一、引言
為了應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革,加快培育新興領(lǐng)域工程科技人才,改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè),培養(yǎng)復(fù)合型人才,2017年教育部在高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)上提出“新工科”的概念。強(qiáng)調(diào)高校新工科建設(shè)的重要性和實(shí)施要求,要求高校把新工科建設(shè)作為引領(lǐng)高等教育改革的有力抓手。
高校發(fā)展新工科要求實(shí)行學(xué)科跨界融合,以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題和統(tǒng)籌綜合項(xiàng)目的能力;重視實(shí)踐教學(xué),以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和對理論知識的實(shí)際運(yùn)用能力;注重課堂思政教育,培養(yǎng)學(xué)生的國家責(zé)任感和國際視野。高校新工科通過跨學(xué)科融合、注重實(shí)踐教學(xué)等教育方式,培養(yǎng)具備創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力強(qiáng)、具有家國情懷和國際視野的新時(shí)代工科人才。
近年來,人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈等與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展,逐漸改變了各行各業(yè)的生產(chǎn)方式,大大提高了生產(chǎn)效率和社會(huì)生產(chǎn)力。物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息浪潮,是通過物物互聯(lián)感知世界的技術(shù)手段。《2024中國物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新白皮書》從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度呈現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)新應(yīng)用對于物聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的重要性。同時(shí),白皮書還提出了通過規(guī)范引導(dǎo)持續(xù)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用的策略和建議。2024年《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》,該文件是為了貫徹落實(shí)中共中央、國務(wù)院關(guān)于加快5G、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和應(yīng)用的決策部署而制定的,提出了建立NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))、4G和5G協(xié)同發(fā)展的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)綜合生態(tài)體系的目標(biāo),并明確了加快移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、加強(qiáng)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究等重點(diǎn)任務(wù)。國家層面健全多層次多類型的物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)和服務(wù)體系,支持高校、科研院所加強(qiáng)學(xué)科交叉整合,加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè),培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)復(fù)合型人才,物聯(lián)網(wǎng)正進(jìn)入跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)模化發(fā)展的新階段,物聯(lián)網(wǎng)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)及生產(chǎn)制造、農(nóng)業(yè)、大眾生活等領(lǐng)域。在信息科技時(shí)代,通信工程專業(yè)應(yīng)與物聯(lián)網(wǎng)融合并設(shè)置相應(yīng)課程,以滿足行業(yè)人才的發(fā)展需求。
二、課程現(xiàn)狀及存在問題
在新工科發(fā)展的時(shí)代浪潮中,為了培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)通信專業(yè)人才,通信工程專業(yè)針對大三學(xué)生開設(shè)了“物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)”專業(yè)核心課程。我們進(jìn)行全網(wǎng)慕課資料、大型行業(yè)內(nèi)企業(yè)的網(wǎng)上大學(xué)和部分同類高校調(diào)研,發(fā)現(xiàn)圍繞物聯(lián)網(wǎng)開設(shè)的課程比較多,如“物聯(lián)網(wǎng)工程”“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用”“物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論”“物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)課程”等,每個(gè)相關(guān)專業(yè)開設(shè)課程的側(cè)重點(diǎn)不同。
當(dāng)前,對于該門課程的教學(xué)研究主要有:以實(shí)踐項(xiàng)目應(yīng)用驅(qū)動(dòng)為引導(dǎo)的課堂教學(xué)模式,通過優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容,以實(shí)踐項(xiàng)自應(yīng)用驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論知識點(diǎn)學(xué)習(xí);以專題課的形式對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)性編排和規(guī)劃,形成緊密聯(lián)系的知識體系,并規(guī)劃多條教學(xué)路線[2;基于體驗(yàn)實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、精品實(shí)踐案例的通信課程,以及信息技術(shù)支持的精準(zhǔn)教學(xué)模式3;以在線開放課程平臺為基礎(chǔ),以課程項(xiàng)目化為抓手,進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)模式探索4;研制開發(fā)的融合基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)與多種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通信板,有機(jī)地結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)理論和通信技術(shù)實(shí)踐[5,以及通過“對分課堂”強(qiáng)調(diào)先教后學(xué)的探索應(yīng)用型工科實(shí)驗(yàn)課程改革途徑等。多種課程改革研究表明,理論課和實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系,學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度較好,同時(shí)提供了多樣化的教學(xué)模式參考。
通信工程專業(yè)自2018年開設(shè)了“物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)”專業(yè)核心課程,2018級、2019級、2020級通信工程專業(yè)1個(gè)班連續(xù)3屆開設(shè)這門課。通過學(xué)生就業(yè)、升學(xué)、項(xiàng)目比賽、課堂參與度、實(shí)踐課成效、期末考核等方面,總結(jié)出課程在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,在內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法等方面存在的不足。目前,這門課程的教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生熟練掌握各種短距離無線通信技術(shù)原理、協(xié)議架構(gòu)、組網(wǎng)技術(shù),以及其在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行組網(wǎng)應(yīng)用的方式,對通信技術(shù)理論知識和物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)都能夠熟練掌握,并能設(shè)計(jì)程序與搭建簡單物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)和應(yīng)用平臺,具備解決復(fù)雜通信問題的能力。目前,課程產(chǎn)出成果并沒有達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研,開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)課程的學(xué)校很多,主要從原理上講解物聯(lián)網(wǎng)概念等理論性知識。目前,市面上的物聯(lián)網(wǎng)教材多是“物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論”“物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)”等。通過對教材和一些工科學(xué)校的調(diào)查發(fā)現(xiàn),介紹物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的專門教材很少,主要發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題。
(一)理論課程內(nèi)容差異很大,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不統(tǒng)一
物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)相對比較新和綜合性強(qiáng)的學(xué)科,很多理論還沒有完全系統(tǒng)規(guī)范下來,因此,也并未形成統(tǒng)一的理論體系。不同的學(xué)校使用不同的教材,講授的內(nèi)容有很大差異,相應(yīng)的,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也就有不同的安排。
(二)不同專業(yè)領(lǐng)域,實(shí)踐內(nèi)容的重點(diǎn)不統(tǒng)一
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)綜合性新技術(shù),涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)等,導(dǎo)致不同專業(yè)都開物聯(lián)網(wǎng)課程。通信工程專業(yè)這門課的重點(diǎn)在于物聯(lián)網(wǎng)短距離通信領(lǐng)域的相關(guān)核心技術(shù)、協(xié)議機(jī)構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、組網(wǎng)應(yīng)用等,自動(dòng)控制相關(guān)專業(yè)的重點(diǎn)在于物聯(lián)網(wǎng)芯片的研究設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)講解的重點(diǎn)在于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)算法、應(yīng)用開發(fā)等。不同專業(yè)開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程,實(shí)踐課程的內(nèi)容重點(diǎn)也相應(yīng)的有所不同。
(三)不同層次學(xué)校實(shí)驗(yàn)軟件和硬件環(huán)境不同
物聯(lián)網(wǎng)課程的實(shí)驗(yàn)大部分都是通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行操作的,不同學(xué)校配備的實(shí)驗(yàn)箱硬件有差異。每種實(shí)驗(yàn)箱都有不同的核心板和不同的程序。同一種類型的實(shí)驗(yàn),軟硬件環(huán)境不同、通信技術(shù)不同,實(shí)驗(yàn)效果也就不同。多種選擇源于技術(shù)和設(shè)備讓綜合性實(shí)驗(yàn)具有一定難度。
除了針對不同學(xué)校和教材調(diào)研外,為了了解學(xué)院“物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)”的學(xué)情,推動(dòng)專業(yè)內(nèi)涵建設(shè),對標(biāo)工程教育認(rèn)證辦學(xué)標(biāo)準(zhǔn),基于OBE教育理念“學(xué)生中心,成果導(dǎo)向”,持續(xù)優(yōu)化課程。對2021級4個(gè)班120名通信專業(yè)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查(問卷內(nèi)容如圖1所示)。在問卷調(diào)查中,關(guān)于理論課的問題緊密圍繞教學(xué)現(xiàn)狀、理論課內(nèi)容設(shè)置、授課方式、學(xué)生需求開展,關(guān)于實(shí)驗(yàn)課的調(diào)研圍繞實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)難易度、綜合性等方面開展。調(diào)研結(jié)果總結(jié)如下:目前,物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)這門課程的理論課特點(diǎn)是介紹技術(shù)多達(dá)10類,每類技術(shù)原理、協(xié)議架構(gòu)、組網(wǎng)技術(shù)、典型應(yīng)用場景等理論性強(qiáng)的知識點(diǎn)都要涉及,導(dǎo)致理論課內(nèi)容多。由于理論課時(shí)只有32學(xué)時(shí),根據(jù)2024年新版教學(xué)大綱,理論課時(shí)已減少至28學(xué)時(shí)。這導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容多無法突出重點(diǎn),使得學(xué)生難以抓住重點(diǎn)去深入探究。理論課授課以PPT講授為主、內(nèi)容偏向基礎(chǔ)原理和傳統(tǒng)技術(shù)等、缺乏實(shí)際案例和一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備輔助教學(xué),不能讓學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)各種通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)平臺的實(shí)際應(yīng)用和復(fù)雜性,導(dǎo)致學(xué)生的課堂參與度低。
(四)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)偏少,教學(xué)效果不佳
實(shí)驗(yàn)室擁有物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺實(shí)驗(yàn)箱共25套,包含ARM單元、CC2430模塊、Wi-Fi模塊、GSM模塊,以 C++ 編程語言為主。PC硬件的配套開發(fā)軟件有:EW8051-EV-730B(IAR)、Packet_Sniffer_2_2_0_0、Setup_SmartRF_Studio_6_5_1、SmartRF_1.6.2。以上實(shí)驗(yàn)硬件只能實(shí)踐基于ZigBeed短距離無線通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信,實(shí)驗(yàn)通信技術(shù)非常單一,沒有設(shè)置綜合性應(yīng)用層的實(shí)驗(yàn),如物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)在智能家居、智慧安防、智慧醫(yī)療等綜合性實(shí)驗(yàn)。任課教師雖然理論知識豐富扎實(shí),但實(shí)踐項(xiàng)目仍停留在實(shí)驗(yàn)室層面,缺乏實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課只停留在對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的簡單操作。教師沒有利用校企產(chǎn)學(xué)研資源,為學(xué)生提供實(shí)踐和生產(chǎn)鍛煉等綜合能力。
圖1課程調(diào)查問卷
圖2理論課程教學(xué)方式和教學(xué)模塊組合圖
三、課程探索改革
根據(jù)往3屆通信專業(yè)學(xué)生課程期末考評成績、教師授課過程課堂氛圍、教學(xué)督導(dǎo)評價(jià),以及2021級學(xué)生問卷調(diào)查結(jié)果,足以說明自前課程教學(xué)方式已不能滿足新工科標(biāo)準(zhǔn)下通信行業(yè)對高素質(zhì)人才的追求。
(一)以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向,重構(gòu)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容
目前,“物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)”課程涉及的技術(shù)種類有十大類,每種技術(shù)需要3個(gè)理論學(xué)時(shí)去講解。教師難以突出重難點(diǎn),學(xué)生學(xué)起來晦澀難懂。理論教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革,應(yīng)以學(xué)生為中心,因材施教,以滿足通用人工智能快速發(fā)展,覆蓋各個(gè)行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)型人才的需求。
實(shí)際上,學(xué)生并非有興趣對課程所有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行深人學(xué)習(xí)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和需求,將理論教學(xué)內(nèi)容如圖2所示方法進(jìn)行分類。按照物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的基本原理和技術(shù)特點(diǎn),可將理論課分為理論性研究、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作、項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)與案例分析等三個(gè)模塊。教師需要重點(diǎn)了解技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn),并在授課時(shí)加以重點(diǎn)講解,以推動(dòng)更多的學(xué)生未來進(jìn)人這個(gè)領(lǐng)域開展研究,或進(jìn)行進(jìn)一步深造。我們鼓勵(lì)這部分學(xué)生深人學(xué)習(xí)某個(gè)技術(shù)領(lǐng)域,提供各種學(xué)習(xí)資源。了解技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)通信項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)案例的,學(xué)??梢匝埿F蠛献髌髽I(yè)導(dǎo)師進(jìn)行視頻講座或深入企業(yè)參觀學(xué)習(xí)。充分鍛煉動(dòng)手實(shí)踐能力,可以更新現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備、鼓勵(lì)帶動(dòng)學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng) + ”“電子設(shè)計(jì)大賽”“挑戰(zhàn)杯”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等,以實(shí)現(xiàn)以賽促練,提升學(xué)生的專業(yè)能力。
(二)以學(xué)生為中心優(yōu)化教學(xué)方法
根據(jù)學(xué)生的問卷結(jié)果,理論授課會(huì)進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)。線上教學(xué)內(nèi)容主要針對技術(shù)在企業(yè)項(xiàng)目中實(shí)際運(yùn)用案例的講解,以及前沿技術(shù)講座;線下教學(xué)主要圍繞課程技術(shù)理論知識點(diǎn)講解和課程思政教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐動(dòng)手能力。每次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的復(fù)雜度和難度層層遞進(jìn),有助于引導(dǎo)學(xué)生開展由淺入深的學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,根據(jù)現(xiàn)有課時(shí)和實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備,將能滿足實(shí)驗(yàn)條件的課程分為必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,把實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)、難度性設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)等3個(gè)層次,必做基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)要求通信專業(yè)每個(gè)學(xué)生學(xué)會(huì)建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境、熟悉傳感器原理和程序改編和ZigBee組網(wǎng)模式和協(xié)議開發(fā)等,通過使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺,讓學(xué)生對傳感器、無線傳感網(wǎng)、短距離通信技術(shù)等組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)有系統(tǒng)認(rèn)知。對于想進(jìn)一步加深對這門實(shí)踐課學(xué)習(xí)的學(xué)生,可以選做設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用性的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自己設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺幾種通信技術(shù)控制的智能家居、智能小車等更多人工智能實(shí)際運(yùn)用。指導(dǎo)綜合實(shí)驗(yàn)完成度高的學(xué)生參加對應(yīng)比賽,通過以賽促教,鍛煉學(xué)生的綜合實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。
四、教學(xué)評價(jià)機(jī)制
以往,在該課程的考核方案中,理論課主要通過期末考試完成考核,分?jǐn)?shù)占 60% ,實(shí)踐課通過6次必做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成考核,分?jǐn)?shù)占 30% ,此外,課堂考勤分?jǐn)?shù)占 10% 。通過2021級學(xué)生問卷結(jié)果和往屆三屆學(xué)生的效果來看,理論課考核方式并不是很全面科學(xué),忽略了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成果,這讓學(xué)生重理論知識的記憶,輕實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法,采用科學(xué)課程考核評價(jià)機(jī)制,強(qiáng)化課程的過程性考核,實(shí)現(xiàn)過程性考核與結(jié)果性考核結(jié)合,提高課程人才培養(yǎng)質(zhì)量。考核方式分為PPT答辯、仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、線上學(xué)習(xí)匯報(bào)、綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)自答辯等。學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況申請不同的考核方式??己四繕?biāo)是為了調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)環(huán)節(jié)的積極性,強(qiáng)化課程教學(xué)的產(chǎn)出效果、實(shí)事求是地反映學(xué)生課程目標(biāo)的達(dá)成度。
五、結(jié)束語
物聯(lián)網(wǎng)與短距離通信技術(shù)這門課教學(xué)內(nèi)容不同于傳統(tǒng)專業(yè)核心課程,課程內(nèi)容要一直緊跟物聯(lián)網(wǎng)和通信行業(yè)的技術(shù)發(fā)展,不應(yīng)局限現(xiàn)有教材知識點(diǎn);教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式要持續(xù)改進(jìn),以符合新工科背景下對專業(yè)課程的要求。本文對“物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)”理論課教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段、課程考核評價(jià)等方面所做的分析,可為我校未來通信工程專業(yè)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)課程提供一些參考。物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)的教學(xué)旨在培養(yǎng)實(shí)用性、創(chuàng)新性的綜合素質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)人才,符合我?!靶鹿た啤苯ㄔO(shè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方式。以學(xué)生為中心進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和方式輸出,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié),鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí),利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段的多元課程考核激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。未來,我們還會(huì)對該課程進(jìn)行持續(xù)改革,以滿足行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)通信人才的需求。
作者單位:薛佳妮馬煥肇慶學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院
江強(qiáng) 謝華標(biāo) 孔瑞軒 中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司肇慶分公司
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