“物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術”課程的“四聯(lián)三化”教學改革與實踐

摘 要：“物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術”是物聯(lián)網(wǎng)工程系的專業(yè)基礎課，旨在提升學生的工程能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)單片機課程的學習提供感知理論基礎。課程開設年限較短，存在著價值引領、內(nèi)容創(chuàng)新、學習動力等方面的“痛點”問題，課程組遵循以學生為中心、問題為導向、持續(xù)改進的教育教學理念，構建了“理論聯(lián)系實際、技術聯(lián)系應用、校園聯(lián)系企業(yè)、知識聯(lián)系育人”的“四聯(lián)”創(chuàng)新舉措，以實現(xiàn)“教學內(nèi)容全面化、教學方式多元化、教學評價多維化”的“三化”目標。教學實踐表明：“四聯(lián)三化”教學創(chuàng)新舉措提高了學生知識內(nèi)化效率的同時，培養(yǎng)了學生的工程實踐能力，有一定的改革價值。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)感知技術；課程改革；跨校修讀；混合式教學；人才培養(yǎng)；教學實驗創(chuàng)新

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)作為交叉學科，核心技術覆蓋整個信息學科。物聯(lián)網(wǎng)的層級結構分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層，分別包含傳感器技術、通信技術、數(shù)據(jù)處理技術、計算機技術以及自動控制技術[1]。綜合多樣的物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了人與物、物與物之間的連接與控制，而感知技術和控制技術作為物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，是聯(lián)系物理世界與信息世界的橋梁。

物聯(lián)網(wǎng)感知課程開設時間較短，可參考資源較少，關于感知技術的理論分類，有把傳感器應用以章節(jié)的形式加入到物聯(lián)網(wǎng)控制課程中的[2]，部分院校也存在將“傳感器原理與檢測技術”課程作為物聯(lián)網(wǎng)感知課程的理論基礎[3]、將感知作為實驗項目插入到物聯(lián)網(wǎng)通信技術課程中等情況[4-5]。綜合以上各院校對于物聯(lián)網(wǎng)感知技術課程的開設情況可以發(fā)現(xiàn)：感知多以模塊的形式被嵌入到各個物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程，多半是非核心內(nèi)容，以理論為主的課程教學，缺少實驗應用；以實驗為主的課程教學，缺少感知模塊的系統(tǒng)認知。

1 我?！拔锫?lián)網(wǎng)感知與控制技術”課程的痛點問題

1.1 教學側(cè)重原理性知識點，缺少價值引領

在以往的教學過程中，主要是對于感知層技術原理的理論講解，學生需要掌握的內(nèi)容包括傳感器技術的原理、材料、應用場景以及傳感技術性能指標的計算，其中知識點易于理解，但生硬，學生記憶困難；同時教學過程缺少思政內(nèi)容的引入，導致學生不知道今后的發(fā)展，無法激發(fā)學習興趣。

1.2 教學資源不夠豐富，無法滿足學習需要

市面上現(xiàn)有的教材有清華大學出版社出版的《物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術》，該教材內(nèi)容不僅包括感知，還包括人機交互、通信以及外設等，但感知技術章節(jié)內(nèi)容不多[6]。物聯(lián)網(wǎng)感知技術包括傳感技術、識別技術、定位技術以及過程感知技術，若單純選用傳感器技術相關書籍，無法實現(xiàn)對感知技術的全面覆蓋，若選用多本相關教材，會造成資源浪費。

1.3 教學活動缺乏設計，未能遵循以學生為主體的教學理念

課堂中，學生作為知識獲得者，真正將知識用于實踐的機會少，而實踐又多以驗證型實驗為主，以驗證某些傳感器的使用環(huán)境和使用精度，創(chuàng)新性內(nèi)容較少，教學活動僅僅圍繞做題與考試，導致學生普遍覺得“學而無處用，背題走天下”。

2 “四聯(lián)三化”教學改革方案

結合本科院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)發(fā)展要求、各院校物聯(lián)網(wǎng)感知技術課程設置以及本?！拔锫?lián)網(wǎng)感知與控制技術”課程的近年教學情況，課程組采用“理論聯(lián)系實際、技術聯(lián)系應用、校園聯(lián)系企業(yè)、知識聯(lián)系育人”的“四聯(lián)”創(chuàng)新舉措，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術課程“教學內(nèi)容全面化、教學方式多元化、教學評價多維化”的“三化”目標，在創(chuàng)新教學以及設定新目標的同時解決痛點問題。

2.1 從“結果”到“開始”

一方面，不論是傳感器技術教材還是感知課教學改革論文，對于傳感器模塊內(nèi)容的設定均是從原理開始講解，從傳感器名稱、物理知識、工作原理到內(nèi)部結構，內(nèi)容學術性較強、記憶點較少，興趣點幾乎沒有；另一方面，2020級、

2021級物聯(lián)網(wǎng)畢業(yè)生的論文選題多為農(nóng)業(yè)、家居等成熟產(chǎn)品的設計，其中功能設計缺少創(chuàng)新，關于醫(yī)療、共享、機器人這一類人工智能類的題目較少，其本質(zhì)原因是學生接觸到的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)太基礎、學習到的傳感器類型太少，導致思維無法拓展。

綜合以上情況，將知識講授由原來的“知其原理、知其結構、知其應用”調(diào)整為“知其應用、知其結構、知其原理”，實現(xiàn)從“結果”到“開始”的教學內(nèi)容構建。

應用方面，從物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學生就業(yè)角度出發(fā)，實現(xiàn)真正“應用型”人才的培養(yǎng)，將企業(yè)信息融入感知技術應用的案例中，提升學生興趣的同時，為學生傳授就業(yè)知識，幫助學生盡早樹立目標，找準人生的奮斗方向，真正地在教學過程中實現(xiàn)思政目標的達成。

關于傳感器技術的發(fā)展，以國產(chǎn)智能駕駛汽車“蔚小理”、小米智能家居為代表講述物聯(lián)網(wǎng)感知技術的發(fā)展趨勢；關于機器人傳感器部分，以波士頓動力公司機器狗的發(fā)展史以及國產(chǎn)機器狗為代表講述近些年機器人的發(fā)展史；對于溫敏氣敏傳感器部分，從軍用紅外熱成像儀以及酒精檢測儀兩方面出發(fā)向?qū)W生進行介紹，一方面介紹軍用設備提升學生的國家榮譽感和民族自豪感，另一方面通過酒精檢測內(nèi)容警示學生要遵紀守法；對于識別技術的發(fā)展，側(cè)重對企業(yè)的介紹，比如語音識別技術方面，國內(nèi)產(chǎn)品技術發(fā)展相對成熟的有科大訊飛，安防系統(tǒng)中的龍頭企業(yè)?？低曉趫D像識別技術這方面發(fā)展也相對成熟。

2.2 從“離線化”到“在線化”

市面上關于物聯(lián)網(wǎng)感知技術的教材較少，除了教師自制的課件、錄制的微課以及數(shù)字化平臺習題外，學生再無其他課程資源。本輪教學中，課程申報了遼寧省跨校修讀學分項目，基于沈陽航空航天大學“傳感器原理”的課程資源，采用線上線下混合式教學，促進資源共享，保障學生的學習權益[7-8]。

從教材和資源角度分析，學生因無教材無法提前預習上課內(nèi)容，而選用課程教學視頻，方式新穎獨特且可以提出技術問題，引起了學生對知識點的興趣，在線下課堂的專注度也會更高。從知識點覆蓋程度方面分析，由于專業(yè)原因，本校課程重點對傳統(tǒng)傳感器技術的原理和應用進行了詳細講解，缺少對現(xiàn)代傳感器技術應用的講解，選用的課程資源正好解決了這一問題。

建課方的教學資源包括傳感器技術基礎、傳統(tǒng)傳感器原理與應用以及現(xiàn)代傳感器原理與應用三章內(nèi)容，每章都有明確的教學視頻、測試題以及擴展資源。由于視頻時長短且精，故選用三章教學資源作為知識點課前預習資源和課后回顧資源，以觀看時長以及視頻答題情況作為本課程形成性考核的一部分。

2.3 從“單槍匹馬”到“并肩作戰(zhàn)”，從“獨行專斷”到“廣謀從眾”

以往教學活動中的實驗均為驗證型實驗，與實際應用關系不夠緊密，導致學生光學不會用，學了又不知道用在什么環(huán)境?；诖藛栴}，將實驗以進階形式進行，分別設置五級傳感器基礎驗證實驗、四級RFID進階設計實驗以及三級智能系統(tǒng)綜合感知創(chuàng)新實驗。

原物聯(lián)網(wǎng)感知課程三級項目基于傳感器模塊以及識別模塊設計物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，但設計內(nèi)容都是紙上談兵，沒有與控制器和執(zhí)行器相聯(lián)系，本輪教學將“物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術”課程和“單片機原理與應用課程”進行三級項目聯(lián)合，從“單槍匹馬”到“并肩作戰(zhàn)”，分別從感知、控制和應用角度對學生進行考察，同時將三級項目以校級大創(chuàng)形式進行申報，以興趣促創(chuàng)新（創(chuàng)新性）、以聯(lián)合促發(fā)展（高階性）、以競賽促完善（挑戰(zhàn)度），真正實現(xiàn)了課程實驗的“兩性一度”。

以往的教學評價中，眾多教師以自己為核心，認為該學生課題好則給的分數(shù)也比較高，認為學生課題不好則給的分數(shù)也比較低，完全是“獨行專斷”。作為教師，應該從課題的創(chuàng)新性、實用性的角度對課題進行評價，而學生對于課題的評價才是真正從準備程度、認真程度角度評價，也就是真正的合理評價方式應該是“教師評價+同輩評價”相結合。

3 “四聯(lián)三化”教學實踐

3.1 教學內(nèi)容

本輪次實踐過程中，對教學內(nèi)容做了兩方面的改進：一方面，將教學順序由原來的“原理-結構-應用”改為“應用-結構-原理”，例如以教學案例為引導，啟發(fā)學生關注案例中的傳感器類型，以理論聯(lián)系實際、技術聯(lián)系應用；另一方面，在內(nèi)容基礎上，增加新型智能傳感器，例如發(fā)展較成熟的語音合成模塊和語音識別模塊，現(xiàn)場演示模塊應用和講述企業(yè)故事，思想教育和技能教育同時抓起。具體教學內(nèi)容設計見表1所列。

3.2 教學模式

本輪次采用線上線下混合式教學[9-10]，“物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術”是大連東軟信息學院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，課程積極響應遼寧省教育廳號召，選用沈陽航空航天大學“傳感器原理”這門課作為跨校修讀課程?？茖W合理地將兩校課程有機結合，利用網(wǎng)絡課程內(nèi)容，組織學生進行“網(wǎng)絡學習+

線上討論+線上測試+線下教學+線下提問”的綜合互動式學習，其中本校教師負責線下教學+線下提問，建課教師負責網(wǎng)絡資源+線上討論+線上測試。

通過兩校教師的溝通，將網(wǎng)絡學習列入期末成績考核中，最終確定：期末成績=形成性成績+終結性成績。形成性成績包括線上學習、線上測試、線下提問以及實驗完成情況。其中線上學習重點關注學生對課程資源的觀看時長以及討論的參與度；線上測試重點關注學生對視頻中出現(xiàn)的題目的答題情況；線下提問重點針對學生網(wǎng)絡學習內(nèi)容和上節(jié)課的知識點進行提問。以上總成績比重占期末總成績的50%，期末考試占總成績的50%，期末考試試卷由我校教師印刷和批閱。

3.3 教學實驗

本輪次采用“物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術”與“單片機原理與應用”聯(lián)合三級項目的形式，感知課程從物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需求以及實驗教學目標三方面入手，在基礎傳感器的基礎上，為學生們介紹新型智能傳感器（包括語音識別、語音合成等），同時將實驗室傳感器程序向?qū)W生開放。單片機課程包含主控芯片和控制程序等內(nèi)容，此時的三級項目不再局限于報告書，而是把報告書變成一個“可見、可用”的完整硬件系統(tǒng)。

項目共分為項目前期、項目中期以及項目后期三個階段。項目前期，以物聯(lián)網(wǎng)典型應用系統(tǒng)作為引導，幫助學生確定系統(tǒng)名稱與功能，喚醒學生的創(chuàng)新潛能的同時，提升學生的專業(yè)認同感和民族自豪感；學生撰寫申報書，將三級項目以校大創(chuàng)形式進行申報，達到以賽促學、以賽促創(chuàng)的目的。項目中期，目的是提升學生的傳感器認知能力和實踐能力，將實驗劃分為基礎、進階以及高階，基礎實驗側(cè)重物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎感知功能的實現(xiàn)，幫助學生選擇適宜的傳感器；進階階段側(cè)重物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能化的實現(xiàn)，利用RFID一卡通應用設計實驗加深學生對“設備交互”的認識；高階階段以Proteus仿真的形式，詳細講解超聲波測距傳感器與主控芯片之間的連接與控制關系，將細碎的實驗知識應用具體化。項目后期，由校實訓中心提供硬件模塊和程序資源，學生自行調(diào)通系統(tǒng)功能，以答辯形式進行項目匯報。具體教學實驗設計見表2所列。

3.4 教學評價

“四聯(lián)三化”教學改革方案重視學生在每個環(huán)節(jié)的過程考核和評價，提高了實踐過程的成績比例，摒棄以往只重視理論的傳統(tǒng)成績構成。具體考核內(nèi)容和成績占比見表3所列。

3.5 教學成效

從教學內(nèi)容角度觀察，往年課程掛科率均值約為13%，本輪課程掛科率為5%，線上+線下教學加強了學生的知識內(nèi)化能力，同時在無教材情況下提升了復習效率；從教學實踐角度觀察，三級項目選題中創(chuàng)新性題目如“智能健身引導系統(tǒng)”“智能一體化功能床”等占比55%，實際應用性題目如“智能安全監(jiān)測門”“智能衣柜”等占比40%，常規(guī)題目

如“農(nóng)業(yè)監(jiān)測”“智能農(nóng)業(yè)無人機”占比5%，教學案例的引入拓寬了學生的創(chuàng)新思維；此外，本次三級項目共申報校級大創(chuàng)31項，立項率42%，申報省級大創(chuàng)31項，立項率13%；從教學評價角度觀察，引入學生評價后，學生匯報質(zhì)量上升，同時降低了分數(shù)爭議性。

4 結 語

本文針對物聯(lián)網(wǎng)感知課程分別在內(nèi)容、模式、實驗和評價四個方面遵照“四聯(lián)三化”進行改革與實踐，在學生分數(shù)、思維拓展、實踐能力以及大創(chuàng)項目申報方面獲得了一定成效，同時為后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)通信技術課程打好基礎。從長遠來看，隨著社會層面物聯(lián)網(wǎng)感知技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)感知課程在教學資源的補充、教學實驗的更新以及教學難度的提升方面仍有進一步發(fā)展的空間。

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