譚永前，曾凡菊

（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)是融合信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的綜合應(yīng)用，被視為世界信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，其宗旨是在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟硬件設(shè)備之間的互聯(lián)互通，真正實(shí)現(xiàn)萬物相連。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的通信技術(shù)是各個(gè)“物”實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的關(guān)鍵技術(shù)；本課程主要講解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中常用的各種通信技術(shù)的基本原理及使用場景，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系中占有重要地位。物聯(lián)網(wǎng)屬于“新工科”，是面向當(dāng)前和未來的交叉復(fù)合新型工科[1]。在“新工科”建設(shè)發(fā)展需求背景下，為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、信息類等工科專業(yè)工程應(yīng)用人才的培養(yǎng)，高校對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程的教學(xué)改革顯得尤為重要。凱里學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程教研室積極探索專業(yè)課程的教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)，重視過程考核，把CDIO 工程教育理念貫徹到物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)理論課程教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

一、基于CDIO 的教學(xué)思想

構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)行（Conceive Design Implement Operate，CDIO）教學(xué)模式是以培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才為目標(biāo)的工程教育模式[2-3]。CDIO 教學(xué)模式要求把教學(xué)過程分為“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”四個(gè)階段，每個(gè)階段承擔(dān)不同的教學(xué)內(nèi)容和任務(wù)，同時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)之間又相互聯(lián)系、相互滲透。以CDIO 為理念的教學(xué)模式倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)，注重專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐能力之間的關(guān)系，要求在扎實(shí)掌握工程理論和專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，將教學(xué)融入具體的工程應(yīng)用中[4]。以搭建物聯(lián)網(wǎng)智慧小屋系統(tǒng)為例，將CDIO 教學(xué)理念融入課程教學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。在“構(gòu)思”階段，主要是結(jié)合行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的用戶需求信息，為后續(xù)階段設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)；在“設(shè)計(jì)”階段，根據(jù)用戶需求，結(jié)合相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，完成硬件電路的頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)等；在“實(shí)施”階段，主要根據(jù)硬件電路、設(shè)計(jì)方案等實(shí)現(xiàn)軟硬件的集成，完成代碼的開發(fā)，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)物作品；在“運(yùn)行”階段，主要是對設(shè)計(jì)中存在的不足進(jìn)行分析和總結(jié)，并查找原因，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高精度檢測和實(shí)效性，對項(xiàng)目進(jìn)行深度挖掘，持續(xù)改進(jìn)，形成改進(jìn)方案。

二、CDIO 教學(xué)模式實(shí)施方法

在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程體系中，物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程是連接嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、RFID 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)控制等課程的“橋梁”，課程內(nèi)容涉及多個(gè)學(xué)科，知識(shí)面廣，具有典型的工程應(yīng)用特點(diǎn)。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程授課內(nèi)容都是按照教材內(nèi)容獨(dú)立開設(shè)，忽視了與其他課程之間的關(guān)聯(lián)，學(xué)生孤立地學(xué)習(xí)各種通信技術(shù)，導(dǎo)致無法融會(huì)貫通各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，不能把相應(yīng)的通信技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際場景。

（一）課程“C”（構(gòu)思）階段

在CDIO 理念下的“C”階段，即構(gòu)思階段，主要對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合[5-6]。根據(jù)不同物聯(lián)網(wǎng)場景需要使用不同物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的原則，緊跟行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，選擇當(dāng)前比較成熟的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)作為授課內(nèi)容。構(gòu)思階段的主要教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)包括物聯(lián)網(wǎng)概述、通信的基本原理、長距離無線通信技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、LoRa 技術(shù)、NB-IoT 技術(shù)、eMTC 技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)綜合應(yīng)用案例。對于每一種通信技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用場景，采用案例教學(xué)法結(jié)合相應(yīng)案例進(jìn)行講解，讓學(xué)生知道每一種通信技術(shù)都有其自身優(yōu)點(diǎn)和適合的應(yīng)用場景，每一種通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中都有一席之地?；贑DIO 理念的課程教學(xué)內(nèi)容整合情況見表1 所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（二）課程“D”（設(shè)計(jì)）階段

在CDIO 理念下的“D”階段，即設(shè)計(jì)階段，主要對前一階段學(xué)習(xí)的相關(guān)通信技術(shù)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的功能分析、方案設(shè)計(jì)。該階段主要涉及各種傳感器器件、RFID 技術(shù)、無線傳感器技術(shù)等內(nèi)容，是多學(xué)科融合的一個(gè)階段。主要內(nèi)容包括火焰報(bào)警器實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)溫濕度檢測器實(shí)驗(yàn)、光敏傳感器實(shí)驗(yàn)和土壤傳感器實(shí)驗(yàn)、基于RFID 門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及基于STM32 小車設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)由淺入深，從單一的傳感器實(shí)驗(yàn)到簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)再到物聯(lián)網(wǎng)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力逐步得到提升。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)見表2 所示。

表2 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（三）課程“I”（實(shí)施）階段

在CDIO 理念下的“I”階段，即實(shí)施階段，該階段主要是對前兩個(gè)階段（構(gòu)思、設(shè)計(jì)）涉及的具體項(xiàng)目進(jìn)行硬件電路搭建和實(shí)現(xiàn)軟硬件集成，該階段重點(diǎn)考查學(xué)生構(gòu)思階段的思想，搭建硬件電路，利用軟硬件集成形成實(shí)踐動(dòng)手能力，具體內(nèi)容見表3 所示。

表3 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

（四）課程“O”（運(yùn)行）階段

在CDIO 理念下的“O”階段，即運(yùn)行階段，主要對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行分析總結(jié)，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的功能進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，利用有限的電子元器件和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自主拓展等。以小組為單位對每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)果分析、問題分析、持續(xù)改進(jìn)分析以及拓展分析，最后形成分析報(bào)告提交給教師，教師對每組完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際情況結(jié)合分析報(bào)告對該組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行點(diǎn)評。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分析和總結(jié)的內(nèi)容如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分析和總結(jié)

通過“O”（運(yùn)行）階段的總結(jié)分析，可以有效培養(yǎng)學(xué)生對知識(shí)整合和系統(tǒng)綜合的能力，進(jìn)一步提升學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)各種通信技術(shù)在實(shí)際場景中應(yīng)用的認(rèn)知能力。

三、過程考核與評價(jià)

基于CDIO 理念的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)重視學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)的過程考核和評價(jià)，要求學(xué)生高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的每個(gè)環(huán)節(jié)，摒棄只看期末考試結(jié)果的傳統(tǒng)教學(xué)考核模式。CDIO 理念的各個(gè)階段考核內(nèi)容和占比如表5 所示。

表5 基于CDIO 的課程教學(xué)評價(jià)與考核內(nèi)容

四、CDIO 教學(xué)成效

基于CDIO 理念的教學(xué)模式在我校物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程中實(shí)施以來教學(xué)效果顯著，主要體現(xiàn)在：（1）課程對學(xué)生的吸引力明顯增強(qiáng)，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的情況得到較好改善，如很多學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了一些物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)物，并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能。（2）課程有效提高了學(xué)生參與教學(xué)實(shí)踐的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度得到了進(jìn)一步提高。課后學(xué)生積極與教師探討物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方面的應(yīng)用，如“物聯(lián)網(wǎng)+四足機(jī)器人”“物聯(lián)網(wǎng)+遠(yuǎn)程智能鎖”等創(chuàng)意項(xiàng)目。（3）學(xué)生整合學(xué)科知識(shí)的能力得到提升，勇于選擇綜合性較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)題目參與學(xué)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(gè)階段的教學(xué)內(nèi)容得以合理實(shí)施，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)保質(zhì)保量完成。

五、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)是一門融合通信原理、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的課程，把CDIO 教育理念融入物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程教學(xué)中。從物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用場景出發(fā)，以案例、項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)為載體，準(zhǔn)確實(shí)施CDIO 各教學(xué)環(huán)節(jié)，重視過程考核，教學(xué)效果顯著。教學(xué)實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，基于CDIO 教育理念的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)教學(xué)方法，在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、提高教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度方面效果顯著。