基于物聯網工程專業的高級語言程序設計教學方案

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為了提高物聯網工程專業的編程學習成績，提出了一種有效的高級語言程序設計教學方法，開發軟件使用技能，將智能信息技術融合到現有的物聯網行業中，以促進智能信息化。

[關? ? 鍵? ?詞]? 學業成績;教學方法;就業率

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2022）34-0058-04

一、前言

物聯網（IoT）與人工智能（AI）、區塊鏈、第四次工業革命（工業4.0）都是未來最有發展空間的技術。隨著工業和社會通過ICT技術實現計算機化和自動化，編程能力的重要性正在逐步凸顯。

編程基于創造性和科學邏輯，通過程序語言來實現解決問題方案的自動化過程。進入工業4.0時代，軟件不僅占據了工業和教育領域，而且還占據了現實生活，編程技能顯然已成為最為重要的能力之一。要在工業4.0時代提升競爭力，利用ICT的能力和編程實現的能力是不可或缺的，這也直接影響著未來的就業。本文旨在尋求可用于學生就業和學業指導的教育措施，通過開發編程學科教授物聯網工程專業各種發展的教學方法，提高學生對編程領域的興趣，從而提高就業率。首先，我們希望通過開發教學方法，加強物聯網工程專業學生的自主學習。其次，我們希望開發最佳的教學方法，使物聯網工程專業學生能夠在提高編程領域興趣的策略下，提高編程相關學科的學業成績。

為了在融合時代成長為核心人力資源，學習計算原理和技能以培養創造性和高效解決問題所需的能力非常重要。教育、科學和技術部也提出了一項未來教育政策，強調融合思維和創造性問題解決。程序是計算機可以理解的問題解決形式，相關高級語言程序設計課程旨在培養算法思維和解決問題的技能，旨在幫助學生通過簡單的語法表達豐富的想象力和創造力。這種程序教育應該只是針對程序或編程本身的教育，可以引導學生通過編程解決他們在現實生活中遇到的問題。工程教育認證以“學生中心、產出導向、持續改進”為基本理念，以培養學生“解決復雜工程問題”能力為根本定位[1]。

程序設計教育的主要目標：首先，學生可以理解一個框架，該框架監督如何將信息輸入計算機、如何處理輸入信息以及如何輸出處理結果等所有問題。其次，學生可以發展更高的思維技能，如邏輯思維、解決問題、創造力和創造性活動。最后，在工業4.0時代，發展編程技能可以提供廣泛的職業選擇。提高編程教育效率的因素包括課程、教學方法、教師素質、學生編程興趣和信心、學生對編程價值的認識和學習動機。編程課程可以提高識別邏輯關系和找到解決方案的反思性思維能力，提高產生不同想法的增殖性思維能力，以及學生發現解決方案的信心和獨立性。教師應該開發各種與編程相關的教學方法，引領學生通過自主學習提高編程學習成績，同時考慮學生的學習動機、積極的學習觀念、自我效能感以及學習的滿意度和意識。

二、物聯網工程專業高級語言程序教學方案

學生需要在教師的引導下進行協作或自主地實施面向對象語言的高級編程，在編程過程中重點關注每個專業課程中的實際問題和情況。為了克服物聯網領域技術進步的局限性，軟件技術在未來ICT行業中的重要性越來越突出。

為了強調編程教育，以便為物聯網工程專業學生提供足夠的編程能力。本文提出以下觀點：開發有效的程序設計教學方法，包括如下五個主要階段。

第一階段：通過編程學習計算機知識、信息和功能，培養解決問題的技能。

第二階段：在探索編程問題的過程中，培養創造性利用能力，自行解決問題。

第三階段：通過自由解決軟件相關知識結構或內容的問題，發展自我開發能力。

第四階段：通過實施以自我導向方式設計的項目，培養實踐能力。

第五階段：強調軟件的重要性，開發編程能力，以克服未來ICT行業電子技術進步的局限性。

所有這些階段或步驟都有助于教育工作者設計他們的編程教學方法。通過開發與編程相關的教學方法，提高物聯網工程專業學生的興趣、價值認同、學習動機、編程信心和興趣，促進物聯網課程中有效的編程教育。

首先，在物聯網工程專業的一年級，采用講座式教學方法和互動式教學方法舉辦講座，以培養解決問題的能力。其次，編程學科是一門核心學科，如果學生在低年級對編程失去興趣，他不僅會放棄編程領域，還會放棄相關的物聯網工程專業，因此需要有效的特色教學方法。最后，編程課程應根據物聯網工程的基本概念和原理抽象出各個領域的問題，設計解決方案，能夠理解計算系統的有效資源管理方法，培養編程軟件實現和自動化的能力，從而在物聯網工程的各個領域創造性地實現復雜問題的解決。此外，教科書應以學生為中心和目標導向的教育角度進行研究開發。

隨著工業4.0進入一個連接人、物和空間的超智能社會，人工智能、機器人、物聯網和虛擬現實等服務正在改變學生的生活方式。在這種環境下長大的學生通過事先獲得編程知識，熟悉編程，同時自然認識到編程課程的重要性。高校計算機基礎教育階段的首要任務是“培養大學生的計算思維能力”，我們在第一學期開設了C語言程序設計，第三學期開設了Python程序設計和Java程序設計，第六學期開設了高級語言技術實訓課程，而這些高級語言中包含了大量的解決問題的算法及思維模式[2]。表1（見文末）是物聯網工程專業的主要課程教學進度表。

云計算、大數據、人工智能以不可阻擋之勢席卷而至，而這些現代數字技術無一能離開程序的設計。C語言是一門結構化程序設計語言。它是人工智能、計算機科學與技術、軟件工程、電子信息工程、物聯網工程等專業的一門非常重要的編程語言，兼有高級語言和低級語言的功能。C語言實踐性很強，學習它既要掌握概念，又要動手編程，還要上機調試運行。它不僅可用于編寫應用軟件，還可以編寫系統軟件以及嵌入式系統。目前流行的面向對象程序設計語言，如C++、Java、C#等都是在C語言的基礎上發展派生而來的。C語言可以用于開發比較底層的東西，比如驅動、通信協議之類，在Unix和Linux環境中也是不可或缺的，另外，在嵌入式領域也大有作為。Python是Guido Rossum于1989年創建的面向對象編程語言。Python語言的語法簡潔、自然而優雅，具有易于學習、易于使用、易于移植和資源豐富等優點，成為云計算、大數據、人工智能的首選語言。它是復雜應用程序快速原型設計的理想選擇。它有許多操作系統調用和庫的接口，可以擴展到C或C++。許多大公司使用Python編程語言，包括NASA、谷歌、YouTube、BitTorrent等。現階段，高校普遍將它作為計算機相關專業的一門主干課程。Java是一種高級的、基于類的、面向對象的編程語言，其設計目的是盡可能少地依賴于實現。它是一種通用編程語言，旨在讓程序員編寫一次，隨時隨地運行，這意味著編譯后的Java代碼可以在所有支持Java的平臺上運行，而無須重新編譯。Java應用程序通常編譯為字節碼，可以在任何Java虛擬機（JVM）上運行，而不管底層計算機架構如何。Java的語法類似于C和C++，但其底層功能比這兩種語言都少。Java運行時提供了在傳統編譯語言中通常不可用的動態功能。據GitHub統計，截至2021年，Java是使用中最流行的高級編程語言之一，特別是對于客戶端-服務器web應用程序，據報道有900萬開發者。IEEE Spectrum 2021編程語言使用頻度情況如表2所示。由其可知，Python，Java和C語言使用頻度穩居前三名。

傳統的計算機課程教學方法主要以教師為中心。教師在全班面前提供大部分信息，而學生在學習中被動地傾聽和吸收，主要使用書籍作為學習和記憶的來源。因此，學生無法理解所學課程的應用，因為他們主要是記憶知識，而不是搜索和應用知識。雖然這在過去可能奏效，但新的現實要求計算機課程的學習方式發生范式轉變。應采用以學生為中心的PBL教學方法，使學生能夠應對這一現實。基于問題的學習（Problem Based Learning，PBL）為學習者提供了真正的機會來培養主動學習能力，促進批判性思維發展，支持知識構建，并將學習與現實問題聯系起來。

PBL自從20世紀70年代初推出以來，它已在世界各地的各種本科課程中使用。在PBL中，學生必須學會應用知識，而不僅僅是獲取知識。PBL是一種以學生為中心的教學策略，用于促進主動學習。PBL旨在培養不僅記住理論，而且知道如何以及何時應用理論的學習者。PBL源自這樣一種理論，即學習是學習者主動建構知識的過程。學習是學習者行動的結果;教學只有在能夠促進建設性活動開展的情況下才能發揮作用。教師不是簡單地講授解決方案，而是向學生介紹或確定他們自己的問題，這些問題推動了他們的探究和學習過程。PBL的理論基礎是建構主義。建構主義是一種認知學習方法，強調學習者先前知識的重要性。建構主義以相反的思想設計教學過程，即“在解決問題的過程中學習”。當學生能夠將新信息與他們已經吸收的知識和經驗聯系起來時，學習就會發生。教師可以根據教學內容設計一些有意義的問題，然后讓學生思考并嘗試解決它們。在這個過程中，教師可以提供一些支持和指導，組織學生討論和合作。教師的活動不應妨礙學生的獨立思考。在解決問題的過程中，學生根據自己的經驗構建新知識。當他們同化時，他們將新的經驗融入已經存在的框架中，而不改變該框架。在這里，學生在學習過程中發揮著積極的作用。這種方法有利于培養學生的創造性思維能力和解決問題的能力。布魯克斯在1999年提出了以下建構主義指導原則，他們將學習視為一個主動過程，并將其分類為：（1）學習是一個主動的過程（心理或身體）;（2）學習是社會活動;（3）學習是情境性的;（4）學習需要知識;（5）學習需要時間。PBL要求學生在小組中共同解決現實世界的問題。PBL是一個主動、互動的過程，讓學生識別他們各自領域的已知和未知知識以及與現實生活的聯系。他們解決問題的內在動機將用于發現新知識，并應用所學知識解決給定問題。PBL可以與講座相結合，形成一種混合教學模式，幾乎可以在所有課程和科目中實施。在基于問題的學習中，學生可以提高他們的問題解決技能、研究技能和社交技能。PBL是一種教育策略，幫助學生培養成功所需的推理和溝通技能。它是一種構建課程的方法，涉及讓學生面對實際問題，從而刺激學習。PBL旨在培養學習能力，而不是為了獲取知識而學習。PBL經常以項目的形式出現，在PBL項目中，學生以團隊形式工作。學生會收到一個由學科老師設計的問題，或者學生自己設計一個問題，然后與學科教師一起檢查這是一個問題還是一個需要回答的問題。學生還將檢查教師設計的問題是否與主題字段相關、是否與現實世界相關。整個項目可以持續4或6周到整個學期。我們計劃安排兩個月的時間編寫一份書面報告，再安排2～4周的時間對報告進行更正，并為演講做準備。完成某些階段的具體截止日期將在項目期間確定。PBL課堂還包括自我評估和同伴評估。在項目完成前進行同行評估可能有助于提高持續過程和最終產品的質量。此外，學生還將評估老師，以指出老師的優勢和劣勢，這將使他們更容易適應自己的工作。PBL可以改善編程學習，增強學生的分析技能和解決問題的能力。有證據表明，與其他教學方法相比，PBL對于提高學生學習和解決問題的質量具有價值。PBL有一個問題驅動學習的學習環境，因為它的提出方式讓學生意識到他們需要獲得新知識才能解決問題。這項研究的發現將有助于我們理解學習引導式編程的困難，并為教育工作者提供一種改進編程語言教學的替代策略。通過在這些課程中采用互動式教學方法和團隊項目教學方法，重點提高學生對編程的興趣，使學生提高自我驅動能力，能夠在物聯網工程、計算機科學與技術、信息與通信工程相關領域從事物聯網感知與控制，有線/無線網絡與傳輸，軟件與信息服務的研究、開發、集成、應用以及系統規劃、分析、設計、實施、管理、運維等工作，最終提高物聯網工程應用領域的就業率。

三、結論

本文提出有效開展物聯網工程程序設計課程的教學方法，幫助學生理解解決實際問題的思路和方法，提高學生計算思維、創新思維和編程技能，進而提高物聯網工程專業的教育質量，促進學業成績和就業，最終培養具有硬件設計和軟件開發能力的復合型人才。

參考文獻：

[1]施炯，李君.面向工程教育認證的物聯網工程專業課程體系構建[J].寧波工程學院學報，2022，34（1）：103-108.

[2]唐彩紅.基于計算思維的計算機程序設計課程教學改革研究：以C語言為例[J].教育現代化，2019， 6（29）：100-101.

本文受宿遷學院人才引進科研啟動基金（項目批準號：106-CK0004296）資助。

作者簡介：許鵬飛（1980—），男，漢族，工學博士，講師，美國加州大學戴維斯分校訪問學者，研究方向：智能信號處理。