新工科背景下基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驅(qū)動的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)改革研究

譚永前

（凱里學(xué)院大數(shù)據(jù)工程學(xué)院 貴州 凱里 556011）

物聯(lián)網(wǎng)是融合了信息技術(shù)、通信技術(shù)以及計算機技術(shù)的交叉融合學(xué)科，是圍繞國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)設(shè)立的新專業(yè)。無論是“互聯(lián)網(wǎng)+”、德國的“工業(yè)4.0”和美國的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是“中國制造2025”，物聯(lián)網(wǎng)都是其中重要的支柱。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，人才是關(guān)鍵，如何為社會培養(yǎng)合格的應(yīng)用型、創(chuàng)新型物聯(lián)網(wǎng)人才顯得尤為重要[1]。

凱里學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的建設(shè)中依托計算機科學(xué)與技術(shù)、信息工程及其他學(xué)科，多個學(xué)科專業(yè)之間交叉滲透、相互融合，使得物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)具有較強的實踐性[2]。凱里學(xué)院大數(shù)據(jù)工程學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程教研室負責(zé)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程和必修課程的教學(xué)工作，其中“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中其他課程的“橋梁”，在專業(yè)教學(xué)中有著特殊的地位，對“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程的教學(xué)改革和研究，對培養(yǎng)應(yīng)用型物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才和發(fā)展建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)著重要意義。

1 “物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 知識點雜亂

現(xiàn)有的《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》相關(guān)教材內(nèi)容都是長距離通信技術(shù)、短距離通信技術(shù)、有線通信技術(shù)、無線通信技術(shù)等各種通信技術(shù)融合在一起，課程內(nèi)容大都是重理論輕實踐?！段锫?lián)網(wǎng)通信技術(shù)》教材知識點把各種通信技術(shù)簡單匯集在一起，呈現(xiàn)出知識點雜亂、知識面廣的特點[3]，不利于學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握和了解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中實踐應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。另外，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的“無線傳感器技術(shù)及應(yīng)用”“RFID 原理及應(yīng)用”以及“物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)”等相關(guān)課程中也會涉及“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程中的相關(guān)內(nèi)容，課程內(nèi)容重復(fù)，導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的積極性。再加上傳統(tǒng)的理論教學(xué)大多都是重理論輕實踐，實踐教學(xué)只是作為理論課程的補充，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動性。

1.2 教學(xué)手段單一

現(xiàn)有的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”教學(xué)方法大都采取傳統(tǒng)的理論課和實踐課程分開進行的授課方式，教師根據(jù)教材每個章節(jié)的內(nèi)容制作PPT 課件，按照教材內(nèi)容順序講解每種通信技術(shù)的理論知識、相關(guān)原理、技術(shù)特點等教學(xué)內(nèi)容，不僅缺少與學(xué)生的互動，還缺乏相關(guān)的應(yīng)用實踐來支撐相關(guān)的理論知識，學(xué)生似懂非懂被動聽課，教學(xué)效果不理想。

1.3 教學(xué)重點不突出

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程內(nèi)容涉及不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的融合、多種通信技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如藍牙技術(shù)、Zigbee 技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、Z-Wave 技術(shù)、超寬帶技術(shù)、WiFi技術(shù)、移動通信技術(shù)、LoRa技術(shù)、NBIoT 等。教師在講授完一種通信技術(shù)后，接著講授下一種通信技術(shù)，教學(xué)重點不突出。學(xué)生在教師講解的不同通信技術(shù)中“來回切換”，抓不住重點，也不清楚該如何把各種通信技術(shù)應(yīng)用于實踐。

2 “物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)改革

基于項目驅(qū)動的教學(xué)，教師事先根據(jù)所講授的教學(xué)內(nèi)容設(shè)定好相應(yīng)實踐項目，并對實踐項目中所涉及的知識點進行闡述，與理論課程相應(yīng)章節(jié)和內(nèi)容聯(lián)系起來。學(xué)生根據(jù)教師設(shè)定的實踐項目要求，以實現(xiàn)實踐項目為目標(biāo)，帶著目的和疑問進行聽課。一個實踐項目由一組學(xué)生完成，小組成員根據(jù)小組要求完成成員分工，各成員根據(jù)分工要求完成自己所負責(zé)的相應(yīng)工作。在各個項目實施的過程中，教師實時對每個項目組進行監(jiān)督，隨時對每個組提出的問題進行解答并為學(xué)生提供幫助。教師要根據(jù)各組同學(xué)項目實施過程中出現(xiàn)的問題進行實時分析總結(jié)，總結(jié)項目設(shè)計是否科學(xué)合理，理論知識點是否講透等。

實施項目教學(xué)，要求教師對整門課程知識點的把控要準(zhǔn)確，制定的實踐項目要與相應(yīng)的知識點吻合，項目的實現(xiàn)原理要與課程中相應(yīng)的知識點對應(yīng)。教師是項目實施的制定者，也是項目實施的參與者，教師要對每組項目的實施進度進行實時跟蹤，并對學(xué)生反饋的信息進行總結(jié)，及時反饋，保障項目每個環(huán)節(jié)能順利實施。

2.1 整合優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程內(nèi)容知識點雜亂且面廣，經(jīng)過整合優(yōu)化后的課程教學(xué)內(nèi)容由以下三個模塊組成：基礎(chǔ)通信知識模塊主要內(nèi)容包括通信知識概述、通信系統(tǒng)模型、通信系統(tǒng)組成、信道編碼技術(shù)、信源編碼技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、無線信道等?；A(chǔ)通信知識模塊主要培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握通信的基本概念和基礎(chǔ)知識，是“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程的基礎(chǔ)。實用通信技術(shù)模塊主要內(nèi)容包括藍牙通信技術(shù)、Zigbee 通信技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、Z-Wave技術(shù)、超寬帶技術(shù)、WiFi技術(shù)、移動通信技術(shù)（3G、4G、5G）、LoRa技術(shù)、NB-IoT技術(shù)等無線通信技術(shù)，該模塊主要培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中的各種無線通信技術(shù)的技術(shù)特點、相關(guān)原理及主要關(guān)鍵技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模塊主要內(nèi)容包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸及通信相關(guān)知識，該模塊主要培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握如何在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)多種無線通信技術(shù)的互聯(lián)互通以及協(xié)同通信，為今后學(xué)生實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計打下理論基礎(chǔ)。“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程內(nèi)容優(yōu)化框架如圖1 所示。

通過對課程內(nèi)容進行整合優(yōu)化，避免了課程內(nèi)容知識點雜亂，教師授課重點難點不突出的情況，學(xué)生聽課思路清晰，避免混淆所學(xué)內(nèi)容。整合后的課程內(nèi)容有助于學(xué)生對各種通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用有更加清晰的整體認知。

2.2 理論教學(xué)與應(yīng)用驅(qū)動相聯(lián)系

理論教學(xué)為后續(xù)的相關(guān)實踐提供相應(yīng)的理論知識，在教學(xué)過程中設(shè)置相應(yīng)的實踐項目，不僅可以提高學(xué)生實踐動手能力，還能把理論課程中相應(yīng)知識轉(zhuǎn)換為實際應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極和主動性。例如，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)實驗中的感應(yīng)燈項目：當(dāng)有人經(jīng)過時，感應(yīng)燈自動亮起；人一旦離開，感應(yīng)燈自動關(guān)閉。該項目用到的傳感器是人體紅外熱釋電運動傳感器，該傳感器是一種能檢測人或動物身體發(fā)射的紅外線的傳感器。在教學(xué)過程中，把實際項目涉及的知識點與課程內(nèi)容相關(guān)知識聯(lián)系起來，在本項目中涉及傳感器原理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換相關(guān)知識。教師在授課過程中把相應(yīng)知識點與項目應(yīng)用實踐聯(lián)系起來，提高學(xué)生學(xué)以致用的興趣。

3 教學(xué)改革組織過程

3.1 項目應(yīng)用設(shè)計分析

教師在授課過程中預(yù)先選定好相應(yīng)的實踐設(shè)計項目，以實踐項目所需相關(guān)理論知識為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的課程知識[4]。教師選定“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程中相應(yīng)知識點對應(yīng)的實踐項目，在講授相應(yīng)知識點時重點講授實現(xiàn)該項目需要的理論知識，針對相應(yīng)的難點進行重點分析。學(xué)生根據(jù)老師選定的實踐項目，自主完成開發(fā)環(huán)境搭建，并查閱相關(guān)資料，了解該實踐項目的應(yīng)用背景信息。教師根據(jù)選取的實踐項目講解相應(yīng)通信技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)及功能、軟硬件原理。學(xué)生分組對相應(yīng)實踐項目的實施細則、相應(yīng)的原理、步驟等相關(guān)問題進行討論。教師指導(dǎo)學(xué)生完成基本的硬件接線、軟件設(shè)計及調(diào)試等基本操作。每組學(xué)生合作完成程序的開發(fā)、調(diào)試以及系統(tǒng)整體調(diào)試。教師根據(jù)實踐項目引導(dǎo)學(xué)生分析及對比系統(tǒng)中所涉及的通信技術(shù)，并結(jié)合應(yīng)用實例講解基本原理，做到理論知識與實際相結(jié)合。學(xué)生通過課堂上教師的理論講解，并結(jié)合項目設(shè)計過程中相應(yīng)通信技術(shù)的實際應(yīng)用，掌握各種通信技術(shù)的實際適用場景。教師布置課堂設(shè)計報告環(huán)節(jié)，內(nèi)容要求以實踐項目涉及的通信技術(shù)為主，學(xué)生結(jié)合應(yīng)用背景及實踐項目設(shè)計過程，以PPT和實物演示綜合方式介紹所涉及通信技術(shù)的原理及開發(fā)過程。教師最后根據(jù)每組學(xué)生完成的項目設(shè)計情況、調(diào)試過程、實現(xiàn)功能情況對每組進行評分，各組之間針對實踐項目設(shè)計交流心得，相互評分。采用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驅(qū)動的教學(xué)組織過程如圖2 所示。

3.2 教學(xué)內(nèi)容

基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驅(qū)動的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容涉及的相關(guān)實踐項目如表1（p93）所示。實踐項目設(shè)計包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)項目和物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用型項目，基礎(chǔ)項目中的實踐項目主要涉及傳感器原理、無線傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸原理、數(shù)模電轉(zhuǎn)化原理等基礎(chǔ)理論知識。同時還可以鍛煉學(xué)生編程能力以及進行項目開發(fā)的能力。綜合應(yīng)用項目主要涉及物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計方法、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通以及傳感器融合技術(shù)等理論知識。

表1 實踐項目表

學(xué)生通過在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)項目中的訓(xùn)練，掌握相應(yīng)各種類型傳感器數(shù)據(jù)采集原理[4]，為后續(xù)綜合實踐項目設(shè)計打下前期基礎(chǔ)。通過從基礎(chǔ)項目到綜合項目的逐漸過渡，教師由淺入深地講解相應(yīng)知識點，讓學(xué)生循序漸進，由簡單到復(fù)雜進行相關(guān)實踐項目設(shè)計，提高學(xué)生掌握知識點的熟練程度。

3.3 考核評價

對學(xué)生的考核評價注重過程，多環(huán)節(jié)評價并能持續(xù)改進，采取如下方式進行：硬件分析、硬件連接占比5%；實驗電路設(shè)計分析搭建占比10%；實驗程序設(shè)計占比30%；軟硬件聯(lián)調(diào)占比30%；實驗程序回顧分析占比15%；實驗分析總結(jié)和改進占比5%；持續(xù)評價拓展開發(fā)占比5%。學(xué)生的項目設(shè)計報告、項目調(diào)試過程、項目調(diào)試結(jié)果均應(yīng)納入考核范圍，可以更全面考查學(xué)生對課程知識點的掌握與應(yīng)用能力。

3.4 教學(xué)效果

基于項目驅(qū)動的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)改革實施以來，通過課后學(xué)生的反饋情況看，學(xué)生較以前更喜歡現(xiàn)有的授課模式，對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)產(chǎn)生了更加濃厚的興趣。項目實施以來，有近20 名學(xué)生參與了“基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動控制的風(fēng)力發(fā)電模擬裝置設(shè)計”“可實現(xiàn)遠程控制的智能鎖設(shè)計研究”“垃圾智能化分類的設(shè)計和實施”“一種基于超級快充電的無人駕駛智能尋跡小車系統(tǒng)設(shè)計”“花卉栽培智能控制系統(tǒng)研究”“基于LoRa 的室外智能垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”等大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目，并獲得國家級、省級立項；物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學(xué)生在2021 年第十二屆“藍橋杯”全國電子專業(yè)人才設(shè)計及軟件設(shè)計大賽中獲國家級二等獎、三等獎；在2020 年（第13 屆）中國大學(xué)生計算機設(shè)計大賽中獲國家級一等獎、三等獎；獲2020年“傳智杯”程序設(shè)計全國區(qū)域賽一等獎；2020 年“欣源杯”貴州省大學(xué)生電子設(shè)計競賽中獲一等獎、二等獎。改革后的教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生參與物聯(lián)網(wǎng)實踐開發(fā)的熱情，學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力得到提升，取得較好的教學(xué)效果。

4 結(jié)語

本文通過分析現(xiàn)有“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程教學(xué)方法中存在的問題，提出了項目驅(qū)動的教學(xué)模式。教師通過設(shè)定與教材內(nèi)容知識點相關(guān)的實踐項目，以學(xué)生分組完成的形式，把理論知識點與實踐應(yīng)用結(jié)合起來，讓學(xué)生在實踐應(yīng)用中掌握物聯(lián)網(wǎng)通信中的各種通信技術(shù)的基本原理和相應(yīng)的實際應(yīng)用場景。教學(xué)改革目標(biāo)的實現(xiàn)，必須首先通過課堂改革讓學(xué)生動起來，讓課堂活起來，讓效果好起來。雖然我們目前進行了一些教學(xué)方式改革的嘗試，取得了一定的教學(xué)效果，但教改過程仍存在許多困難，例如，如何設(shè)定課程內(nèi)容對應(yīng)的實踐項目，如何保障學(xué)習(xí)困難學(xué)生與大部分同學(xué)保持學(xué)習(xí)同步等，這些是我們需要進一步解決的問題。