基于理論實踐與項目創新的物聯網通信實驗教學改革

陳 勇，寧 磊

（深圳技術大學 大數據與互聯網學院，廣東 深圳 518118）

0 引 言

物聯網是融合了信息技術、通信技術以及計算機技術的交叉融合學科，是圍繞國家戰略新興產業設立的新專業[1]。無論是“互聯網+”、德國的“工業 4.0”和美國的產業互聯網，還是“中國制造2025”，物聯網都是支柱[2]。發展物聯網產業，人才是關鍵，如何為社會培養合格的應用型、創新型物聯網人才尤為重要[3]。

實驗教學是新工科建設培養應用型、創新型工程人才的重要環節[4]。在新工科專業建設背景下，需要將理論知識和項目設計進行有機結合，把理論實踐和項目創新融入到“物聯網通信技術”實驗課程教學中。因此，提高實踐教學的質量十分必要[5]。

1 “物聯網通信技術”課程特點和實驗教學現狀

1.1 知識點涉及面廣

“物聯網通信技術”課程涉及多種異構通信網絡及眾多有線和無線通信技術、標準[6-7]，每種通信技術都有不同的工作原理和特點，它們在物聯網系統中的應用場景和應用對象也不一樣，學生容易混淆，并且這些課程內容的學習需要具備信號與系統和通信原理等相關知識，而這通常是物聯網工程專業學生所欠缺的[8-9]。

受課程本身的特點和物聯網工程專業學時的限制，大部分學校難以將通信工程專業的先修專業課程全部在物聯網工程專業開設，所以學生難以通過理論課堂深入掌握物聯網通信技術所涉及全部知識點。為此，通過對應的理論實踐和項目創新來緩解這一矛盾，理論實踐通過基礎實驗來展現各通信技術工作原理，方便理解和掌握；而項目創新則持續緊跟物聯網新技術和綜合應用[10]。

1.2 實驗平臺分析

通過市場調研，目前物聯網工程/通信工程專業使用的傳統實驗裝置主要有單片機/ARM+物聯網通信芯片+各類云、MATLAB軟件、軟件無線電+LabVIEW等。本教改項目則主要使用軟件無線電設備+GNU Radio軟件構建物聯網通信實驗平臺[11-12]，與傳統通信實驗平臺對比見表1所列。

由表1可見，市面上大多物聯網通信相關的實驗平臺以應用為設計理念，開發的實驗課程大都以演示驗證為主。多數通過主控單片機設置相應參數，發送控制命令即可實現數據收發，物聯網通信協議被封裝成黑盒子。為使學生更好地理解物聯網通信協議，有必要對物聯網通信實驗平臺進行改革。

使用軟件無線電設備+GNU Radio軟件進行物聯網通信實驗，可以對無線通信技術分層逐一實驗，也可以通過搭積木的方式剖析某一物聯網協議；在真實信道環境中進行傳輸，以確保理論實踐更加客觀真實。

2 教學改革的內容與途徑

“物聯網通信技術”是物聯網專業的專業課程之一。有些高校的物聯網專業在開展本課程之前先開設了通信原理等專業基礎課。而我校的物聯網專業已將信息安全作為本專業的特色，并開設了信息安全相關課程。由于專業總學時原因，通信類相關先修課程較少。為此，我校物聯網專業采用陳彥輝主編的《物聯網通信技術》，圍繞物聯網通信技術展開，主要講授物聯網通信概述、基帶傳輸技術、頻帶傳輸技術、鏈路傳輸技術、路由傳輸技術、典型物聯網傳輸系統和通信系統設計實踐。

2.1 實驗平臺

“物聯網通信技術”實驗內容分為物聯網通信理論實踐項目和創新實驗項目兩大類。理論實踐是整個實驗教學的基礎，主要培養學生掌握物聯網通信技術中所涉及的分層技術知識點；項目創新實驗則培養學生具備物聯網通信技術在對應場景中的綜合應用能力。實驗平臺及器件（軟件）見表2所列。

2.2 實驗項目

實驗課程目標對應的實驗項目、實驗內容及培養能力見表3所列。

2.3 實驗教學過程

物聯網通信技術實驗教學過程分為知識講解、實驗操作以及分析總結持續改進三個環節，實驗課程的教學流程如圖1所示。知識講解環節在每次實驗的開始階段，講解的內容包括實驗原理、實驗步驟、所用軟件無線電模塊以及實驗程序設計四個部分。針對理論實踐類實驗，知識講解環節更側重于物聯網通信各層理論知識點、對應的軟件無線電模塊選擇和參數設置，讓學生能夠掌握GNU Radio軟件在設備中搭建實現物聯網通信的基礎知識點；針對項目創新類實驗，在知識講解環節著重講解如何把物聯網通信技術應用在適合的場景，提升學生的物聯網綜合創新設計能力。

圖1 實驗教學流程

實驗操作環節包括實驗調試過程答疑指導、實驗程序和GNU Radio流圖分析、拓展實驗或思考題分析以及實驗總結和點評四個部分。針對理論實踐類實驗，在實驗操作環節，重點要求學生能正確選擇GNU Radio模塊，根據實驗原理和流程來搭建GNU Radio流圖，并判斷和解決流圖連接等錯誤，讓學生理性認識用軟件無線電設備進行真實信道通信的原理；針對項目創新類實驗，在實驗操作環節，重點要求學生能在軟件無線電設備上完整實現某一物聯網通信協議，以及要求學生通過添加模塊或者補全代碼實現異構網絡之間的互聯互通。另外，有些實驗設置了拓展實驗和思考題，拓展實驗用于學有余力的學生進行額外訓練，而思考題則用于鞏固理解實驗原理，舉一反三。

持續改進環節主要對每個實驗項目實施完成后進行分析總結，分析總結實驗實施過程中存在的共性問題。教師對每個實驗小組的實驗結果進行記錄，并對實驗報告中的實驗感想進行總結，分析實驗教學過程中存在的不足，涉及知識點是否講透，實驗項目難易程度設置是否合理，實驗內容切入點是否有吸引力等，持續改進實驗教學方法和內容。

3 過程考核與評價

教學改革后的“物聯網通信技術”課程的成績包括5部分，即考勤、隨堂測試、實驗實踐、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標德國的應用型技術大學，較為重視實驗實踐，專業課程的理論課和實驗課分別開設?！拔锫摼W通信技術”課程共計4個學分（每個學分18個學時），理論課2個學分，實驗課1個學分，課外實踐1個學分，實驗課除理論老師外，還專門配備了實驗老師。上述成績包括理論課成績和實驗課成績，其中，考勤和隨堂測試在理論課上評估，用于考察平時學生上課的出勤率和課堂的理論學習情況。

實驗實踐即為實驗課成績，占比為32%，包括預習、操作及記錄、數據處理、結果陳述和報告整體5部分。預習考察學生課前根據實驗指導書提前進行資料搜集和實驗準備的情況。操作及記錄則為實驗課上的操作、實驗數據的記錄或者實測值按組排名的情況。數據處理與結果陳述則為對實驗數據的分析和總結。部分實驗還設置了思考題，用于考察學生對本次實驗更深入的理解和分析能力。實驗報告整體為對實驗報告的整體印象。

PPT展示也是本次改革的一部分，對應于課外實踐的1個學分，占比為18%，布置的問題要與“物聯網通信技術”課程的知識點相關且具有一定前瞻性，除了可以有演示的實物外，還需要在課堂上按小組進行PPT展示和講解，由老師和學生評價。例如，如何設計一個零功耗物聯網通信系統，這是一個相對比較新的命題，且比較有應用前景，學生需要分工協作，一部分學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；另一部分學生則設計如何綜合應用零功耗模塊，在哪些特定的場景比較實用，等等。

期末考試采用閉卷形式，卷面成績占總成績的40%。實驗教學改革是為了提高學生的實際應用和動手實踐能力，提升物聯網專業學生的團隊合作和創新能力，因此，卷面成績所占比例相應減少。期末考試還有另外一個特點，考試試卷中除100分常規題型外，還配備了額外20分的附加題，對于理論掌握比較扎實的學生，可以通過這20分的附加題來彌補常規題型的失分（卷面總成績不超過100分）。

除此以外，教務系統中的教學考評為學生提供反饋渠道，學生通過填寫評價意見和點贊，對課程所學內容和教學方法進行評價，幫助教師針對教學中存在的不足進行相應改進。

4 結 語

采取理論實踐與項目創新物聯網通信技術實驗課程教學模式對深圳技術大學2019級、2020級物聯網工程專業的426名學生進行了教學實踐。學生積極參加“互聯網+”、全國大學生電子設計競賽及其他省級比賽，學生申請的“面向泛在場景下的隨身物品防丟系統”獲得了第十六屆“挑戰杯”廣東大學生課外學術科技作品競賽省級二等獎。老師主導的“物聯網通信實例設計”“鴻蒙系統開發與應用”等項目獲得了2022年度院級優秀實踐項目。實驗教學有效提升了學生參加物聯網學科競賽的興趣，并取得了一定成績。