基于AIMS的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系建設(shè)方法

綦志勇，常排排

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 教務(wù)處，湖北 武漢 430205）

0 引 言

我國在推進(jìn)“中國制造2025”過程中，對高等職業(yè)教育提出了新的要求[1-3]。但我國高等職業(yè)教育的課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容深受本科院校影響，很多高職院校在專業(yè)課教學(xué)與本科院校的區(qū)別是：內(nèi)容相同，本科偏重理論而高職偏重實(shí)踐[4]。弊端也很明顯，經(jīng)過兩年多的職業(yè)教育后，高職學(xué)生就業(yè)時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)難就業(yè)或需要培訓(xùn)才能就業(yè)的情況，這是理論知識(shí)不如本科生，實(shí)踐技能又難以滿足用人單位需求造成的[5]。

1 傳感器與綜合控制技術(shù)課程教學(xué)存在的問題

傳感器與綜合控制技術(shù)課程在高職高專課程中的定位通常會(huì)參考本科類院校的設(shè)置，在當(dāng)前市面上出版的教材內(nèi)容中可見一斑，典型情況是理論推導(dǎo)—電路原理分析—實(shí)際傳感器性能測試實(shí)訓(xùn)或應(yīng)用實(shí)訓(xùn)[6]，這里有幾個(gè)較為顯著的問題：

1）理論推導(dǎo)是對高職高專學(xué)生的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，且實(shí)用性存疑。

講解理論推導(dǎo)部分是為了讓學(xué)生理解傳感器的敏感元件存在電流、電壓等電性質(zhì)物理量與某被測值之間的函數(shù)關(guān)系，目標(biāo)是設(shè)計(jì)傳感器。絕大多數(shù)教師講授理論推導(dǎo)的教學(xué)方式是面授，使用教具演示推導(dǎo)過程。但對高職學(xué)生來說，理論推導(dǎo)的講解存在兩個(gè)嚴(yán)重問題：一是高職學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱，多數(shù)學(xué)生難以搞清楚其數(shù)學(xué)原理[7]；二是理論推導(dǎo)的學(xué)習(xí)在實(shí)用性角度存疑，學(xué)生畢業(yè)后從事傳感器設(shè)計(jì)工作的可能性很低。理論課程與半理論、半實(shí)踐課程教學(xué)模式近似會(huì)降低學(xué)習(xí)興趣。

2）教學(xué)方式改革在高職高專教育中勢在必行，而如何改革才能吸引現(xiàn)代學(xué)生投入專業(yè)學(xué)習(xí)成為一個(gè)嚴(yán)峻問題[8-10]。

基于原理分析的教學(xué)方式實(shí)際上是理論推導(dǎo)的變體，學(xué)生接受度有限，將分析改為設(shè)計(jì)過程反而使學(xué)生容易接受。講解傳感器模塊外圍電路的過程與理論推導(dǎo)類似，這種分析通常伴隨著大量的數(shù)學(xué)計(jì)算過程，教師需要在課堂上講解較長時(shí)間，但通常的場景是老師在講臺(tái)上揮汗如雨，學(xué)生在下面睡覺或是看手機(jī)。實(shí)際教學(xué)證明，如果淡化分析過程而將其優(yōu)化為對應(yīng)的設(shè)計(jì)過程，學(xué)生不僅能基本理解其原理，也能初步將設(shè)計(jì)過程進(jìn)行應(yīng)用，更重要的是，介紹設(shè)計(jì)過程支持“邊講邊練”，避免了長時(shí)間講解，側(cè)重學(xué)生自己動(dòng)手獲取實(shí)踐技能。

3）實(shí)際傳感器測試或應(yīng)用實(shí)訓(xùn)是目前實(shí)訓(xùn)的重點(diǎn)，但這種實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)沒有幫助。

傳統(tǒng)專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實(shí)際需求有較大差異，需要進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的行業(yè)特征。目前高職院校傳感器測試實(shí)訓(xùn)有兩種模式：第一種是直接采用各種設(shè)備測試敏感元件，獲得其電氣特性參數(shù)，適用于電子類專業(yè)學(xué)生；第二種是測試傳感器模塊，獲得功能性測試結(jié)果，適用于汽車類專業(yè)的學(xué)生。計(jì)算機(jī)科學(xué)中物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的傳感器實(shí)訓(xùn)，關(guān)注模塊與處理器之間的數(shù)據(jù)傳遞，而這兩種主流實(shí)訓(xùn)模式嚴(yán)重偏離物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)目標(biāo)。計(jì)算機(jī)科學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)更強(qiáng)調(diào)傳感器模塊的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用的完整過程，其實(shí)訓(xùn)方式無法沿用傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)與方式，故實(shí)際傳感器“測試或應(yīng)用”過程需要深入研究并改進(jìn)。

2 基于AIMS的專業(yè)課程體系建設(shè)

前文提到的有關(guān)問題，主要是行業(yè)發(fā)展過于迅猛、而高職院校專業(yè)建設(shè)滯后導(dǎo)致的，AIMS（基于多學(xué)科融合、系統(tǒng)化思維為主線、以應(yīng)用為導(dǎo)向的新型人才培養(yǎng)體系）課程線的課程體系設(shè)計(jì)方法，以“仿真—實(shí)踐”實(shí)訓(xùn)庫為核心，以課程線為貫穿、不依賴教師教學(xué)技能，以解決技能獲取問題為目標(biāo)，更符合高職高專計(jì)算機(jī)學(xué)科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的特點(diǎn)[11]。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高速發(fā)展是信息技術(shù)高速發(fā)展直接推動(dòng)的，其中多學(xué)科融合發(fā)展是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的內(nèi)生力與基本趨勢[12]，而AIMS針對多學(xué)科融合的應(yīng)用型教學(xué)系統(tǒng)適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)與高職院校專業(yè)的發(fā)展趨勢。

AIMS有3層結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)層為支持本專業(yè)發(fā)展的多學(xué)科交叉教學(xué)；第2層是以實(shí)訓(xùn)為基礎(chǔ)的課程體系；第3層強(qiáng)調(diào)用實(shí)際項(xiàng)目發(fā)展專業(yè)能力，更好地對接人才市場。AIMS的基本層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

AIMS層次結(jié)構(gòu)是基本概念模型，在具體實(shí)施過程中，以實(shí)訓(xùn)課程庫為核心構(gòu)件，整個(gè)課程體系建設(shè)圍繞實(shí)訓(xùn)課程庫來發(fā)展，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程庫示意圖見圖2。

圖2描述了圖1中AIMS層次結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)AIMS專業(yè)課程庫是由仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、實(shí)際實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、多媒介課程資源3大部件構(gòu)成。

1）仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是替代理論講解的重要方式，仿真平臺(tái)作為實(shí)際實(shí)訓(xùn)之前的、理論驗(yàn)證性質(zhì)的實(shí)訓(xùn)有很多優(yōu)點(diǎn)：①學(xué)生可以立即動(dòng)手操作，理論上驗(yàn)證知識(shí)的實(shí)用性；②教師對理論知識(shí)的介紹脫離了傳統(tǒng)教授方式，更多是督促與引導(dǎo)；③仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中使用的多媒介課程資源深化了教師的作用，這些資源可以多次重復(fù)不間斷使用，且有文本、動(dòng)畫、視頻、PPT等多種形式，其目的是確保學(xué)生獲取知識(shí)的方式不再單一、增進(jìn)理解；④避免了實(shí)際實(shí)訓(xùn)中與硬件有關(guān)的問題以及繁瑣的耗材管理問題。

圖1 AIMS的基本層次結(jié)構(gòu)

圖2 課程庫示意圖

2）實(shí)際實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

實(shí)際實(shí)訓(xùn)平臺(tái)強(qiáng)調(diào)與人才市場對接的功能，總體上遵循“單獨(dú)課程的基本知識(shí)點(diǎn)實(shí)訓(xùn)→單獨(dú)課程的綜合知識(shí)點(diǎn)實(shí)訓(xùn)→幾門課程綜合的簡單實(shí)訓(xùn)→幾門課程綜合的復(fù)雜實(shí)訓(xùn)→企業(yè)級(jí)實(shí)訓(xùn)”的漸進(jìn)步驟，同時(shí)可對學(xué)有余力的學(xué)生提供橫向與縱向研究課題，全力支持這些學(xué)生深化技術(shù)應(yīng)用以及從事創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等方面的活動(dòng)。

3）多媒介課程資源。

多媒介課程資源的功能是輔助教師的教學(xué)，使傳統(tǒng)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾旅襟w教學(xué)過程。典型的使用場景為內(nèi)容文本、操作視頻、動(dòng)畫演示、仿真軟件操作等在同一個(gè)頁面上，如圖3所示。

圖3 多媒體演示與仿真實(shí)訓(xùn)圖

圖3中左邊上方是視頻，左邊中間是文字介紹，左邊下方是圖片動(dòng)畫，右邊是實(shí)際軟件開啟窗口，學(xué)生可以通過左邊的學(xué)習(xí)，在右邊直接進(jìn)行代碼編寫工作。教師的作用為引導(dǎo)、輔導(dǎo)，教學(xué)技能要求相對弱化、動(dòng)手能力要求相對提高。課程不再完全依賴某個(gè)教師的個(gè)人授課技巧教學(xué)，且同一門課程的不同內(nèi)容允許不同的教師來教學(xué)。

3 基于AIMS的傳感器與綜合控制技術(shù)課程建設(shè)實(shí)例

以高職高專院校計(jì)算機(jī)學(xué)科中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)相關(guān)專業(yè)為背景進(jìn)行傳感器與綜合控制技術(shù)課程建設(shè)，課程建設(shè)目標(biāo)為掌握物聯(lián)網(wǎng)前端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基本知識(shí)、技術(shù)體系以及相關(guān)理論；了解物聯(lián)網(wǎng)的感知層節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)，如光電傳感器模塊、蜂鳴器模塊、繼電器模塊、溫度傳感器模塊、串行通訊模塊等有關(guān)傳感器與執(zhí)行器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及簡單計(jì)算機(jī)控制知識(shí)與技術(shù)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生初步掌握物聯(lián)網(wǎng)前端感知層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的能力。以C語言、電路與電子技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)等作為課程的先導(dǎo)課，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用、zigbee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用、RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)等為后續(xù)課程。

任何一門課程建設(shè)首先需要列出的就是課程線，目標(biāo)是找到共性與差異性內(nèi)容，便于資源的高度復(fù)用。凝練課程的課程線，將其加入到圖2所示的課程庫當(dāng)中，需要建設(shè)的內(nèi)容在課程資源、仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)3部分中添加屬于

課程的對應(yīng)內(nèi)容，課程線的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1）課程資源建設(shè)的內(nèi)容。

通過對課程線的分析，提出課程需要建設(shè)的內(nèi)容，假定先導(dǎo)課程已在課程庫中建設(shè)完成，參考先導(dǎo)課的資源建設(shè)內(nèi)容（見表1），本課程需要建設(shè)的內(nèi)容有：課程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施方案、教材、PPT、視頻資源、試題與試卷、在線資源、仿真實(shí)訓(xùn)資源、實(shí)際實(shí)訓(xùn)資源、規(guī)范文檔等，其中仿真實(shí)訓(xùn)資源與實(shí)際實(shí)訓(xùn)資源的具體內(nèi)容都應(yīng)當(dāng)依照專業(yè)規(guī)范文檔來制定，其形式是文檔形式，主要為指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行各類實(shí)訓(xùn)。

2）課程仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境建設(shè)。

實(shí)際的傳感器與綜合控制技術(shù)課程中需要使用到電路設(shè)計(jì)技術(shù)、C語言技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等內(nèi)容，仿真平臺(tái)有選擇性地使用這些先導(dǎo)課程的有關(guān)仿真軟件，本課程建設(shè)需要用到的先導(dǎo)課程仿真環(huán)境建設(shè)內(nèi)容見表2。

仿照表2，實(shí)際傳感器與綜合控制技術(shù)課程仿真環(huán)境建設(shè)見表3。

雖然仿真實(shí)訓(xùn)有巨大的優(yōu)勢，但仍然無法替代實(shí)訓(xùn)。實(shí)訓(xùn)與仿真有很大差距，實(shí)際當(dāng)中存在元器件的制造誤差、焊接不良、制造中的電路走線不均、EMC等問題，而仿真中不存在。故仿真僅能對理想情況下的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，而實(shí)訓(xùn)是真實(shí)實(shí)現(xiàn)的過程。仿真與實(shí)際缺一不可，仿真環(huán)境為實(shí)訓(xùn)提供了必要的理論驗(yàn)證，實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，保障了實(shí)際實(shí)現(xiàn)的成功。

圖4 傳感器與綜合控制技術(shù)課程線整體結(jié)構(gòu)

3）實(shí)訓(xùn)環(huán)境建設(shè)。

仿真平臺(tái)建設(shè)實(shí)際上是由實(shí)訓(xùn)內(nèi)容來決定的，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)主要由校內(nèi)課程實(shí)訓(xùn)集合和企業(yè)級(jí)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)集合共同組成。校內(nèi)課程實(shí)訓(xùn)集合以課程為單位，每個(gè)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容作為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)訓(xùn)單元，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

企業(yè)級(jí)實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容一般情況下由企業(yè)提供，源于企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，并由專業(yè)教研室進(jìn)行遴選、評(píng)估、修改、應(yīng)用與推廣。企業(yè)提供的實(shí)訓(xùn)案例通常需要專業(yè)教研室與企業(yè)進(jìn)行雙向溝通，確定企業(yè)級(jí)實(shí)訓(xùn)案例的應(yīng)用規(guī)模與邊界，防止流于形式。企業(yè)級(jí)實(shí)訓(xùn)也可實(shí)現(xiàn)整個(gè)課程體系的實(shí)訓(xùn)，并歸類到校內(nèi)實(shí)訓(xùn)課程中去。傳感器與綜合控制技術(shù)課程的部分實(shí)訓(xùn)內(nèi)容見表4，部分企業(yè)級(jí)實(shí)訓(xùn)的具體內(nèi)容見表5。

表1 先導(dǎo)課課程資源建設(shè)內(nèi)容簡表

表2 先導(dǎo)課程仿真環(huán)境建設(shè)內(nèi)容說明表

表3 傳感器與綜合控制技術(shù)課程仿真環(huán)境說明表

圖5 校內(nèi)實(shí)訓(xùn)課程基本結(jié)構(gòu)

4 采用AIMS的課程體系效果評(píng)價(jià)

4.1 教學(xué)效果

相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式，AIMS的課程體系實(shí)施之后，教學(xué)效果的變化見表6。

現(xiàn)代高職高專學(xué)生多數(shù)難以接受面授型的教學(xué)方式，其注意力無法被單一教學(xué)媒介所吸引；如果基礎(chǔ)沒有打好，且在學(xué)生動(dòng)手能力本身有限的情況下，后續(xù)實(shí)訓(xùn)課程基本無法完成。相比之下，AIMS方式設(shè)計(jì)的課程體系對教師與學(xué)生而言，教師與學(xué)生均可以避免嘗試枯燥的面授型教學(xué)模式。教師從教學(xué)講解人員轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)過程管理人員，學(xué)生也不再依賴教師的講解；通過多種類媒介學(xué)習(xí)，允許學(xué)生在多種媒介指導(dǎo)下自行動(dòng)手完成任務(wù)。另外，學(xué)生可以自行安裝仿真環(huán)境，在任何時(shí)間地點(diǎn)均可以進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)操作，結(jié)合仿真平臺(tái)上的多媒體教學(xué)資源隨機(jī)多次重復(fù)學(xué)習(xí)同一內(nèi)容。當(dāng)然，教師在AIMS方式與傳統(tǒng)課程體系的實(shí)訓(xùn)當(dāng)中都必須承擔(dān)較大的指導(dǎo)工作量。

4.2 有待解決的問題

第一，規(guī)范化、系統(tǒng)化基于AIMS的仿真系統(tǒng)的教學(xué)過程是未來研究的重點(diǎn)之一。

第二，逐步深度融合仿真技術(shù)到實(shí)踐性教學(xué)工作當(dāng)中，建設(shè)具有一定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的仿真技術(shù)平臺(tái)，并廣泛普及到學(xué)生的培養(yǎng)工作當(dāng)中仍然有待深入研究。

表4 傳感器與綜合控制技術(shù)課程的課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

表5 企業(yè)級(jí)實(shí)訓(xùn)部分案例表

表6 對比傳統(tǒng)教學(xué)方式的效果表

第三，采用AIMS的專業(yè)課程體系推動(dòng)專業(yè)技能培養(yǎng)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地建設(shè)，并以此帶動(dòng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是一個(gè)可以進(jìn)一步深度探索研究的路線[13-15]。

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