基于CDIO 理念的物联网通信技术教学改革探索①

谭永前，曾凡菊

（凯里学院大数据工程学院，贵州 凯里 556011）

物联网是融合信息技术、通信技术、计算机技术等的综合应用，被视为世界信息技术产业发展的第三次浪潮，其宗旨是在物联网系统中实现各个软硬件设备之间的互联互通，真正实现万物相连。物联网系统中的通信技术是各个“物”实现互联互通的关键技术；本课程主要讲解物联网系统中常用的各种通信技术的基本原理及使用场景，在物联网工程专业课程体系中占有重要地位。物联网属于“新工科”，是面向当前和未来的交叉复合新型工科[1]。在“新工科”建设发展需求背景下，为推动物联网、信息类等工科专业工程应用人才的培养，高校对物联网通信技术课程的教学改革显得尤为重要。凯里学院物联网工程教研室积极探索专业课程的教学改革，以学生为中心，教师为引导，重视过程考核，把CDIO 工程教育理念贯彻到物联网通信技术理论课程教学中，取得了良好的教学效果。

一、基于CDIO 的教学思想

构思—设计—实施—运行（Conceive Design Implement Operate，CDIO）教学模式是以培养应用型、创新型人才为目标的工程教育模式[2-3]。CDIO 教学模式要求把教学过程分为“构思、设计、实施、运行”四个阶段，每个阶段承担不同的教学内容和任务，同时各个环节之间又相互联系、相互渗透。以CDIO 为理念的教学模式倡导以学生为中心，教师为引导，注重专业知识与实践能力之间的关系，要求在扎实掌握工程理论和专业知识的基础上，将教学融入具体的工程应用中[4]。以搭建物联网智慧小屋系统为例，将CDIO 教学理念融入课程教学的知识结构图如图1 所示。在“构思”阶段，主要是结合行业发展动态，分析系统设计的用户需求信息，为后续阶段设计提供系统设计目标；在“设计”阶段，根据用户需求，结合相应的物联网应用场景，完成硬件电路的顶层设计、系统方案设计等；在“实施”阶段，主要根据硬件电路、设计方案等实现软硬件的集成，完成代码的开发，设计出符合设计目标的实物作品；在“运行”阶段，主要是对设计中存在的不足进行分析和总结，并查找原因，对系统进行优化，提高精度检测和实效性，对项目进行深度挖掘，持续改进，形成改进方案。

二、CDIO 教学模式实施方法

在物联网工程专业课程体系中，物联网通信技术课程是连接嵌入式系统设计、RFID 技术、物联网控制等课程的“桥梁”，课程内容涉及多个学科，知识面广，具有典型的工程应用特点。传统物联网通信技术课程授课内容都是按照教材内容独立开设，忽视了与其他课程之间的关联，学生孤立地学习各种通信技术，导致无法融会贯通各个知识点，不能把相应的通信技术应用于物联网实际场景。

（一）课程“C”（构思）阶段

在CDIO 理念下的“C”阶段，即构思阶段，主要对物联网通信技术课程教学内容进行整合[5-6]。根据不同物联网场景需要使用不同物联网通信技术的原则，紧跟行业发展动态，选择当前比较成熟的物联网通信技术作为授课内容。构思阶段的主要教学内容设计包括物联网概述、通信的基本原理、长距离无线通信技术、短距离无线通信技术、LoRa 技术、NB-IoT 技术、eMTC 技术以及物联网通信技术综合应用案例。对于每一种通信技术的特点和应用场景，采用案例教学法结合相应案例进行讲解，让学生知道每一种通信技术都有其自身优点和适合的应用场景，每一种通信技术在物联网通信系统中都有一席之地。基于CDIO 理念的课程教学内容整合情况见表1 所示。

表1 物联网通信技术教学内容设计

（二）课程“D”（设计）阶段

在CDIO 理念下的“D”阶段，即设计阶段，主要对前一阶段学习的相关通信技术理论知识进行实际应用的功能分析、方案设计。该阶段主要涉及各种传感器器件、RFID 技术、无线传感器技术等内容，是多学科融合的一个阶段。主要内容包括火焰报警器实验和实时温湿度检测器实验、光敏传感器实验和土壤传感器实验、基于RFID 门禁系统设计以及基于STM32 小车设计。实验项目的设计由浅入深，从单一的传感器实验到简单的物联网系统设计再到物联网综合系统设计，学生的实践动手能力逐步得到提升。物联网通信技术实验教学项目设计见表2 所示。

表2 物联网通信技术实验教学项目设计

（三）课程“I”（实施）阶段

在CDIO 理念下的“I”阶段，即实施阶段，该阶段主要是对前两个阶段（构思、设计）涉及的具体项目进行硬件电路搭建和实现软硬件集成，该阶段重点考查学生构思阶段的思想，搭建硬件电路，利用软硬件集成形成实践动手能力，具体内容见表3 所示。

表3 物联网通信技术实验教学项目

（四）课程“O”（运行）阶段

在CDIO 理念下的“O”阶段，即运行阶段，主要对实验项目的设计合理性进行分析总结，对实验项目的功能进行持续改进，利用有限的电子元器件和相关设备进行自主拓展等。以小组为单位对每个实验项目进行结果分析、问题分析、持续改进分析以及拓展分析，最后形成分析报告提交给教师，教师对每组完成实验项目的实际情况结合分析报告对该组实验进行点评。物联网通信技术实验项目分析和总结的内容如表4所示。

表4 实验项目分析和总结

通过“O”（运行）阶段的总结分析，可以有效培养学生对知识整合和系统综合的能力，进一步提升学生对物联网各种通信技术在实际场景中应用的认知能力。

三、过程考核与评价

基于CDIO 理念的物联网通信技术课程教学重视学生在每个环节的过程考核和评价，要求学生高质量完成实验项目的每个环节，摒弃只看期末考试结果的传统教学考核模式。CDIO 理念的各个阶段考核内容和占比如表5 所示。

表5 基于CDIO 的课程教学评价与考核内容

四、CDIO 教学成效

基于CDIO 理念的教学模式在我校物联网通信技术课程中实施以来教学效果显著，主要体现在：（1）课程对学生的吸引力明显增强，学生主动学习的情况得到较好改善，如很多学生通过课程的学习，自主设计开发了一些物联网系统实物，并实现了相应功能。（2）课程有效提高了学生参与教学实践的积极性，培养了学生的工程实践能力，教学目标达成度得到了进一步提高。课后学生积极与教师探讨物联网通信技术方面的应用，如“物联网+四足机器人”“物联网+远程智能锁”等创意项目。（3）学生整合学科知识的能力得到提升，勇于选择综合性较强的物联网相关题目参与学科竞赛，并取得良好成绩。这些效果的改善得益于基于CDIO 理念各个阶段的教学内容得以合理实施，实验项目各个环节保质保量完成。

五、结语

物联网通信技术是一门融合通信原理、通信技术、计算机技术等学科的课程，把CDIO 教育理念融入物联网通信技术课程教学中。从物联网实际应用场景出发，以案例、项目、实验为载体，准确实施CDIO 各教学环节，重视过程考核，教学效果显著。教学实践表明，与传统教学方法相比，基于CDIO 教育理念的物联网通信技术教学方法，在激发学生自主学习兴趣、培养学生工程实践能力、提高教学目标达成度方面效果显著。