聚焦解決復(fù)雜工程能力的物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)改革

趙立輝，項(xiàng) 鳴，楊紅喆，朱 麗

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，上海 201418)

2016 年 6 月，我國高等教育正式加入《華盛頓協(xié)議》，成為該協(xié)議體系下的正式成員國，高校需要按著協(xié)議要求培養(yǎng)人才[1]?！度A盛頓協(xié)議》中特別針對“復(fù)雜工程問題”提出了具體的要求，明確了培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)該具有的工程能力和工程素質(zhì)，這就要求高校培養(yǎng)的畢業(yè)生要著力解決學(xué)生的專業(yè)能力和修養(yǎng)，能夠切實(shí)具有解決工程實(shí)際問題的能力[2]。2018 年《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》“高教40 條”的發(fā)布，明確指出高校應(yīng)該培養(yǎng)怎樣的人才，如何培養(yǎng)新時(shí)期適應(yīng)國家和社會(huì)需要的人才，為我國的高等教育改革指明了道路和途徑[3]。

新時(shí)期高等教育已經(jīng)同國際工程教育體系接軌，原有的追求規(guī)模擴(kuò)張的發(fā)展模式已經(jīng)不適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，高等教育尤其是應(yīng)用型本科層次的高校迫切地需要改革，人才培養(yǎng)體系和課程教學(xué)需要引入工程教育理念，改革現(xiàn)有的教學(xué)方法和手段，適應(yīng)新形勢下高等教育發(fā)展的需要。

對于“上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)”來講，學(xué)校培養(yǎng)的是具有國際視野的創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才，學(xué)生應(yīng)該具有高素質(zhì)、工程精神的專業(yè)技能，具有精益求精的工匠精神，這就要求學(xué)校教師要開展面向工程教育的課程改革和研究。如果不改革，培養(yǎng)的人才就不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。同時(shí)對于電氣與電子工程學(xué)院，開設(shè)的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)需要申請工程專業(yè)認(rèn)證，若想通過專業(yè)認(rèn)證，就要按照工程教育理念改革人才培養(yǎng)體系，由傳統(tǒng)的以理論為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)居多的教育理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨こ虒ο鬄橹?，?chuàng)新工程教育理念。培養(yǎng)的學(xué)生要堅(jiān)持以解決“工程問題”為主線，基礎(chǔ)知識和基本技能是因，解決工程問題能力是果。課程的設(shè)置和教學(xué)要轉(zhuǎn)變照本宣科的灌輸性教育，注重培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力和素養(yǎng)，不斷開展課程建設(shè)和改革，打造工程“金課”，實(shí)現(xiàn)高水平的應(yīng)用型本科課程。

因此開發(fā)解決復(fù)雜工程問題的課程案例，圍繞“解決復(fù)雜工程問題”進(jìn)行研究，推進(jìn)本科專業(yè)論證，不僅促進(jìn)電氣與電子工程學(xué)院教育教學(xué)改革，同時(shí)對標(biāo)工程認(rèn)證提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，對面向工程教育體系的高教改革有重要的實(shí)際意義。

一、培養(yǎng)目標(biāo)和問題分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)的熱門技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及嵌入式技術(shù)等新型技術(shù)，與社會(huì)流行的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等并稱為引領(lǐng)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。在電氣類專業(yè)開展物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)的目的在于使學(xué)生跟上時(shí)代步伐，掌握技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和實(shí)現(xiàn)手段，學(xué)有所用，能夠開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，滿足工程實(shí)際需要。培養(yǎng)目標(biāo)歸納如下幾點(diǎn)：

1.學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)到的理論知識和技能完整實(shí)現(xiàn)電氣工程項(xiàng)目，包括設(shè)計(jì)、分析和實(shí)現(xiàn)的全過程；

2.學(xué)生能夠檢索紙質(zhì)和電子的參考文獻(xiàn)，獲取需要解決問題的參考方法和途徑；

3.學(xué)生能夠?qū)σ粋€(gè)具體的工程問題，思索和研究解決問題的步驟，給出合理的設(shè)計(jì)方案，還要考慮經(jīng)濟(jì)、成本、美觀及人文因素；

4.學(xué)生具有團(tuán)體合作精神，承擔(dān)個(gè)人角色，在分工時(shí)可實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)完整的工程項(xiàng)目；

5.學(xué)生能夠撰寫符合工程規(guī)范的可行性計(jì)劃書、圖紙、電路圖、總結(jié)報(bào)告等文件。

由于物聯(lián)網(wǎng)屬于新興技術(shù)，在具體的教學(xué)中若只講原理或少講應(yīng)用，教學(xué)效果僵硬，學(xué)生很難接受；多講應(yīng)用，但應(yīng)用缺乏復(fù)雜問題及專業(yè)特征，又脫離實(shí)際工程。訓(xùn)練項(xiàng)目的設(shè)置也缺乏工程特質(zhì)，這種教學(xué)方式與工程教育理念和工程專業(yè)的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)相違背。目前課程教學(xué)存在問題歸納如下：

第一，教學(xué)時(shí)間短。實(shí)驗(yàn)大多屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，理論多是知識點(diǎn)講解，學(xué)生獨(dú)立分析，開展創(chuàng)新思維要求少，學(xué)生不需要自己來分析、研究，這樣根本起不到培養(yǎng)學(xué)生自己獨(dú)立思考、獨(dú)立動(dòng)手能力的作用。第二，缺乏面向工程性的問題，培養(yǎng)學(xué)生方法和內(nèi)容簡單，缺乏對學(xué)生工程性地訓(xùn)練。第三，理論與實(shí)踐脫節(jié)，影響教學(xué)質(zhì)量。第四，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)要求高，學(xué)生人數(shù)多，實(shí)踐教學(xué)效果不好。目前的本課程教學(xué)設(shè)備中，設(shè)備小而精，需要編程操作，這種操作需要細(xì)心和教師的反復(fù)檢查，效果較差。

綜上，現(xiàn)有的教學(xué)模式，難以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力的效果，課程教學(xué)效果不好。學(xué)生又有惰性，學(xué)習(xí)的興趣差，課程實(shí)際教學(xué)難以讓教師和學(xué)生滿意。

為此，針對“復(fù)雜工程性問題”，課程教師對電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)所學(xué)和培養(yǎng)目標(biāo)開展分析，提出了工程實(shí)際問題“典型復(fù)雜工程問題路燈照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究”。提出的項(xiàng)目具有復(fù)雜性，需要學(xué)生有知識的深度；項(xiàng)目具有綜合性，需要學(xué)生協(xié)同參與；項(xiàng)目瞄準(zhǔn)新能源、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有先進(jìn)性，需要新方法和新工具；項(xiàng)目具有不確定性，需要學(xué)生查找分析，開展創(chuàng)新，解決問題。

二、復(fù)雜工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)根據(jù)《華盛頓協(xié)議》的標(biāo)準(zhǔn)，提出了適合我國國情的工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，其中的“復(fù)雜性工程問題”應(yīng)當(dāng)具有7 個(gè)主要的特征[4]，可以簡單概括為：需要知識的深度；需要協(xié)同攻關(guān)；需要建模求解；需要新方法和現(xiàn)代工具；具有不確定與創(chuàng)新思維；需要綜合性；需要解決沖突。筆者在物聯(lián)網(wǎng)課程實(shí)際教學(xué)中，設(shè)計(jì)的“復(fù)雜性工程問題”實(shí)現(xiàn)如下。

（一）建立“復(fù)雜性工程問題”的具體對象

建立符合“復(fù)雜性工程問題”的具體對象是研究的重點(diǎn)。問題來源于工程，工程源于專業(yè)知識、社會(huì)需要。結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案及工程教育要求，制定適合的工程問題?？紤]下述幾點(diǎn)：

第一，問題具有復(fù)雜性，并且貼近工程；

第二，問題符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和體系；

第三，問題學(xué)生能夠解決，需要通過思考、實(shí)踐、合作的過程；

第四，問題貫穿于課程知識，具有綜合性；

第五，問題解決需要團(tuán)隊(duì)合作；

第六，問題更多考慮非技術(shù)因素，不僅需要專業(yè)知識，同時(shí)更多考慮非技術(shù)因素，如成本、環(huán)境保護(hù)、未來發(fā)展、社會(huì)需求等。

該項(xiàng)目“典型復(fù)雜工程問題路燈照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)了“電路原理” “電子技術(shù)”“自動(dòng)控制原理”“新能源發(fā)電”“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等課程后，具備了將電氣工程相關(guān)問題轉(zhuǎn)化為能力培養(yǎng)，經(jīng)過大二、大三專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課學(xué)習(xí)后完成的；學(xué)生的動(dòng)手能力和解決工程能力在不斷增強(qiáng)，可以開展較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)類教學(xué)項(xiàng)目。通過知識的培養(yǎng)逐步轉(zhuǎn)化為能力的培養(yǎng)，從單一知識點(diǎn)教學(xué)到培養(yǎng)學(xué)生具有綜合運(yùn)用知識解決工程問題能力的提高。本課程設(shè)計(jì)的工程對象具有復(fù)雜性，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)解決實(shí)際工程的能力。

項(xiàng)目涵蓋了“電子信息”“電氣工程” “物聯(lián)網(wǎng)”“程序設(shè)計(jì)”等專業(yè)知識，具有綜合性，學(xué)生通過前期的學(xué)習(xí)可以解決，并且需要思考、實(shí)踐、合作的過程。項(xiàng)目符合電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案。工程對象為路燈電氣照明，具有明確的問題意識。

（二）項(xiàng)目可分解、可操作

對標(biāo)“復(fù)雜工程問題”7 個(gè)特征，整合工程問題，充分考慮技術(shù)與非技術(shù)因素

本項(xiàng)目工程背景復(fù)雜、綜合性強(qiáng)，與實(shí)際結(jié)合緊密，需要學(xué)生分組進(jìn)行，項(xiàng)目分解為幾個(gè)不同問題再組合一起，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。項(xiàng)目分解為3 個(gè)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，發(fā)電、照明、通信，3 組人員有針對性地開展獨(dú)立研究，配合協(xié)作構(gòu)成整體項(xiàng)目。

1.項(xiàng)目涉及新能源發(fā)電、電力電子知識完成光伏系統(tǒng)的建立，再通過檢測技術(shù)和嵌入式技術(shù)完成照明系統(tǒng)開發(fā)，通過物聯(lián)網(wǎng)和程序設(shè)計(jì)完成遠(yuǎn)程通信。

2.具有較高的綜合性。綜合了多個(gè)學(xué)科和專業(yè)知識，包括電氣、通信、計(jì)算機(jī)以及環(huán)工、人文。

3.涉及多方面矛盾，包括成本與性能的矛盾，通信中有線與無線通信的矛盾。

4.涉及多方面的、有沖突的技術(shù)與工程因素。

5.設(shè)計(jì)中，學(xué)生分組完成，要充分考慮控制器成本、環(huán)保因素，并聯(lián)系到社會(huì)發(fā)展，適應(yīng)人的不斷發(fā)展需要。

（三）進(jìn)一步改革教學(xué)方法和手段

開展工程背景教學(xué)，進(jìn)行項(xiàng)目研究效果評價(jià)。教學(xué)應(yīng)充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)”的理念，針對復(fù)雜問題，改進(jìn)教學(xué)方法，以綜合性設(shè)計(jì)形式進(jìn)行，ppt 演示后學(xué)生獨(dú)立開發(fā)，教師給出整體方案。采用課上提前布置，課下獨(dú)立進(jìn)行原理分析，然后項(xiàng)目展示，再結(jié)合大論文進(jìn)行。

三、項(xiàng)目實(shí)施、成效

筆者所講授的“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”課程應(yīng)用本文提出的復(fù)雜工程項(xiàng)目，開展實(shí)踐教學(xué)。通過對學(xué)生完成情況檢查及問卷形式反饋，分析教學(xué)改革的成效，提出下一步改進(jìn)的措施。

（一）項(xiàng)目實(shí)施過程

2019 年5—6 月，筆者對電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)2016 級大三本科生開展課程教學(xué)，學(xué)生人數(shù)35 人，確定按本文提出的路燈照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的項(xiàng)目要求開展項(xiàng)目教學(xué)。實(shí)施過程如下：

1.要求所有學(xué)生各設(shè)計(jì)一個(gè)方案，經(jīng)過教師與學(xué)生討論，得到技術(shù)、可行性比較好的5 個(gè)方案，進(jìn)入下一步實(shí)施過程。

2.按方案設(shè)計(jì)把工程問題分解為四個(gè)部分：第一部分照明控制器硬件設(shè)計(jì)（硬件電路、通信電路、整流或逆變電路、芯片選型等）；第二部分云計(jì)算平臺(tái)建立；第三部分軟件設(shè)計(jì)（編譯環(huán)境建立、流程圖和程序）；第四部分包括經(jīng)濟(jì)性分析、人文環(huán)境分析。

3.人員分組。為了項(xiàng)目完成，達(dá)到完成質(zhì)量要求，擬定7 人為一組，分成五組，第一部分至第三部分兩名同學(xué)，第四部分一名同學(xué)，只要求寫自己完成的部分。七個(gè)人建立群，協(xié)調(diào)溝通合作完成。

4.實(shí)現(xiàn)方法和手段。根據(jù)學(xué)生專業(yè)知識水平，具有的專業(yè)能力，以及學(xué)院實(shí)驗(yàn)室、設(shè)備情況，制定的完成途徑和手段如表1。

表1 學(xué)生設(shè)計(jì)方法和手段

5.考核方式：考核采用設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證、論文、答辯綜合考核，見表2。

表2 考核方式

（二）項(xiàng)目實(shí)施效果

設(shè)計(jì)的復(fù)雜問題經(jīng)一輪教學(xué)實(shí)踐后，查驗(yàn)學(xué)生論文、實(shí)物及答辯等考核環(huán)節(jié)，學(xué)生的設(shè)計(jì)水平和對工程對象的理解得到提高，問卷及與學(xué)生座談反饋可知想，學(xué)生的優(yōu)良滿意度提高10 個(gè)百分點(diǎn)。

四、結(jié)束語

通過對《華盛頓協(xié)議》的復(fù)雜工程問題的特征進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)具有工程特征的教學(xué)對象，并在教學(xué)改革中探索和實(shí)踐。項(xiàng)目實(shí)施后的效果分析表明：可提高學(xué)生的復(fù)雜工程問題的理解和認(rèn)識水平、設(shè)計(jì)及分析問題能力。