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)[1]。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]。

實驗教學(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，需要將理論知識和項目設(shè)計進行有機結(jié)合，把理論實踐和項目創(chuàng)新融入到“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”實驗課程教學(xué)中。因此，提高實踐教學(xué)的質(zhì)量十分必要[5]。

1 “物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程特點和實驗教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 知識點涉及面廣

“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)及眾多有線和無線通信技術(shù)、標準[6-7]，每種通信技術(shù)都有不同的工作原理和特點，它們在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用場景和應(yīng)用對象也不一樣，學(xué)生容易混淆，并且這些課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)需要具備信號與系統(tǒng)和通信原理等相關(guān)知識，而這通常是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生所欠缺的[8-9]。

受課程本身的特點和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)時的限制，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)開設(shè)，所以學(xué)生難以通過理論課堂深入掌握物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)所涉及全部知識點。為此，通過對應(yīng)的理論實踐和項目創(chuàng)新來緩解這一矛盾，理論實踐通過基礎(chǔ)實驗來展現(xiàn)各通信技術(shù)工作原理，方便理解和掌握；而項目創(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 實驗平臺分析

通過市場調(diào)研，目前物聯(lián)網(wǎng)工程/通信工程專業(yè)使用的傳統(tǒng)實驗裝置主要有單片機/ARM+物聯(lián)網(wǎng)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(shè)備+GNU Radio軟件構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)通信實驗平臺[11-12]，與傳統(tǒng)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(lián)網(wǎng)通信相關(guān)的實驗平臺以應(yīng)用為設(shè)計理念，開發(fā)的實驗課程大都以演示驗證為主。多數(shù)通過主控單片機設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，發(fā)送控制命令即可實現(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，有必要對物聯(lián)網(wǎng)通信實驗平臺進行改革。

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

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)在開展本課程之前先開設(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，并開設(shè)了信息安全相關(guān)課程。由于專業(yè)總學(xué)時原因，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，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)計實踐。

2.1 實驗平臺

“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”實驗內(nèi)容分為物聯(lián)網(wǎng)通信理論實踐項目和創(chuàng)新實驗項目兩大類。理論實踐是整個實驗教學(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)知識點；項目創(chuàng)新實驗則培養(yǎng)學(xué)生具備物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在對應(yīng)場景中的綜合應(yīng)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(yīng)的實驗項目、實驗內(nèi)容及培養(yǎng)能力見表3所列。

2.3 實驗教學(xué)過程

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗教學(xué)過程分為知識講解、實驗操作以及分析總結(jié)持續(xù)改進三個環(huán)節(jié)，實驗課程的教學(xué)流程如圖1所示。知識講解環(huán)節(jié)在每次實驗的開始階段，講解的內(nèi)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(shè)計四個部分。針對理論實踐類實驗，知識講解環(huán)節(jié)更側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)通信各層理論知識點、對應(yīng)的軟件無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)備中搭建實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)知識點；針對項目創(chuàng)新類實驗，在知識講解環(huán)節(jié)著重講解如何把物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用在適合的場景，提升學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)綜合創(chuàng)新設(shè)計能力。

圖1 實驗教學(xué)流程

實驗操作環(huán)節(jié)包括實驗調(diào)試過程答疑指導(dǎo)、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(jié)和點評四個部分。針對理論實踐類實驗，在實驗操作環(huán)節(jié)，重點要求學(xué)生能正確選擇GNU Radio模塊，根據(jù)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(xué)生理性認識用軟件無線電設(shè)備進行真實信道通信的原理；針對項目創(chuàng)新類實驗，在實驗操作環(huán)節(jié)，重點要求學(xué)生能在軟件無線電設(shè)備上完整實現(xiàn)某一物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，以及要求學(xué)生通過添加模塊或者補全代碼實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。另外，有些實驗設(shè)置了拓展實驗和思考題，拓展實驗用于學(xué)有余力的學(xué)生進行額外訓(xùn)練，而思考題則用于鞏固理解實驗原理，舉一反三。

持續(xù)改進環(huán)節(jié)主要對每個實驗項目實施完成后進行分析總結(jié)，分析總結(jié)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(jié)果進行記錄，并對實驗報告中的實驗感想進行總結(jié)，分析實驗教學(xué)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(shè)置是否合理，實驗內(nèi)容切入點是否有吸引力等，持續(xù)改進實驗教學(xué)方法和內(nèi)容。

3 過程考核與評價

教學(xué)改革后的“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”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(yīng)用型技術(shù)大學(xué)，較為重視實驗實踐，專業(yè)課程的理論課和實驗課分別開設(shè)?！拔锫?lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程共計4個學(xué)分（每個學(xué)分18個學(xué)時），理論課2個學(xué)分，實驗課1個學(xué)分，課外實踐1個學(xué)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(xué)生上課的出勤率和課堂的理論學(xué)習(xí)情況。

實驗實踐即為實驗課成績，占比為32%，包括預(yù)習(xí)、操作及記錄、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果陳述和報告整體5部分。預(yù)習(xí)考察學(xué)生課前根據(jù)實驗指導(dǎo)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(shù)據(jù)的記錄或者實測值按組排名的情況。數(shù)據(jù)處理與結(jié)果陳述則為對實驗數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)。部分實驗還設(shè)置了思考題，用于考察學(xué)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(yīng)于課外實踐的1個學(xué)分，占比為18%，布置的問題要與“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”課程的知識點相關(guān)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(xué)生評價。例如，如何設(shè)計一個零功耗物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，這是一個相對比較新的命題，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)計如何綜合應(yīng)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(xué)改革是為了提高學(xué)生的實際應(yīng)用和動手實踐能力，提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的團隊合作和創(chuàng)新能力，因此，卷面成績所占比例相應(yīng)減少。期末考試還有另外一個特點，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，對于理論掌握比較扎實的學(xué)生，可以通過這20分的附加題來彌補常規(guī)題型的失分（卷面總成績不超過100分）。

除此以外，教務(wù)系統(tǒng)中的教學(xué)考評為學(xué)生提供反饋渠道，學(xué)生通過填寫評價意見和點贊，對課程所學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行評價，幫助教師針對教學(xué)中存在的不足進行相應(yīng)改進。

4 結(jié) 語

采取理論實踐與項目創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實驗課程教學(xué)模式對深圳技術(shù)大學(xué)2019級、2020級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的426名學(xué)生進行了教學(xué)實踐。學(xué)生積極參加“互聯(lián)網(wǎng)+”、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽及其他省級比賽，學(xué)生申請的“面向泛在場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)科技作品競賽省級二等獎。老師主導(dǎo)的“物聯(lián)網(wǎng)通信實例設(shè)計”“鴻蒙系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用”等項目獲得了2022年度院級優(yōu)秀實踐項目。實驗教學(xué)有效提升了學(xué)生參加物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科競賽的興趣，并取得了一定成績。