新工科視角下融入工程能力培養的項目啟發式課程教學

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”“互聯網+”等重大戰略提出的工程教育改革新思路，著眼于未來新技術產業發展，構建工程教育的新理念、新結構、新質量和新體系。文章面向國家新工科戰略培養創新型工科畢業生的基本目標，探索如何在課程教學過程中培養學生的工程實踐能力。以物聯網教學為例，物聯網是一門新興的自動化專業課程，文章從新工科的視角對如何將工程能力培養融入到課程教學中進行了探究。首先，對物聯網課程教學的現狀進行了分析，指出當前教學過程中普遍存在的問題。其次，以培養學生的工程能力為目標，提出如何調動學生學習積極性、培養學生分析與解決工程問題能力的項目啟發式教學策略。最后，所提出的策略在燕山大學自動化專業進行了初步的實施，并取得了較好的效果。文章所提出的融入工程能力培養的項目啟發式教學策略對于國家新工科戰略的推廣具有重要的促進作用。

關鍵詞：新工科；工程能力；物聯網；教學策略

中圖分類號：G642 文獻標志碼：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

我國工程教育規模目前位居世界第一，工科學生在專業知識、邏輯思維、工具使用、職業道德等方面的表現能夠得到用人單位的肯定，但是在前沿知識、創新能力、國際交流能力、分析解決工程問題能力等方面表現一般[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，建設工程教育強國，對國家推動創新驅動發展，實施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略具有重大意義。為推進工程教育改革，2017年2月18日，教育部在復旦大學召開了關于高等學校工程教育發展的戰略研討會，進而發布了《教育部高等教育司關于開展“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“新工科”的建設與發展[2]。可以看出，“新工科”概念的提出是基于國家戰略發展新需求，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。以培養多元化、創新型卓越工程師為目標，需要重點把握學與教、實踐與創新等任務。在工程教育實施過程中體現工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系等新工科的核心思想。可見，對于工科專業學生工程能力的培養是實現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向學生傳授專業知識同時培養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的教學改革[3-6]及教學方法[7-9]進行了探究，所提出的教學方法在部分專業如化工、軟件、機械等取得了良好的教學效果。本文以國家新工科建設的戰略為背景，聚焦于如何在課程教學過程中培養學生的工程實踐能力，以物聯網課程教學為例，探討融入工程實踐的課堂教學對于國家新工科建設與發展的促進作用。

二、物聯網課程教學模式的現狀分析

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，其核心是物-物相連。國家發改委、工信部等部門都出臺了支持物聯網發展的政策，國家十三五規劃也提出了物聯網是第四代工業革命的重要支柱。由于物聯網技術的發展符合信息時代社會發展的需求，目前，眾多國內高校開設了物聯網技術相關的專業及課程，目標在于培養工科學生在物聯網工程與實踐方面的專業素質和能力。然而，由于物聯網產業規模的快速增長和相關技術的迅速發展，物聯網專業知識也在不斷的更新換代，如何在有限的課程教學過程中調動學生的學習興趣、傳授專業知識、培養學生的工程實踐能力是物聯網課程教學的目標。就作者本身的物聯網課程教學經驗、以及對相關兄弟院校物聯網課程教學的調研情況，傳統的物聯網課程教學并不能適應國家新工科戰略的發展需求，主要面臨如下問題。

（一）教學模式單一，難以培養學生的工程能力

傳統的物聯網課程教學多是采用理論教學+課內實驗的教學方式。理論教學為教師根據教材講解專業知識，課內實驗多為單片機實驗，甚至缺乏多節點通信組網實驗，和理論知識不匹配。理論教學和課內實驗往往是不同的專業教師負責，因而導致理論課老師并不了解學生實驗過程中遇到的問題，而實驗老師也并不了解學生在課堂教學過程中具體學習了哪些專業知識，因而導致理論教學和課內實驗的脫節。另外，實驗課通常是學生根據實驗大綱對軟硬件進行調試，并沒有思考軟硬件的體系結構和設計方面的內容。因此，在完成課程教學后，學生在分析解決工程問題方面的能力并沒有得到鍛煉，只是機械式的學習了相關的課程內容，沒有達到培養學生工程能力的目的。

（二）教學內容偏理論，難以激發學生學習興趣

相比于傳統的數學基礎課程和模電、數電等專業基礎類課程，物聯網更側重于實踐，實現物-物相連的物聯網感知、傳輸、信息處理三層體系架構是物聯網課程的核心內容。傳統的物聯網教學主要是根據教材講解物聯網基礎理論和關鍵技術，如射頻識別、無線傳感網、信息安全等基本技術原理，而所講的關鍵技術如何通過軟硬件實現、在實際工程項目中如何應用等內容較少涉及，因而造成學生不了解所講知識在工程實踐中的作用，難以激發學生的學習興趣，對于課上所講內容多是在死記硬背，應付考試。因此，如何將物聯網的理論知識更好的和工程實踐相結合，調動學生的學習積極性是當前面臨的問題。

（三）教學目標不明確，難以反應工程實際需求

物聯網課程的教學目標通常是要使學生通過學習掌握物聯網的基本概念及射頻識別等關鍵技術的原理，雖然也提到培養學生的物聯網系統的整體分析和設計能力，但教學過程往往忽視了對于學生系統設計能力的培養。對于工科的本科生而言，培養目標是卓越工程師，因此對于物聯網這樣的側重于實踐的專業課應該有明確的能夠反應工程實際需求的教學目標，對于原理知識的理解和掌握是基礎，而如何通過軟件和硬件實現物聯網關鍵技術、以及工程實現中如何解決可能遇到的問題才是關鍵。因此，需要指定明確的教學目標，并給出能夠量化的考核指標檢驗教學目標的達成度。

三、新工科視角下物聯網教學改革與實踐

新工科的目標之一是推動現有工科專業的改革和創新，新工科對工程技術人才知識結構轉換、工程創新能力提升的要求，為課程的改革指明了方向。以國家的新工科建設戰略為背景，針對傳統的物聯網教學中存在的問題，我們提出如下幾個物聯網的課程教學改革策略。

（一）融入工程項目的課堂教學，調動學生學習積極性

由于學生對于純粹的理論教學往往不感興趣，其本質并不是課程內容的原因，而是學生對于想學的物聯網專業知識如何使用、如何解決工程問題缺乏足夠的認識和了解。因此，針對這一問題，我們提出融入工程項目的引導式教學方法。具體來說，在物聯網課程的首次教學過程中，通過介紹智能家居系統這一典型的和日常生活密切相關的物聯網應用，并利用實際的智能家居原型系統硬件設備（如射頻閱讀器、射頻卡、傳感器節點等）向學生展示智能家居系統的基本構成和功能，繼而引導學生思考如何通過實物實現這些功能，從而引入物聯網后續課程所要學習的專業知識和關鍵技術，包括射頻識別技術、無線通信技術、信息安全技術等。例如進入家門需要進行身份識別、家中的多個監測家居環境的設備需要進行組網通信，這些功能可以通過基于射頻識別的門禁系統、以及基于無線傳感器網絡的通信和組網功能來實現，而對于射頻識別原理和無線通信協議及原理的掌握是實現智能家居的前提，通過實際工程項目軟硬件系統的展示能夠激發學生對于學習物聯網專業知識的興趣。

（二）工程項目的結構和功能分析，培養學生分析工程問題能力

由于首次課堂教學中所介紹的智能家居系統主要還是總體功能的介紹，并未涉及到軟硬件系統實現的細節問題。為了維持學生對于知識學習的興趣及培養學生分析和解決工程問題的能力，在物聯網的整個教學過程中穿插智能家居系統的結構和功能分析，使學生能夠了解物聯網課程的每一部分知識在實際工程項目中是如何應用的。具體來說，在進行相關物聯網關鍵技術的課堂教學時，首先結合智能家居系統中相關的結構和功能，講解要實現這些功能需要用到哪些知識，進而引導學生去學習這些知識。以無線通信技術為例，在授課時首先向學生介紹智能家居系統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控設備和傳感器設備會實時測得大量的數據，如監控探頭、溫濕度傳感器、有害氣體傳感器等，這些數據都要通過無線信號傳輸到家庭管理中心，并且不同的設備之間也可能需要通信和傳遞信息。無線通信組網的功能涉及到軟件和硬件，軟件方面，需要通過程序實現無線通信協議棧及相關功能，硬件方面，需要具有無線通信功能和支持無線通信協議的芯片以及監控和測量設備。因此，通過智能家居系統的功能和結構分析，一方面能夠使學生保持學習相關專業知識的興趣，更重要的是通過項目的分析能夠培養學生針對實際需求分析工程問題的能力。

（三）設置三級項目，培養學生解決工程問題能力

在物聯網教學過程中，通過項目引導式教學，一方面使學生積極的學習了物聯網課程的專業知識，另一方面學生也了解到所學知識在工程系統中的應用價值。為了進一步培養學生的工程實踐能力，需要在分析工程問題的基礎上解決工程問題，可以通過三級項目實現。所謂三級項目，就是學生分組完成一個實際工程項目的簡單原型系統，在進行系統的分析和軟硬件實現的過程中，全面提升學生的工程實踐能力。具體的實施過程：在課程教學過程中，布置三級項目任務，學生分組（三人一組）完成，可自由選擇物聯網相關的應用或由教師指定題目設計實現一個實際的物聯網系統，如水環境監測系統、智能抄表系統、無線醫療系統等。學生在學習的過程中，一方面學習專業知識并通過課堂中所講解的智能家居系統了解了如何對實際系統進行分析，另一方面舉一反三，將所學的知識應用到解決其他工程問題之中。三級項目的實施主要通過學生課后時間完成，另外授課教師安排時間進行答疑。學生在完成三級項目的過程中，需要編寫相應軟件程序以及部分的硬件系統設計，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學生工程實踐能力的提高，同時也鍛煉了學生的團隊協作能力和溝通表達能力，從而對工科學生的綜合能力的全面提升起到積極的促進作用。

四、實施效果

融入工程項目的物聯網教學在燕山大學自動化專業計控方向的兩個班級已進行了第一輪實施，和往屆的教學效果相比，以往的課堂教學只是純粹的講解理論知識，而對于這些知識的應用較少提及或者只是泛泛而談，導致學生學習動力不足，而利用項目啟發式教學使學生了解了所學的專業知識的實際作用，能夠有效的提高學生的學習興趣。另外，通過三級項目的實施，使得學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問題的解決，對于工程實踐能力的培養也具有積極的促進作用。在課程結束后，預留一定的時間讓學生完成三級項目并統一安排時間進行答辯，如圖1-3所示，通過答辯過程檢驗學生分析和解決工程問題的能力培養情況，以及語言表達能力、團隊協作能力等綜合素質能力。該教學方式的總體效果良好，但是由于學生缺乏工程經驗，三級項目的實施所占用的課外時間較長，因此該教學方式是否適合向其他課程推廣還需要進一步的實踐和論證。

五、結束語

在國家新工科戰略的背景下對如何改進課堂教學方式以培養學生的工程實踐能力進行了探討和初步實施。通過項目啟發式的教學過程，通過引導學生了解所學知識如何在工程實際中使用，能夠有效的激發學生的學習興趣。通過對于工程問題的分析鍛煉了學生對于實際工程問題的分析能力。通過三級項目，進一步提高了學生的動手實踐能力和解決工程問題的能力。基于項目啟發式的教學改革符合國家深化工程教育改革，推進“新工科”的建設與發展的戰略，有利于培養符合社會和時代需求的工科畢業生，對于新工科建設在高校中的具體實施具有積極的推進作用。

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