新工科背景下物聯網課程教學模式研究

李薇，楊慶華，焦方源，陳毅紅

（1.西華師范大學計算機學院，南充637000；2.川北醫學院醫學影像學院，南充637000）

0 引言

當前國內外經濟浪潮中，市場對復合人才迫切需求，使得新工科建設已成為高校和社會共識。新工科更加注重學科實用性、綜合性與交叉性[1-2]，也要求新技術與傳統技術結合。隨著“中國制造2025”等政策提出，物聯網已成為國家技術及產業創新的重點發展方向[3]。以復合交叉創新為特征的物聯網專業，與新工科特點和要求十分契合，又是新工科結構的關鍵組成，必然成為新工科建設中的熱點和重點[4-5]。面對國內外形勢、國家政策和新工科建設需求[1-3]，物聯網市場需求和專業建設需求[4-5]，及各高校相關學科協同發展趨勢[6-7]，該文對新工科背景下物聯網課程教學模式進行研究，提出一種將理論、實驗、實訓、課余、考評五方面融合一體的“五位一體”課程教學模式，設計了教學模式中各模塊結構及教學流程，并分析說明其在培養復合型物聯網人才方面的實用性、靈活性和適應性。

1 “五位一體”課程教學模式設計

物聯網課程總體教學模式設計如圖1 所示。其中，圖1（a）表示“五位一體”課程教學模式的模塊結構，圖1（b）表示課程教學模式的總流程設計。由圖1（a）知，“五位一體”結構包含理論教學、實驗教學、實訓教學、課余教學和測試考評五個大模塊，每個模塊有自己相對獨立的教學模式，同時每兩個模塊間又彼此交互影響。由圖1（b）知，教學總流程中，主流程大致為：教學始于理論教學，依次進入實驗教學、實訓教學、課余教學，測試考評各階段。但在主流程中的后面各階段，都可以對之前某階段進行單向反饋，或與前面某階段進行雙向交互。

圖1 物聯網課程教學模式

在該文設計的“五位一體”課程教學模式結構中，各組成大模塊的情況簡介如表1 所示。

表1“五位一體”課程教學模式各組成模塊設計簡介

2 理論教學模式設計

作為課程教學基礎和關鍵組成，理論教學模塊重要性不言而喻。理論教學模塊主要采用理論教學模式，基于線上線下混合教學手段和理論學習平臺，以引導預習+基礎理論+重點理論+自測交互+拓展理論的立體混合方式，完成以理論知識為核心的教學，以達到掌握理論基礎知識技術，熟悉拓展知識和技術的教學目標。理論教學模式設計如圖2 所示。圖2（a）表示理論教學模塊結構設計，圖2（b）表示理論教學流程設計。

圖2 理論教學模式設計

由圖2（a）可知，理論教學模塊主要包含課程目標引導、線上章節預習、線下章節教學、重點知識強化、理論測試交互、關聯交叉拓展六個子模塊。其中，課程目標引導子模塊主要實現針對課程學習目標的理論知識點的學習引導，線上章節預習子模塊主要實現以章節和知識點為單位的預習指導，線下章節教學子模塊主要以面對面課堂形式實現重點和難點的必修基礎知識點的教學，重點知識強化子模塊主要利用應用了理論知識點的案例素材實現重點知識的再現式情景式強化教學，理論測試交互子模塊主要以交互測試理論題的形式完成隨堂的理論知識點的測試，關聯交叉拓展子模塊主要實現對關聯的交叉的拓展的理論知識點的教學。由圖2（b）可知，從引導預習到章節教學，到知識強化和測試交互，再到關聯交叉拓展學習，整個理論教學流程是涵蓋了整個理論知識學習的引導、預習、學習、復習、測試、拓展各個環節，并且由淺入深地進行，尊重了學生的理論學習習慣和規律。根據圖2 知，理論教學模式的設計兼用線上線下平臺，混合采用教授、指導、自學、自測、交互等多種方式，融合了基礎、重點、測試、拓展幾方面的多角度教學，構建了一個立體豐富多重的理論教學模式。

3 實驗教學模式設計

作為課程教學必要組成，實驗教學不可缺少，也是對理論教學重要補充和促進。實驗教學模塊主要采用實驗教學模式，基于線上線下混合教學手段和實驗平臺，以引導預習+基本實驗+重點操作+自測交互+綜合應用的立體混合方式，完成以實驗操作為核心的教學，以達到掌握實驗知識、技術和操作，理論聯系實際，培養基本實踐操作和綜合知識應用能力的教學目標。實驗教學模式設計如圖3 所示。其中，圖3（a）表示實驗教學模塊結構設計，圖3（b）表示實驗教學流程設計。

圖3 實驗教學模式設計

由圖3（a）可知，實驗教學模塊主要包含實驗目標引導、線上實驗預習、線下實驗教學、重點操作強化、實驗測試交互、綜合應用實驗六個子模塊。其中，實驗目標引導子模塊主要實現針對實驗學習目標的理論和實踐知識點的學習引導，線上實驗預習子模塊主要實現以實驗項目為單位的預習指導，線下實驗教學子模塊主要以面對面課堂形式實現實驗相關理論知識點和實驗實踐操作點的教學，重點操作強化子模塊主要利用融合了理論知識點和實踐操作的實驗案例，來實現實驗相關的重點知識的再現式實操式強化教學，實驗測試交互子模塊主要以交互測試實驗題的形式完成隨堂的實驗知識點和操作點的測試，綜合應用實驗子模塊主要實現對物聯網完整架構體系下各層（感知控制層、傳輸通信層、應用層）知識和技術進行綜合應用的實驗教學。由圖3（b）知，從引導預習到實驗教學，到操作強化和測試交互，再到綜合應用實驗，整個實驗教學流程是涵蓋了整個實驗知識和操作學習的引導、預習、學習、復習、測試、應用各環節，并且由淺入深地帶動學生由理論逐步進入實踐應用，掌握操作和應用方法。根據圖3 知，實驗教學模式設計也兼用線上線下平臺，混合采用教授、指導、自學、自測、交互等多種方式，融合基礎操作、重點操作、測試交互、綜合應用多角度教學，構建一個立體豐富多重的實驗教學模式。

4 實訓教學模式設計

作為課程教學的重要補充，實訓教學是對理論教學和實驗教學的促進、強化和提升，實訓教學模塊主要采用實訓教學模式，基于線上線下混合教學手段和實訓平臺，以引導預習+基本實訓+重點操作+自測交互+復合應用的立體混合方式，完成以實訓操作為核心的教學，以達到掌握實訓知識、技術和操作，培養獨立實踐操作和復合交叉應用能力的教學目標。實訓教學模式設計如圖4 所示。其中，圖4（a）表示實訓教學模塊結構設計，圖4（b）表示實訓教學流程設計。

圖4 實訓教學模式設計

由圖4（a）可知，實訓教學模塊主要包含實訓目標引導、線上實訓預習、線下實訓教學、重點操作強化、實訓測試交互、復合交叉實訓六個子模塊。其中，實訓目標引導子模塊主要實現針對實訓學習目標的理論和實踐知識點的學習引導，線上實驗預習子模塊主要實現以實訓項目為單位的預習指導，線下實訓教學子模塊主要以面對面課堂形式實現實訓相關理論知識點和實訓實踐操作點的教學，重點操作強化子模塊主要利用融合了理論知識點和實訓操作的實訓案例，來實現實訓相關的重點知識的再現式實操式強化教學，實訓測試交互子模塊主要以交互測試實訓題的形式完成隨堂的實訓知識點和操作點的測試，復合交叉實訓子模塊主要針對物聯網以及其他學科（軟件、通信、大數據等）的相關知識和技術，實現復合交叉設計應用的實訓教學，同時兼顧培養學生的獨立實踐設計應用能力。由圖4（b）可知，從引導預習到實訓教學，到操作強化和測試交互，再到復合交叉實訓，整個實訓教學流程是涵蓋了整個實訓知識和操作學習的引導、預習、學習、復習、測試、應用各個環節，并且由淺入深地帶動學生，在理論和實驗的基礎上逐步進入操作強度更大、綜合應用性和復合交叉性更強的實訓階段，以訓練獨立性、綜合性、復合性更強的實踐操作和設計應用能力。根據圖4知，實訓教學模式的設計也兼用線上線下平臺，混合采用教授、指導、自學、自測、交互等多種方式，融合了基礎操作、重點操作、測試交互、復合交叉應用多角度教學，構建了一個立體豐富多重的實訓教學模式。

5 課余教學模式設計

作為課程教學的重要輔助，課余教學是對理論、實驗和實訓教學的促進、補充和幫助。課余教學模塊主要采用課余教學模式，基于線上線下混合教學手段和課余學習平臺，以引導復習+課余作業+討論交流+重點鞏固+項目實踐+創新應用的立體混合方式，完成以課余實踐為核心的教學，以達到掌握鞏固重點理論知識、技術和操作，培養項目任務實踐操作和創新應用能力的教學目標。課余教學模式設計如圖5 所示。其中，圖5（a）表示課余教學模塊結構設計，圖5（b）表示課余教學流程設計。

圖5 課余教學模式設計

由圖5（a）可知，課余教學模塊主要包含課余目標引導、課余作業復習、課余討論交流、重點復習鞏固、項目任務實踐、創新應用實踐六個子模塊。其中，課余目標引導子模塊主要實現針對課余學習目標的學習引導，課余作業復習子模塊主要實現重點理論知識和實踐操作的作業布置批改和復習鞏固訓練。課余討論交流子模塊主要實現主題討論和問答互動等交流互動機制。重點復習鞏固子模塊主要利用可選的課余測試題和實例操作題，來實現對不同知識點和操作點的復習鞏固。項目實踐任務子模塊主要以項目任務驅動和分組合作完成的方式，實現有目標任務針對性的課余復習、實踐操作和團隊協作訓練。創新應用實踐子模塊主要以大主題或自由主題為要求，引導學生進行自主創新課程設計和應用的訓練。由圖5（b）可知，從目標引導到作業討論，到復習鞏固，再到項目實踐，最后到創新應用，整個課余教學流程是涵蓋了課余教學引導、復習、交流、測試、實踐各個環節，并且層層遞進地帶動學生，在理論、實驗、實訓的基礎上進一步深入復習鞏固、交流測試、任務創新的課余學習階段，在強化理論、實驗、實訓學習的同時，還可以培養或提升協作性、實踐性、創新性的工科人才能力。根據圖5 知，課余教學模式的設計也兼用線上線下平臺，混合采用指導、自學、自測、交互、協作等多種方式，融合了作業復習、交互交流、測試鞏固、項目合作、創新實踐多角度教學，構建了一個立體豐富多重的課余教學模式。

6 測試考評模式設計

作為課程教學的必要反饋，測試考評是對理論、實驗、實訓、課余教學效果的重要評估和反應，也是學生自我正確評估和未來自我完善的重要依據和參考。測試考評模塊主要采用測試考評模式，基于線上線下混合教學手段和測試考評平臺，以目標引導+階段考核+中期考核+期末考核+平時成績統計+綜合成績統計的立體混合方式，完成以測試考評為核心的教學。測試考評模式設計如圖6 所示。其中，圖6（a）表示測試考評模塊結構設計，圖6（b）表示測試考評流程設計。

圖6 測試考評模式設計

由圖6（a）可知，測試考評模塊主要包含測試考評目標、階段測試考核、期中測試考核、期末測試考核、平時成績測評、綜合成績測評六個子模塊。其中，測試考評目標子模塊主要實現測試考評目標的介紹，以及依據不同專業進行測試考評因素、級別和比例的設置。階段測試考核子模塊主要以章節為單位，實現章節知識點和操作點的測試和考核。期中測試考核子模塊主要實現前半期內容知識點和操作點的測試和考核。期末考核考試子模塊可依據不同專業進行不同等級的考試難度和級別設置，主要實現期末考核/考試、組卷監考閱卷等功能。平時成績測評子模塊主要依據多級測試考核（章節知識點測試、階段測試考核、期中測試考核）、多階段/角度學習參與度、進度和效果（理論、實驗、實訓、課余）、多維度能力指標（基本理論知識掌握、重點知識掌握、拓展知識掌握、綜合知識應用、基本操作實踐、重點操作實踐、復合交叉獨立實踐、項目合作團隊協作、自主創新應用實踐等能力），進行平時成績統計。綜合成績測評子模塊主要基于平時成績和期末成績，依據不同專業要求，通過設置不同比例的平時成績和期末成績獲得，并為學生給出有建設性的評估意見和后期自我完善建議。由圖6（b）可知，從測試目標引導到階段測試考核，到期中期末考核，再到平時成績和綜合成績測評，整個測試考評流程是涵蓋了知識點、章節階段、期中、期末、平時、綜合多級別測評，從微觀到宏觀、層層遞進地反饋教學進度和效果。根據圖6 知，測試考評模式的設計也兼用線上線下平臺，混合采用多級多階段多維度測評，構建了一個立體豐富多重的測試考評模式。

7 分析及結論

針對提出的“五位一體”課程教學模式各模塊，該文進行了基本理論、理論拓展、操作實踐、綜合應用、復合實踐、團隊協作、創新實踐幾方面強度分析，如表2所示。結合圖1（b）和表2 知，因處于教學總流程不同階段，各模塊教學目的側重各不相同，比如前期理論教學模塊側重理論掌握，對實踐創新應用等要求很低，中期實驗實訓教學模塊對理論應用于實際，及實踐應用程度要求逐漸加強，后期課余教學模塊對實踐創新、團隊協作能力有進一步提升要求，而測試考評部分與前中期各階段模塊都有交互影響，因要考慮絕大部分學生平均學習情況，又要注重基本知識和技能掌握情況，故教學要求更側重基本理論和操作實踐的掌握，基于此再適當考查學生在理論拓展度、復合交叉實踐度、團隊協作度的表現。而創新應用實踐度不作為課程合格標準基本要求，更傾向于作為課余教學要求之一。

分析可知，該教學模式兼顧學生共性和個性，既考慮多數學生教育公平需求，及其理論知識和技能基礎情況，使學生通過多維度靈活自適應掌握基本知識和操作技能，獲得知識綜合應用和實踐應用能力，而基礎較好的部分學生又可根據進度和興趣進行個性化深度學習，及擴展知識和提升能力。另外該模式也在新工科背景下面向復合人才市場需求，適當培養復合應用、團隊協作、自主創新應用等能力。由上述知，該模式適用于新工科背景和復合人才需求下的物聯網課程教學，有利于培養理論扎實、實踐能力強的復合型物聯網人才。因此，該文設計的教學模式在新工科背景下，在培養物聯網復合人才方面具有良好實用性、靈活性和適應性。

表2 “五位一體”課程教學模式各模塊分析