目。（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網相關題目參與學科競賽，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容得以合理實施，實驗項目各個環節保質保量完成。

五、結語

物聯網通信技術是一門融合通信原理、通信技術、計算機技術等學科的課程，把CDIO 教育理念融入物聯網通信技術課程教學中。從物聯網實際應用場景出發，以案例、項目、實驗為載體，準確實施CDIO 各教學環節，重視過程考核，教學效果顯著。教學實踐表明，與傳統教學方法相比，基于CDIO 教育理念的物聯網通信技術教學方法，在激發學生自主學習興趣、培養學生工程實踐能力、提高教學目標達成度方面效果顯著。