新工科背景下物聯網工程課程建設研究
——以Arduino應用開發課程為例

柯春艷，靳 晟，馮向萍

（新疆農業大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

近年來，以云計算、大數據、人工智能、物聯網等相關領域為特征的新經濟、新產業快速發展，因此迫切需要加快高等教育轉型發展，提高工程教育效率和教學效果，培養適應新業態的創新型工程科技人才。為了應對新的科技和產業革命挑戰，教育部積極推動新工科建設，培養多元化、創新型的卓越工程人才，核心要素包括培養學生工程實踐、創新應用、團隊合作能力等[1]。物聯網工程專業是新工科建設當中的重點專業之一，課程改革以新工科理念為依據，應用創新多元化的教學手段，更新前沿實用的教學內容，切實提高教學效果，培養具備創新精神和實踐能力并且能夠適應新時代、新環境、新業態的專業人才。

本文在新疆維吾爾自治區普通高等學校教學改革研究項目的支持下，圍繞物聯網工程專業應用創新型人才培養目標，以Arduino接口及項目開發課程為例介紹了專業課程在教學方法和教學內容等方面的改革實踐和課程建設情況，所取得的成果可以作為類似的單片機和嵌入式等偏應用型的課程建設的參考依據。

1 課程建設的必要性

物聯網工程專業作為地方高等教育中的戰略新興專業，專業人才的培養對接當地經濟和產業發展規劃，對區域經濟發展和產業轉型升級有著重要的支撐意義。物聯網工程關聯計算機、通信、電子、控制等多個交叉學科內容，應用廣泛；但是該專業開設的時間不長，地方高校在人才培養方面缺乏實踐性研究與驗證，一定程度上存在學生的應用實踐工程能力不能完全適應社會需求的問題。

實踐和創新應用能力是新工科理念下和物聯網工程專業人才培養目標中很重要的一項能力，將單片機和嵌入式開發等典型的偏向于實踐應用類課程作為研究對象，對課程教學內容和教學模式等進行創新改革，不僅可以提高學生對于課程知識的工程實踐和應用創新能力，而且可以為物聯網工程課程體系建設總結經驗，提供有價值的參考依據和改革模式。

2 課程建設面臨的問題

單片機和嵌入式開發等應用類課程經過多年按部就班的教學實踐，課程的教學模式和內容比較老舊，無法與當前行業應用相結合。因此，類似課程的建設需要聚焦以下問題：

（1）傳統教學模式單一，難以激發學生的主觀能動性。傳統課堂模式無法適應新工科建設中注重創新和工程應用能力的培養要求。如何借助互聯網教學資源和信息技術手段提供靈活開放的學習環境、共享優質前沿的教學內容以及如何設計多元的學習內容、學習情境、學習資源和評價模式，以提高學生的學習效率和工程教育效率等，都向教學設計者提出了挑戰[2]。

（2）傳統課程內容陳舊，不適應新業態下的人才需求。傳統的單片機、嵌入式等應用類專業核心課程多以講授底層技術原理為主，抽象枯燥，多數初學者入門難度較大；這類課程的實驗設置以功能簡單的驗證型實驗居多，內容陳舊，與當前應用的主流技術和需求脫節，難以調動學生學習的創造性和積極性，使學生在實踐創新培養方面受到局限。教師必須突破傳統束縛，創新教學內容，激發學生學習興趣，強化學生工程實踐和創新能力的培養。

3 改革措施

3.1 改革原則

結合新工科建設的內涵和專業課程建設現狀，課程改革主要考慮三個方面的問題：一是教學方法多元性，融合多種工程教育課程授課方式，將傳統課堂教學與在線教育相結合、理論教學與項目教學相結合，有效地激發學生學習的主動性和學習興趣，提高教學效率；二是教學內容實踐性，結合社會人才需求對教學內容進行改革和更新，培養學生的實踐應用能力和快速學習能力[3]；三是交叉前沿性，以學科技術在智慧農業、智能家居等領域的應用需求為導向，設計應用開發教學案例，促進專業技術在各領域應用的交叉融合。

3.2 教學手段方面

物聯網工程專業的特點是工程應用性強、技術更新快，在教育水平相對落后的地方高校中通過互聯網和信息化技術引進新技術和新模式是十分必要的。課程教學通過融合慕課手段，將傳統教學與多媒體、移動教學方式相結合，信息技術與工程教育相結合，更新教學內容和教學模式，從而提升學習效率和教學效果[4]。具體措施如下：

（1）通過融合慕課手段為學習者提供便利的線上和移動端課程學習平臺，使學習者能夠利用碎片化時間隨時隨地學習、重復學習，提高學習效率。

（2）在線上課程平臺共享國內外優質教學資源，為學習者提供多種媒體的學習材料，使得教育相對落后地區的學習者也能接受到最好的教育資源。

（3）在教學實施和管理方面，充分利用線上課程平臺完備的課程建設、管理、師生互動和評價分析等功能提升教學效率[5]。

3.3 教學內容方面

課程以強調培養創新和實踐能力為主要特色，采用基于單片機的Arduino硬件平臺從理論和實踐兩個方面對教學內容進行改革，整合涵蓋智能家居、智慧農業、自動控制、數據采集處理、物聯網應用等與專業實際需求緊密結合的理論知識和項目案例，讓學生能夠學以致用，為后續課程的學習以及今后相關工作研究打下基礎。

3.3.1 硬件教學平臺

硬件教學平臺是單片機課程的主要教學載體，傳統單片機類課程以實驗箱或集成開發板作為硬件教學平臺，實驗教學主要以驗證型實驗為主，學生不僅無法了解掌握硬件系統內部結構的設計和工作原理，在應用創新和分析解決問題方面更是倍受局限。

Arduino是以8位單片機處理器為核心，在全球創客教育和電子競賽中廣受青睞的開源硬件平臺，具有開放性、易用性、可擴展性等特點。用Arduino開源硬件代替傳統的單片機實驗箱或開發板作為硬件教學平臺，學生能夠快速上手實踐，提高應用創新能力。

3.3.2 理論教學內容

理論教學內容以在線視頻、電子閱讀材料、電子教案、開源工具箱等多媒體教學資料為載體講授單片機微控制器的原理與應用開發技術，包括微控制器、接口控制、時鐘控制、模數轉換、中斷控制應用、顯示驅動控制與應用、總線通信、無線通信、物聯網應用等基本原理及應用開發語言基礎和相應的應用開發案例。

3.3.3 實踐教學內容

充分利用Arduino開源平臺開放兼容的優勢，設計物聯網在家居建筑、環保節能、安防、智慧農業、移動應用等領域交叉應用的案例，將物聯網前沿技術和應用設計理念融入到教學項目中。實踐項目以Arduino硬件平臺為核心，擴展常見傳感器、執行器、通信模塊、數據接口等軟硬件應用模塊，難度從物聯網系統架構中的底層數據采集、中間層數據傳輸到平臺層數據控制與展示，逐步遞增。通過獨立完成項目，學生能夠深入理解物聯網電子系統的應用模式，掌握從系統方案和硬件電路設計到電路構建、應用編程、系統測試等全過程的電子原型開發技術。

3.4 考核與評估

新工科理念注重學生工程實踐應用能力的培養，而傳統“重結果、輕過程”的考核方法不利于本課程教學質量的評估和提高。課程采用過程化考核方式，學生完成的每個小測驗、實驗或項目都會計入總成績，學生可以根據即時看到的成績和評價反饋調整自己的學習狀態；教師可以全過程關注學習者的情感、態度和行為表現，實時把握學生的掌握情況，并根據每單元的考核得分情況及時調整和干預。

在教學過程中采用調查問卷、分享交流、教研討論等方式對教學內容和效果進行評估，鼓勵學生對課程內容和實踐項目提出建議，對完成情況優秀的項目在班級內進行分享和討論。讓學生參與到課程內容建設改革中，對于課程的優化完善具有重要意義。

4 建設實施情況

Arduino接口及項目開發課程教學部分包括慕課教學和課堂教學，學習部分包括課前的慕課學習、課堂的項目學習和實驗課項目開發三部分。下面從慕課建設、教學組織、課程考核三個方面探討課程的建設實施策略。

4.1 慕課建設

Arduino接口及項目開發課程采用課堂教學和慕課教學融合的教學模式，課程內容部署在校園“新農慕課”課程平臺上。慕課內容包含若干個單元，每個單元包含教學視頻、相關閱讀材料、開發手冊與工具、單元測驗、實驗、開發項目等模塊[6]。

4.1.1 教學資料

教學資料主要有教學視頻和閱讀材料。教學視頻資料采用美國加州大學爾灣分校在Coursera平臺發布的物聯網系列課程視頻內容。采用國外教學視頻不僅能實現資源共享和優勢互補，還能減少教師理論課程重復性開發工作，為教師更好地優化教學設計和更新教學內容創造條件。每單元包含若干學習視頻和相關閱讀材料，為便于學習者在課外利用碎片化時間學習，每個視頻時長設置不超過15 min，提供中英文兩種字幕。

4.1.2 單元測驗和實驗

根據每單元視頻知識點和項目涉及的知識內容，設計若干單元測試題目和一個實驗項目，學習者可以在課余時間選擇性地學習閱讀材料，根據課程要求的進度完成單元測驗題目、完成實驗、提交實驗報告。學習者完成單元測驗后可實時看到自己的答題情況，教師亦可在管理員界面看到題目的得分統計情況，在課堂教學中有針對性地調整教學內容，及時掌握學習者的學習效果，對下一步教學計劃安排具有非常重要的作用。

4.1.3 單元開發項目

開發項目是課程建設的重要組成部分，學習者通過自學慕課視頻和輔助材料、完成在線單元測驗以及課堂學習已經掌握了開發項目所需的知識，具備了按照要求獨立完成開發項目的能力。本單元包含“項目開發教學視頻”和“項目提交”兩部分，學習者按照項目教學視頻的要求完成項目后在線上提交自己作品的展示視頻和電子報告，教師綜合學習者實踐環節表現和提交的文件評價學習效果。

4.2 教學組織

課程將學習過程分解為慕課學習、課堂教學、課后練習三部分。

4.2.1 慕課學習

慕課學習部分在課堂教學前一周開始，學生按照慕課規定的日程安排，利用閑散的時間在慕課平臺完成視頻和輔助資料的自學，閱讀實驗和項目的完成要求、設計流程等教學文檔，并完成相應的線上測試。

4.2.2 課堂教學

課堂教學采用項目驅動式教學法，理論與實踐結合，講授與演示同步，將抽象的理論方法實例化，鼓勵學生參與互動，幫助學生發散思維。課堂教學主要分為三個階段：一是針對理論內容，由教師主導，主要涉及對所教授章節知識點的梳理和重難點的講解，對講解內容根據慕課單元測驗的得分情況進行調整，在理論講解過程中考察學生對慕課內容的自學情況；二是針對實踐內容，由師生共同完成，主要涉及所教授章節用到的電子模塊的編程應用演示和開發項目實現過程演示，在演示過程中引導學生思考和分析，激勵學生參與實踐，調動學習者的積極性和主觀能動性；三是討論內容，由教師引導并以學生為中心開展，項目的主要開發部分演示結束后，引導學生進行完善和創新，在討論分析過程中逐步引出新的問題、分析解決問題、完善功能。三個階段循序漸進，充分調動學生的積極性、提高學生參與度，強化學生實踐和創新能力的培養[7]。

4.2.3 課后練習

學生利用線上平臺，在課后根據自身的學習情況進行知識的鞏固學習，按照慕課任務日程節點，完成在線測試、實驗和項目開發等，并將課程要求的報告、總結、演示等文檔上傳到課程平臺。

4.3 課程考核

考核包括單元測驗、實驗、項目三部分內容，各部分考核的側重點由淺入深。其中，單元測驗每周兩次，主要考核當周基本知識和開發項目涉及的知識點；實驗項目主要考核學生對于基本知識點的掌握和應用情況；開發項目考核學生對知識點的應用能力、創新能力以及分析解決問題的能力。教師可以通過慕課平臺實時看到學生的答題情況，考察學生的學習態度和對知識的掌握程度，分析成績分布等，從而在教學中實時動態地對教學內容或者方法進行調整；學生也可以看到教師給予的評價和反饋，從教師反饋中得到肯定與鼓勵，或通過反饋信息清楚自己學習中的問題并及時加以糾正[8]。

相較于傳統期末考核方式，過程性考核加大了對于實踐能力的考察比重，考核結果更能客觀地反映學生對于課程知識的運用和解決實際問題的能力。過程性考核將評價與反饋貫穿于教學的全過程，不僅更加適應課程多元化下的教學形式和內容，而且能夠形成全過程的正反饋，通過考核中的師生互動環節促進教與學[9]。

5 效果與總結

課程建設以新工科建設理念為指導，梳理物聯網工程課程建設面臨的問題；以強化學生在實踐開發、創新應用、團隊合作等方面能力素質的培養為目標，結合慕課和開源硬件建設Arduino接口及項目開發課程。在完成兩輪Arduino接口及項目開發課程教學之后，筆者從教、學、用三個方面將本門課程與傳統的單片機課程進行了對比。在教學方面，課程教學模式有助于教師進行高效的課程管理，使得教師有更充分的精力設計和更新教學內容，對課程進行完善和優化，大大提高教學效率；在學習方面，慕課方式能夠調動學生學習的主動性和學習效率，開源硬件能夠極大地幫助學生深入理解抽象理論，掌握物聯網系統設計原理和應用技術，激發學生的學習興趣，提高實踐創新能力[10]；在應用方面，依托于課程所學內容，成績優秀的學生在后續的學科競賽、大學生創新項目、實訓設計和畢業設計中能夠取得不錯的成績和成果，分析和解決實際問題的能力得到較大的提升，通過實踐應用積累的經驗將為他們今后的學習和工作打下良好的基礎。表1為新建課程與傳統單片機類課程的比較。

表1 新建課程與傳統單片機類課程比較

6 結 語

教學實踐證明，本文以Arduino接口及項目開發課程為例在教學模式和內容方面的改革效果較好，能夠很好地激發學生學習的主動性、提高工程實踐和解決問題等能力，為面向新工科的專業課程改革建設提供了一定的參考，同時也為一流學科建設打下良好基礎。課程改革不可能一蹴而就，在后續教學工作中需要不斷地完善和優化課程內容，持續提升教學質量和人才培養質量，促進專業課程體系的優化與完善。