新工科視角下融入工程能力培養(yǎng)的項目啟發(fā)式課程教學(xué)

趙廣磊 米潔 馬鍇

摘 要：“新工科”是國家教育部針對“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略提出的工程教育改革新思路，著眼于未來新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，構(gòu)建工程教育的新理念、新結(jié)構(gòu)、新質(zhì)量和新體系。文章面向國家新工科戰(zhàn)略培養(yǎng)創(chuàng)新型工科畢業(yè)生的基本目標(biāo)，探索如何在課程教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。以物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)為例，物聯(lián)網(wǎng)是一門新興的自動化專業(yè)課程，文章從新工科的視角對如何將工程能力培養(yǎng)融入到課程教學(xué)中進(jìn)行了探究。首先，對物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出當(dāng)前教學(xué)過程中普遍存在的問題。其次，以培養(yǎng)學(xué)生的工程能力為目標(biāo)，提出如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生分析與解決工程問題能力的項目啟發(fā)式教學(xué)策略。最后，所提出的策略在燕山大學(xué)自動化專業(yè)進(jìn)行了初步的實施，并取得了較好的效果。文章所提出的融入工程能力培養(yǎng)的項目啟發(fā)式教學(xué)策略對于國家新工科戰(zhàn)略的推廣具有重要的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：新工科；工程能力；物聯(lián)網(wǎng)；教學(xué)策略

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）19-0096-04

Abstract： New engineering is a new idea of engineering education reform which is proposed by Ministry of Education， aimed at some major strategies like "China Manufacturing" "Internet plus" and so on， new engineering focuses on the development of the new technology industry in the future and new concept， new structure， new quality and new system of engineering education. This paper aims at the objective of training the innovative engineering graduates under the national engineering strategy， and explores how to train students' engineering practice ability in the process of teaching. Taking the teaching of Internet of Things （IoT） as an example， the IoT is a professional course of automation， this paper explores how to integrate the training of engineering ability into teaching process under the view of new engineering. First， we analyze the current status of the teaching of IoT， and points out the common problems in the current teaching process. Then， aiming at training students' engineering ability， this paper proposes a heuristic teaching strategy to mobilize students' learning enthusiasm and cultivate students' ability to analyze and solve engineering problems. Finally， the proposed strategy has been carried out initially in the automation major of Yanshan University and has achieved good results. The heuristic teaching strategy proposed in this paper has an important role in promoting the promotion of the national new engineering strategy.

Keywords： new engineering； engineering ability； Internet of things； teaching strategy

一、概述

我國工程教育規(guī)模目前位居世界第一，工科學(xué)生在專業(yè)知識、邏輯思維、工具使用、職業(yè)道德等方面的表現(xiàn)能夠得到用人單位的肯定，但是在前沿知識、創(chuàng)新能力、國際交流能力、分析解決工程問題能力等方面表現(xiàn)一般[1]。鑒于高等工程教育在我國高等教育中的重要地位，深化工程教育改革，建設(shè)工程教育強國，對國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略具有重大意義。為推進(jìn)工程教育改革，2017年2月18日，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了關(guān)于高等學(xué)校工程教育發(fā)展的戰(zhàn)略研討會，進(jìn)而發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》，號召高校開展“新工科”的研究實踐活動，從而深化工程教育改革，推進(jìn)“新工科”的建設(shè)與發(fā)展[2]。可以看出，“新工科”概念的提出是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向。以培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程師為目標(biāo)，需要重點把握學(xué)與教、實踐與創(chuàng)新等任務(wù)。在工程教育實施過程中體現(xiàn)工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系等新工科的核心思想。可見，對于工科專業(yè)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)是實現(xiàn)新工科工程教育改革的必備因素，如何在有限的課堂時間內(nèi)向?qū)W生傳授專業(yè)知識同時培養(yǎng)對于工程問題的分析和解決能力是我們所面臨的問題。許多教育工作者對面向工程師培養(yǎng)的教學(xué)改革[3-6]及教學(xué)方法[7-9]進(jìn)行了探究，所提出的教學(xué)方法在部分專業(yè)如化工、軟件、機械等取得了良好的教學(xué)效果。本文以國家新工科建設(shè)的戰(zhàn)略為背景，聚焦于如何在課程教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，以物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)為例，探討融入工程實踐的課堂教學(xué)對于國家新工科建設(shè)與發(fā)展的促進(jìn)作用。

二、物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)模式的現(xiàn)狀分析

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其核心是物-物相連。國家發(fā)改委、工信部等部門都出臺了支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的政策，國家十三五規(guī)劃也提出了物聯(lián)網(wǎng)是第四代工業(yè)革命的重要支柱。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展符合信息時代社會發(fā)展的需求，目前，眾多國內(nèi)高校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的專業(yè)及課程，目標(biāo)在于培養(yǎng)工科學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)工程與實踐方面的專業(yè)素質(zhì)和能力。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速增長和相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識也在不斷的更新?lián)Q代，如何在有限的課程教學(xué)過程中調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、傳授專業(yè)知識、培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力是物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的目標(biāo)。就作者本身的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)經(jīng)驗、以及對相關(guān)兄弟院校物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的調(diào)研情況，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)并不能適應(yīng)國家新工科戰(zhàn)略的發(fā)展需求，主要面臨如下問題。

（一）教學(xué)模式單一，難以培養(yǎng)學(xué)生的工程能力

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)多是采用理論教學(xué)+課內(nèi)實驗的教學(xué)方式。理論教學(xué)為教師根據(jù)教材講解專業(yè)知識，課內(nèi)實驗多為單片機實驗，甚至缺乏多節(jié)點通信組網(wǎng)實驗，和理論知識不匹配。理論教學(xué)和課內(nèi)實驗往往是不同的專業(yè)教師負(fù)責(zé)，因而導(dǎo)致理論課老師并不了解學(xué)生實驗過程中遇到的問題，而實驗老師也并不了解學(xué)生在課堂教學(xué)過程中具體學(xué)習(xí)了哪些專業(yè)知識，因而導(dǎo)致理論教學(xué)和課內(nèi)實驗的脫節(jié)。另外，實驗課通常是學(xué)生根據(jù)實驗大綱對軟硬件進(jìn)行調(diào)試，并沒有思考軟硬件的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計方面的內(nèi)容。因此，在完成課程教學(xué)后，學(xué)生在分析解決工程問題方面的能力并沒有得到鍛煉，只是機械式的學(xué)習(xí)了相關(guān)的課程內(nèi)容，沒有達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程能力的目的。

（二）教學(xué)內(nèi)容偏理論，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

相比于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程和模電、數(shù)電等專業(yè)基礎(chǔ)類課程，物聯(lián)網(wǎng)更側(cè)重于實踐，實現(xiàn)物-物相連的物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸、信息處理三層體系架構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)課程的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)主要是根據(jù)教材講解物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，如射頻識別、無線傳感網(wǎng)、信息安全等基本技術(shù)原理，而所講的關(guān)鍵技術(shù)如何通過軟硬件實現(xiàn)、在實際工程項目中如何應(yīng)用等內(nèi)容較少涉及，因而造成學(xué)生不了解所講知識在工程實踐中的作用，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于課上所講內(nèi)容多是在死記硬背，應(yīng)付考試。因此，如何將物聯(lián)網(wǎng)的理論知識更好的和工程實踐相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性是當(dāng)前面臨的問題。

（三）教學(xué)目標(biāo)不明確，難以反應(yīng)工程實際需求

物聯(lián)網(wǎng)課程的教學(xué)目標(biāo)通常是要使學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握物聯(lián)網(wǎng)的基本概念及射頻識別等關(guān)鍵技術(shù)的原理，雖然也提到培養(yǎng)學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體分析和設(shè)計能力，但教學(xué)過程往往忽視了對于學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。對于工科的本科生而言，培養(yǎng)目標(biāo)是卓越工程師，因此對于物聯(lián)網(wǎng)這樣的側(cè)重于實踐的專業(yè)課應(yīng)該有明確的能夠反應(yīng)工程實際需求的教學(xué)目標(biāo)，對于原理知識的理解和掌握是基礎(chǔ)，而如何通過軟件和硬件實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、以及工程實現(xiàn)中如何解決可能遇到的問題才是關(guān)鍵。因此，需要指定明確的教學(xué)目標(biāo)，并給出能夠量化的考核指標(biāo)檢驗教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。

三、新工科視角下物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)改革與實踐

新工科的目標(biāo)之一是推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革和創(chuàng)新，新工科對工程技術(shù)人才知識結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、工程創(chuàng)新能力提升的要求，為課程的改革指明了方向。以國家的新工科建設(shè)戰(zhàn)略為背景，針對傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中存在的問題，我們提出如下幾個物聯(lián)網(wǎng)的課程教學(xué)改革策略。

（一）融入工程項目的課堂教學(xué)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

由于學(xué)生對于純粹的理論教學(xué)往往不感興趣，其本質(zhì)并不是課程內(nèi)容的原因，而是學(xué)生對于想學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識如何使用、如何解決工程問題缺乏足夠的認(rèn)識和了解。因此，針對這一問題，我們提出融入工程項目的引導(dǎo)式教學(xué)方法。具體來說，在物聯(lián)網(wǎng)課程的首次教學(xué)過程中，通過介紹智能家居系統(tǒng)這一典型的和日常生活密切相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并利用實際的智能家居原型系統(tǒng)硬件設(shè)備（如射頻閱讀器、射頻卡、傳感器節(jié)點等）向?qū)W生展示智能家居系統(tǒng)的基本構(gòu)成和功能，繼而引導(dǎo)學(xué)生思考如何通過實物實現(xiàn)這些功能，從而引入物聯(lián)網(wǎng)后續(xù)課程所要學(xué)習(xí)的專業(yè)知識和關(guān)鍵技術(shù)，包括射頻識別技術(shù)、無線通信技術(shù)、信息安全技術(shù)等。例如進(jìn)入家門需要進(jìn)行身份識別、家中的多個監(jiān)測家居環(huán)境的設(shè)備需要進(jìn)行組網(wǎng)通信，這些功能可以通過基于射頻識別的門禁系統(tǒng)、以及基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信和組網(wǎng)功能來實現(xiàn)，而對于射頻識別原理和無線通信協(xié)議及原理的掌握是實現(xiàn)智能家居的前提，通過實際工程項目軟硬件系統(tǒng)的展示能夠激發(fā)學(xué)生對于學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識的興趣。

（二）工程項目的結(jié)構(gòu)和功能分析，培養(yǎng)學(xué)生分析工程問題能力

由于首次課堂教學(xué)中所介紹的智能家居系統(tǒng)主要還是總體功能的介紹，并未涉及到軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題。為了維持學(xué)生對于知識學(xué)習(xí)的興趣及培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程問題的能力，在物聯(lián)網(wǎng)的整個教學(xué)過程中穿插智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能分析，使學(xué)生能夠了解物聯(lián)網(wǎng)課程的每一部分知識在實際工程項目中是如何應(yīng)用的。具體來說，在進(jìn)行相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的課堂教學(xué)時，首先結(jié)合智能家居系統(tǒng)中相關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能，講解要實現(xiàn)這些功能需要用到哪些知識，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)習(xí)這些知識。以無線通信技術(shù)為例，在授課時首先向?qū)W生介紹智能家居系統(tǒng)中為了布線和配置的簡便，需要用到無線通信的功能，智能家居中的多個監(jiān)控設(shè)備和傳感器設(shè)備會實時測得大量的數(shù)據(jù)，如監(jiān)控探頭、溫濕度傳感器、有害氣體傳感器等，這些數(shù)據(jù)都要通過無線信號傳輸?shù)郊彝ス芾碇行模⑶也煌脑O(shè)備之間也可能需要通信和傳遞信息。無線通信組網(wǎng)的功能涉及到軟件和硬件，軟件方面，需要通過程序?qū)崿F(xiàn)無線通信協(xié)議棧及相關(guān)功能，硬件方面，需要具有無線通信功能和支持無線通信協(xié)議的芯片以及監(jiān)控和測量設(shè)備。因此，通過智能家居系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)分析，一方面能夠使學(xué)生保持學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識的興趣，更重要的是通過項目的分析能夠培養(yǎng)學(xué)生針對實際需求分析工程問題的能力。

（三）設(shè)置三級項目，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力

在物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)過程中，通過項目引導(dǎo)式教學(xué)，一方面使學(xué)生積極的學(xué)習(xí)了物聯(lián)網(wǎng)課程的專業(yè)知識，另一方面學(xué)生也了解到所學(xué)知識在工程系統(tǒng)中的應(yīng)用價值。為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，需要在分析工程問題的基礎(chǔ)上解決工程問題，可以通過三級項目實現(xiàn)。所謂三級項目，就是學(xué)生分組完成一個實際工程項目的簡單原型系統(tǒng)，在進(jìn)行系統(tǒng)的分析和軟硬件實現(xiàn)的過程中，全面提升學(xué)生的工程實踐能力。具體的實施過程：在課程教學(xué)過程中，布置三級項目任務(wù)，學(xué)生分組（三人一組）完成，可自由選擇物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用或由教師指定題目設(shè)計實現(xiàn)一個實際的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能抄表系統(tǒng)、無線醫(yī)療系統(tǒng)等。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，一方面學(xué)習(xí)專業(yè)知識并通過課堂中所講解的智能家居系統(tǒng)了解了如何對實際系統(tǒng)進(jìn)行分析，另一方面舉一反三，將所學(xué)的知識應(yīng)用到解決其他工程問題之中。三級項目的實施主要通過學(xué)生課后時間完成，另外授課教師安排時間進(jìn)行答疑。學(xué)生在完成三級項目的過程中，需要編寫相應(yīng)軟件程序以及部分的硬件系統(tǒng)設(shè)計，會遇到各種各樣問題，而分析和解決問題的過程能夠極大的促進(jìn)學(xué)生工程實踐能力的提高，同時也鍛煉了學(xué)生的團隊協(xié)作能力和溝通表達(dá)能力，從而對工科學(xué)生的綜合能力的全面提升起到積極的促進(jìn)作用。

四、實施效果

融入工程項目的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)在燕山大學(xué)自動化專業(yè)計控方向的兩個班級已進(jìn)行了第一輪實施，和往屆的教學(xué)效果相比，以往的課堂教學(xué)只是純粹的講解理論知識，而對于這些知識的應(yīng)用較少提及或者只是泛泛而談，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足，而利用項目啟發(fā)式教學(xué)使學(xué)生了解了所學(xué)的專業(yè)知識的實際作用，能夠有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，通過三級項目的實施，使得學(xué)生不僅鞏固了理論知識，更重要的是在項目實施過程中對于工程實際的需求分析和所遇到的軟硬件系統(tǒng)問題的解決，對于工程實踐能力的培養(yǎng)也具有積極的促進(jìn)作用。在課程結(jié)束后，預(yù)留一定的時間讓學(xué)生完成三級項目并統(tǒng)一安排時間進(jìn)行答辯，如圖1-3所示，通過答辯過程檢驗學(xué)生分析和解決工程問題的能力培養(yǎng)情況，以及語言表達(dá)能力、團隊協(xié)作能力等綜合素質(zhì)能力。該教學(xué)方式的總體效果良好，但是由于學(xué)生缺乏工程經(jīng)驗，三級項目的實施所占用的課外時間較長，因此該教學(xué)方式是否適合向其他課程推廣還需要進(jìn)一步的實踐和論證。

五、結(jié)束語

在國家新工科戰(zhàn)略的背景下對如何改進(jìn)課堂教學(xué)方式以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力進(jìn)行了探討和初步實施。通過項目啟發(fā)式的教學(xué)過程，通過引導(dǎo)學(xué)生了解所學(xué)知識如何在工程實際中使用，能夠有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過對于工程問題的分析鍛煉了學(xué)生對于實際工程問題的分析能力。通過三級項目，進(jìn)一步提高了學(xué)生的動手實踐能力和解決工程問題的能力?；陧椖繂l(fā)式的教學(xué)改革符合國家深化工程教育改革，推進(jìn)“新工科”的建設(shè)與發(fā)展的戰(zhàn)略，有利于培養(yǎng)符合社會和時代需求的工科畢業(yè)生，對于新工科建設(shè)在高校中的具體實施具有積極的推進(jìn)作用。

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