基于理论实践与项目创新的物联网通信实验教学改革.pdf

2023年/第11期 物联网技术人才培养Vocational Education1590 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。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）摘 要：在“新工科”建设背景下，针对传统“物联网通信技术”课程教学内容知识点涉及面广、实验平台单一老旧等问题，本文通过引入软件无线电设备和 GNU Radio 软件作为实验平台，进行物联网通信实验教学改革；针对理论实践类实验侧重物联网通信基础知识点，项目创新类实验紧跟物联网新技术新应用进行剖析，积极探索教学改革并取得了良好的教学效果。关键词：理论实践；项目创新；物联网通信；软件无线电设备；GNU Radio 软件；教学改革中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0159-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.045收稿日期：2022-12-23 修回日期：2023-01-20基金项目：深圳技术大学“2022年度校级教学改革研究项目”（20221056010012）物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education1602.1 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。表 2 实验平台及器件（软件）实验项目类型实验平台实验器件（软件）理论实践类 实验软件无线 电设备通用软件无线电平台USRP B205Mini、GNU Radio 软件、OneNET 云平台以及 OMNet+软件项目创新类 实验创新应用 实验平台RFID 读写模块、蓝牙模块、各类标签以及 Android APP2.2 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。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。教师对每表 1 各实验平台对比平台名称简要介绍特 点单片机/ARM+物联网通信芯片+各类云1.单片机/ARM 完成主控功能，运行轻量级的通信协议栈。2.物联网通信芯片完成无线通信功能，包括 WiFi、Bluetooth、ZigBee、LoRa、NB-IoT 等。3.各类云（含 OneNET、华为云、阿里云等）提供的统一接入、边缘计算、大数据、人工智能等技术搭建物联网平台。优点：目前高校物联网专业使用较多，市面教学实验箱多，价格适中。缺点：物联网通信协议多为芯片化，集成度高，实验教学中难以对通信理论进行剖析。MATLAB 软件1.MATLAB 中包含各类工具箱，通信方面的诸如信号处理工具箱、通信系统工具箱和 Simulink 仿真工具，而 Simulink 结合了框图界面和交互仿真能力的系统级建模、仿真和分析工具。2.对于模拟调制、模拟信号的数字传输、数字信号的基带传输、数字信号的频带传输、信道容量和编码等通信仿真实验容易搭建完成。优点：传统通信工程专业大都使用该软件进行仿真，实验平台搭建简单，价格低廉，可以对无线通信技术进行分层仿真。缺点：不是实际信道传输，缺乏主观认识。软件无线电设备+LabVIEW1.LabVIEW 软件用于通信模拟仿真时，主要包括两个部分：前面板和方框图程序，用于模拟真实仪器的面板操作，框图程序应用图形编程语言编写，相当于传统程序的源代码。2.LabVIEW 也可以加载至软件无线电设备，用实际的发射和接收机及实际的信道来替换模拟的发射、接收机和模拟信道即可完成实际信号的传输。优点：可以进行理论模拟仿真和实际信道传输实验，可以对无线通信技术分层仿真和实验，高校使用不多。缺点：LabVIEW 为商业软件需购买授权，软件硬件设备均需购买，价格较高。软件无线电设备+GNU Radio1.GNU Radio 主要基于 Linux 操作系统，采用 C+结合 Python 脚本语言进行编程，是一个开放的软件无线电软件。2.GNU Radio 编译后加载至软件无线电外设，则可完成实际物理信道的通信；主机（或嵌入式 ARM）处理波形相关部分，高速信号处理部分由软件无线电外设完成。优点：可以对无线通信技术分层模拟仿真和实际信道传输实验；为开放软件，无需授权，仅需采购软件无线电外围硬件设备，价格适中。缺点：为开放软件，环境搭建及调试需注意各关联软件版本一致性。2023年/第11期 物联网技术人才培养Vocational Education161图 1 实验教学流程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，对表 3 实验课程目标对应的实验项目、实验内容及培养能力实验课程目标项目类型实验项目实验内容能 力掌握物联网通信技术中基本理论的工作过程和分解实现理论实践类实验基带信号分析、基带信号编解码和平方根升余弦滤波器实验不同类型和频率数字信号的产生与参数调节；依据原理完成 AMI 和 HDB3 编解码过程；使用平方根升余弦滤波器完成基带信号发送和接收掌握不同基带信号时频域特点、常用数据编解码的原理和基带传输系统中成形滤波器的选择二进制振幅键控、二进制频移键控和二进制相移键控实验使用软件无线电设备和 GNU Radio 软件分别在仿真环境和真实信道中完成二进制振幅/频移/相移键控频带传输实验掌握频带传输中不同调制方式的工作原理和特点，以及实际使用的选择链路控制协议实验和物联网路由协议实验使用 OMNet+软件完成 ARQ 和 DSDV 协议仿真实验会使用 OMNet+软件进行链路控制协议和物联网路由协议进行仿真掌握和了解物联网各种通信技术在适合场景中的综合创新应用能力项目创新类实验软件无线电综合传输 实验选取物联网通信中常用的一种无线通信协议在软件无线电平台中实现，将远端的节点中产生的数据发送至与 PC 机相连的软无设备中，再通过PC 机/嵌入式平台中的异构网关协议发送至云平台；反之，云平台也可下发控制指令学会使用 GNU Radio 在软件无线电平台中实现一种物联网通信协议；学会 Linux 平台下的网络和多线程编程；学会一种云平台使用蓝牙 RFID 创新应用 实验将蓝牙通信技术与 RFID 技术相结合，应用至智能药箱中，考虑实现药品有效期监控和喂药提醒等功能会将物联网通信技术和 RFID 技术综合使用，通过 Android 软件在实际场景中进行应用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。物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education162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。注：本文通讯作者为陈勇。参考文献1 张志刚，刘美娟，段嗣妍，等.物联网工程专业课程建设与实践教学研究 J.大学教育，2019，14（8）：72-74.2 江煜，许飞云，杨忠，等.基于项目驱动下的物联网通信技术教学改革初探 J.科技创新导报，2017，14（35）：215-216.3 林健.新工科专业课程体系改革和课程建设 J.高等工程教育研究，2020，8（1）：1-13.4 谭永前，曾凡菊.基于 OBE 理念的物联网通信技术实验课程教学改革探索与实践 J.凯里学院学报，2022，40（6）：81-88.5 谭永前.新工科背景下基于物联网应用驱动的“物联网通信技术”课程教学改革研究 J.科教导刊，2022，14（25）：90-93.6 亢艳芹，刘进，刘涛，等.面向应用的物联网通信技术教学研究与改革 J.电脑知识与技术，2019，15（13）：171-173.7 董俊，魏书宁，邓月明，等.新工科形势下物联网专业通信类课程改革与实践 J.物联网技术，2022，12（3）：128-130.8 赵亮，吴静，曹文.“通信原理”课程在物联网工程专业应用型人才培养中的教学改革研究 J.物联网技术，2020，10（8）：116-118.9 赵翠芹，黄星寿，吴启明.基于应用型人才培养的“物联网通 信 技 术”课 程 教 学 改 革 J.物 联 网 技 术，2017，7（6）：112-114.10 张微.物联网通信技术理论实践化研究 J.现代工业经济和信息化，2017，7（11）：94-96.11 胡浪涛，董小明，吴磊，等.基于软件无线电的通信工程专业实训平台构建 J.安庆师范大学学报（自然科学版），2022，28（4）：103-107.12 刘奕彤，尹良，郑平，等.基于口袋化的软件无线电通信实践教学创新 J.实验室研究与探索，2022，41（9）：204-207.作者简介：陈 勇（1982），男，硕士，工程师，研究方向为嵌入式软件、物联网通信。宁 磊（1986），男，博士，副教授，研究方向为近零功耗智能通信、网络大数据与可信传输、物联网行业创新应用。4 战丽波，李光仲，闫鹏，等.医用物理学“慕课+翻转课堂”教学模式探索 J.卫生职业教育，2019，37（18）：70-72.5 赵占娟，杨焱惜，李蕾，等.“翻转课堂”教学改革在医用物理学中的应用 J.物理通报，2020，39（7）：13-16.6 曹丹平，印兴耀.加拿大 BOPPPS 教学模式及其对高等教育改革的启示 J.实验室研究与探索，2016，35（2）：196-200.7 秦丹，闫鹏，邢娟，等.医用物理学对分课堂教学模式探索 J.中华医学教育探索杂志，2017，16（5）：459-462.8 莫忠，刘旭东，胡玉兰.医学技术类专业物理课程教学改革的尝试与探讨 J.科教导刊，2020，12（3）：32-33.9 祝铭山，宋宗根，李文成.提高医用物理学教学质量的几点思考 J.医学理论与实践，2019，32（22）：3753-3754.10 刘振阔.“互联网+”背景下以学生为中心的教学理念探索：以医用物理学教学为例 J.现代信息科技，2019，3（23）：186-188.11郭鑫.提高医学生学习医用物理学学习兴趣的实践J.物理通报，2019，38（S2）：15-17.12 赵石磊，计晶晶，周澐，等.基于优慕课平台的医用物理学教学改革与实践 J.包头医学院学报，2021，37（2）：115-118.13 许贺菊，刘志勇.基于医用物理学教学改革的 OBE 教育理念内涵探索 J.物理通报，2021，40（7）：8-11.14 郑鹤鹏，李小芒，郑安民.“新医科”背景下医用物理学课程改革与建设 J.物理通报，2021，40（10）：12-13.15 程玉梅，香莲.医用物理学教学改革研究中的几点心得 J.科技资讯，2018，16（25）：157-158.作者简介：漆 颢，理学博士，讲师，主要研究方向为物理学教学。（上接第158页）