基于理论实践与项目创新的物联网通信实验教学改革

陈 勇，宁 磊

（深圳技术大学 大数据与互联网学院，广东 深圳 518118）

0 引 言

物联网是融合了信息技术、通信技术以及计算机技术的交叉融合学科，是围绕国家战略新兴产业设立的新专业[1]。无论是“互联网+”、德国的“工业 4.0”和美国的产业互联网，还是“中国制造2025”，物联网都是支柱[2]。发展物联网产业，人才是关键，如何为社会培养合格的应用型、创新型物联网人才尤为重要[3]。

实验教学是新工科建设培养应用型、创新型工程人才的重要环节[4]。在新工科专业建设背景下，需要将理论知识和项目设计进行有机结合，把理论实践和项目创新融入到“物联网通信技术”实验课程教学中。因此，提高实践教学的质量十分必要[5]。

1 “物联网通信技术”课程特点和实验教学现状

1.1 知识点涉及面广

“物联网通信技术”课程涉及多种异构通信网络及众多有线和无线通信技术、标准[6-7]，每种通信技术都有不同的工作原理和特点，它们在物联网系统中的应用场景和应用对象也不一样，学生容易混淆，并且这些课程内容的学习需要具备信号与系统和通信原理等相关知识，而这通常是物联网工程专业学生所欠缺的[8-9]。

受课程本身的特点和物联网工程专业学时的限制，大部分学校难以将通信工程专业的先修专业课程全部在物联网工程专业开设，所以学生难以通过理论课堂深入掌握物联网通信技术所涉及全部知识点。为此，通过对应的理论实践和项目创新来缓解这一矛盾，理论实践通过基础实验来展现各通信技术工作原理，方便理解和掌握；而项目创新则持续紧跟物联网新技术和综合应用[10]。

1.2 实验平台分析

通过市场调研，目前物联网工程/通信工程专业使用的传统实验装置主要有单片机/ARM+物联网通信芯片+各类云、MATLAB软件、软件无线电+LabVIEW等。本教改项目则主要使用软件无线电设备+GNU Radio软件构建物联网通信实验平台[11-12]，与传统通信实验平台对比见表1所列。

由表1可见，市面上大多物联网通信相关的实验平台以应用为设计理念，开发的实验课程大都以演示验证为主。多数通过主控单片机设置相应参数，发送控制命令即可实现数据收发，物联网通信协议被封装成黑盒子。为使学生更好地理解物联网通信协议，有必要对物联网通信实验平台进行改革。

使用软件无线电设备+GNU Radio软件进行物联网通信实验，可以对无线通信技术分层逐一实验，也可以通过搭积木的方式剖析某一物联网协议；在真实信道环境中进行传输，以确保理论实践更加客观真实。

2 教学改革的内容与途径

“物联网通信技术”是物联网专业的专业课程之一。有些高校的物联网专业在开展本课程之前先开设了通信原理等专业基础课。而我校的物联网专业已将信息安全作为本专业的特色，并开设了信息安全相关课程。由于专业总学时原因，通信类相关先修课程较少。为此，我校物联网专业采用陈彦辉主编的《物联网通信技术》，围绕物联网通信技术展开，主要讲授物联网通信概述、基带传输技术、频带传输技术、链路传输技术、路由传输技术、典型物联网传输系统和通信系统设计实践。

2.1 实验平台

“物联网通信技术”实验内容分为物联网通信理论实践项目和创新实验项目两大类。理论实践是整个实验教学的基础，主要培养学生掌握物联网通信技术中所涉及的分层技术知识点；项目创新实验则培养学生具备物联网通信技术在对应场景中的综合应用能力。实验平台及器件（软件）见表2所列。

2.2 实验项目

实验课程目标对应的实验项目、实验内容及培养能力见表3所列。

2.3 实验教学过程

物联网通信技术实验教学过程分为知识讲解、实验操作以及分析总结持续改进三个环节，实验课程的教学流程如图1所示。知识讲解环节在每次实验的开始阶段，讲解的内容包括实验原理、实验步骤、所用软件无线电模块以及实验程序设计四个部分。针对理论实践类实验，知识讲解环节更侧重于物联网通信各层理论知识点、对应的软件无线电模块选择和参数设置，让学生能够掌握GNU Radio软件在设备中搭建实现物联网通信的基础知识点；针对项目创新类实验，在知识讲解环节着重讲解如何把物联网通信技术应用在适合的场景，提升学生的物联网综合创新设计能力。

图1 实验教学流程

实验操作环节包括实验调试过程答疑指导、实验程序和GNU Radio流图分析、拓展实验或思考题分析以及实验总结和点评四个部分。针对理论实践类实验，在实验操作环节，重点要求学生能正确选择GNU Radio模块，根据实验原理和流程来搭建GNU Radio流图，并判断和解决流图连接等错误，让学生理性认识用软件无线电设备进行真实信道通信的原理；针对项目创新类实验，在实验操作环节，重点要求学生能在软件无线电设备上完整实现某一物联网通信协议，以及要求学生通过添加模块或者补全代码实现异构网络之间的互联互通。另外，有些实验设置了拓展实验和思考题，拓展实验用于学有余力的学生进行额外训练，而思考题则用于巩固理解实验原理，举一反三。

持续改进环节主要对每个实验项目实施完成后进行分析总结，分析总结实验实施过程中存在的共性问题。教师对每个实验小组的实验结果进行记录，并对实验报告中的实验感想进行总结，分析实验教学过程中存在的不足，涉及知识点是否讲透，实验项目难易程度设置是否合理，实验内容切入点是否有吸引力等，持续改进实验教学方法和内容。

3 过程考核与评价

教学改革后的“物联网通信技术”课程的成绩包括5部分，即考勤、随堂测试、实验实践、PPT展示和期末考试，各部分所占比例分别为5%、5%、32%、18%和40%。

由于我校致力成为对标德国的应用型技术大学，较为重视实验实践，专业课程的理论课和实验课分别开设。“物联网通信技术”课程共计4个学分（每个学分18个学时），理论课2个学分，实验课1个学分，课外实践1个学分，实验课除理论老师外，还专门配备了实验老师。上述成绩包括理论课成绩和实验课成绩，其中，考勤和随堂测试在理论课上评估，用于考察平时学生上课的出勤率和课堂的理论学习情况。

实验实践即为实验课成绩，占比为32%，包括预习、操作及记录、数据处理、结果陈述和报告整体5部分。预习考察学生课前根据实验指导书提前进行资料搜集和实验准备的情况。操作及记录则为实验课上的操作、实验数据的记录或者实测值按组排名的情况。数据处理与结果陈述则为对实验数据的分析和总结。部分实验还设置了思考题，用于考察学生对本次实验更深入的理解和分析能力。实验报告整体为对实验报告的整体印象。

PPT展示也是本次改革的一部分，对应于课外实践的1个学分，占比为18%，布置的问题要与“物联网通信技术”课程的知识点相关且具有一定前瞻性，除了可以有演示的实物外，还需要在课堂上按小组进行PPT展示和讲解，由老师和学生评价。例如，如何设计一个零功耗物联网通信系统，这是一个相对比较新的命题，且比较有应用前景，学生需要分工协作，一部分学生去查找零功耗取能的方式，思考体积、工作条件以及可以供给外部的功耗；另一部分学生则设计如何综合应用零功耗模块，在哪些特定的场景比较实用，等等。

期末考试采用闭卷形式，卷面成绩占总成绩的40%。实验教学改革是为了提高学生的实际应用和动手实践能力，提升物联网专业学生的团队合作和创新能力，因此，卷面成绩所占比例相应减少。期末考试还有另外一个特点，考试试卷中除100分常规题型外，还配备了额外20分的附加题，对于理论掌握比较扎实的学生，可以通过这20分的附加题来弥补常规题型的失分（卷面总成绩不超过100分）。

除此以外，教务系统中的教学考评为学生提供反馈渠道，学生通过填写评价意见和点赞，对课程所学内容和教学方法进行评价，帮助教师针对教学中存在的不足进行相应改进。

4 结 语

采取理论实践与项目创新物联网通信技术实验课程教学模式对深圳技术大学2019级、2020级物联网工程专业的426名学生进行了教学实践。学生积极参加“互联网+”、全国大学生电子设计竞赛及其他省级比赛，学生申请的“面向泛在场景下的随身物品防丢系统”获得了第十六届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛省级二等奖。老师主导的“物联网通信实例设计”“鸿蒙系统开发与应用”等项目获得了2022年度院级优秀实践项目。实验教学有效提升了学生参加物联网学科竞赛的兴趣，并取得了一定成绩。