物聯網慕課課程建設的探索與實踐

陳積明　史治國　賀詩波　趙成成

［摘 要］隨著物聯網領域的快速發展，社會對物聯網技術相關人才培養提出了更高要求。在“互聯網+教育”時代，做好物聯網課程的在線教育具有重大意義，但如何根據“兩性一度”的標準建設物聯網線上金課以保證線上教學質量是一個巨大挑戰。該研究以作者在愛課程平臺上開設的“DIY智慧小屋：帶你玩轉物聯網”課程為例，以設計一個生活中的物聯網應用系統案例為主線，實現學生線上學習與線下實踐的有機融合，并通過激勵策略的設計引導更多的學生完成全部課程學習，全方位踐行“兩性一度”金課標準要求。這門在線課程的相關數據表明，作者的課程設計與激勵舉措取得了顯著的教學成效。

［關鍵詞］在線教育；慕課；物聯網；兩性一度

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）03-0018-04

一、開展在線教育和慕課建設的重要性

2019年，教育部啟動實施一流本科課程“雙萬計劃”，明確將線上一流課程作為建設重點，同時推進線上線下混合式一流課程建設[1]。2021年3月，國家發展改革委等28個部門和單位聯合印發了《加快培育新型消費實施方案》，明確提出由教育部牽頭負責有序發展在線教育[2]。可以預見，在很長一段時間內，線上教學將作為重要的教學模式被采用。此外，線上教學能夠在很大程度上突破空間、時間、受教育者年齡和教育環境等方面的限制，有效促進教育公平。

慕課是指大規模開放線上課程，最早的慕課是2006年麻省理工學院的開放課程項[3]。如今，慕課已經成為在線教育的代表，既能夠在一定程度上解決不同學校教育資源不同的問題，也能夠在一定程度上將教師從課堂中解放出來，使其有精力更加注重教學內容的優化，花更多的時間與學生深入探討問題。目前，國內外一些流行的慕課平臺如Coursera， Udacity， edX， 愛課程等已經幫助成千上萬的學生獲得了他們想要的知識。

教育部原部長陳寶生表示，融合了互聯網+、智能+技術的慕課就是在現代信息技術快速發展的大勢下孕育而生的，引發了學習方式、方法的積極改變，正在成為推動高等教育變革的重要引擎[4]。因此打造高品質慕課，是當前大學教學的重要任務之一。本文以筆者在愛課程平臺上開設的“DIY智慧小屋：帶你玩轉物聯網”課程為例，分享新形勢下慕課教學的經驗，重點介紹所開設慕課的特色內容、課程的教學設計、課程的教學策略和師生互動經驗以及目前取得的教學成果和實踐經驗等。

二、物聯網慕課課程開發的相關背景

（一）物聯網行業隨著國家相關政策的不斷頒布實施而快速發展

2020年，國家提出加快新型基礎設施建設（新基建）的進度，包括5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網七大領域。國家發展改革委和工信部發布了《關于組織實施2020年新型基礎設施建設工程（寬帶網絡和5G領域）通知》，提出了物聯網建設的具體要求。此外，全國多個省市出臺了相應的政策文件，比如《深圳市新型智慧城市建設總體方案》、重慶市的《關于統籌推進城市基礎設施物聯網建設的指導意見》、《北京市5G產業發展行動方案（2019年—2022年）》、《上海市推進新一代信息基礎設施建設 助力提升城市能級和核心競爭力三年行動計劃（2018—2020年）》。這些政策文件都將物聯網列為重點發展的任務。國家政策的引導和支持，促進了物聯網行業的快速發展。

根據Statista數據顯示，全球物聯網設備在2020年達到310億個，2025年將增加至740億個，而中國將是最大的物聯網連接市場，中國的物聯網設備占比接近全球的30%[5]。

（二）物聯網人才培養遇到了瓶頸

和物聯網行業的快速發展不同，物聯網人才的培養卻遇到了瓶頸。2018年出版的《物聯網時代：新商業世界的行動解決方案》認為，咨詢公司HIS預測后五年，物聯網人才需求量會達到1000萬人以上[6]。物聯網從業者需要具備不同領域的知識技能，如硬件設計、嵌入式系統、軟件開發。此外，物聯網技術在迭代中快速發展，隨著知識結構的變化，應用場景也在不斷創新。而現有的物聯網人才培養模式面臨著課程講授內容相對陳舊、知識與工程結合不緊密以及實踐能力培養缺乏等問題。

（三）急需開發高質量的物聯網慕課課程

隨著物聯網人才需求的急劇增加，各種在線教育平臺上相繼出現了與物聯網相關的課程，其中僅愛課程平臺上就有252門物聯網相關課程。但是文獻[3]指出這類課程往往存在缺乏系統教學、知識結構陳舊、理論與實踐脫節和缺乏師生互動等不足。

在“DIY智慧小屋：帶你玩轉物聯網”這門課程中，我們嘗試以設計生活中的一個物聯網應用系統為案例，在教學設計中將理論和實踐緊密結合起來，激發學生的興趣和學習熱情，并通過設置多種形式的激勵措施和全方位的互動環節，及時給學生答疑解惑，使學生樹立課程學習的信心和目標。

三、理論結合實踐的物聯網慕課課程教學設計

（一）以智慧小屋為案例的物聯網開發實踐

我們利用一個典型的物聯網系統應用場景——智慧小屋，通過智慧小屋所涉及的物聯網設備、功能等實現智能家居的若干功能。在這一過程中，我們簡化了一些智能家居系統的典型場景，最后將智能溫度控制、智能照明控制、空氣自動凈化、自動灌溉、燃氣泄漏報警五個場景濃縮成一個微型房屋模型。

（二）理論與實踐結合的章節內容設計

從圖1可以看出本課程在章節內容安排上充分考慮了理論與實踐并重的特點。前兩章首先介紹物聯網和云平臺的基礎知識，隨后轉向實踐部分。第三至第九章以智慧家居應用場景為載體，同步進行物聯網軟硬件知識介紹和智慧小屋實踐。最后三章對物聯網前沿知識進行了更為深入的介紹，進一步提高學生的物聯網理論水平。上述理論與實踐并重的課程設計在提高學生動手能力的同時，還能通過實踐環節加深學生對理論知識的理解，對于學生掌握物聯網知識點效果顯著。

（三）理論和實踐的講義編寫與教材出版

課程團隊為理論部分和實踐部分的學習分別編寫了講義，特別是在課程配套操作手冊詳細地介紹了課程中涉及的嵌入式設備的系統組成、硬件規格、硬件設備接線以及安裝時的一些注意事項。講義深受學生歡迎，截止到2020年底，實踐部分的講義已經累計下載了2500余次，理論部分的講義也由浙江大學出版社出版，這兩部分講義的網頁截圖如圖2所示。

（四）從硬件到云端的全棧式物聯網實訓

在智慧家居的應用場景中，實踐環節包括從硬件到云端的全棧式物聯網實訓。硬件層面的實訓對應課程的第三、第四、第五、第六章內容。通過學習，學生能夠了解Arduino嵌入式平臺，如圖3所示，嵌入式開發所依賴的一些庫函數、IDE工具以及從嵌入式程序編寫到系統調試的所有操作步驟，并且自己動手完成相應的任務。云端層面的實訓對應課程的第七、第八、第九章內容。通過學習，學生能夠了解設備數據上云后如何使用阿里云物聯網平臺提供的IoT Studio快速進行應用程序開發，包含平臺中的設備導入/調試、服務構建、Web搭建和App搭建等，并完成云端功能的實現。

（五）“兩性一度”標準的全方位體現

教育部高等教育司司長吳巖提出的“兩性一度”金課標準，指的是高階性、創新性和挑戰度。本課程的教學設計全方位體現了這一標準。其一，高階性是要培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。本課程對智慧小屋的系統設計，全面綜合了電子線路、數字系統、通信原理等多方面知識，鍛煉了學生解決復雜問題能力，體現了高階性。其二，創新性是指課程內容要反映前沿性和時代性，教學方式體現互動性。本課程將業界最新的成果引入課堂，學生通過自己開展探究式學習與實踐，教師和學生通過多種方式進行線上線下互動，體現了創新性。其三，挑戰度是指課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著，這在本課程中也得到了充分體現。本課程要求學生不光要聽課，而且要能夠自己動手制作硬件實物，進行嵌入式和云平臺編程，對學生學完本課程有著較強的挑戰性。為了提高學生學習的積極性，我們也采取了一系列的激勵措施，并取得了不錯的師生互動效果。

四、在物聯網慕課課程教學中采取的激勵策略

學習慕課課程的學生在沒有外力驅動的情況下容易放棄學習[7]。針對這一典型問題，課程團隊希望通過設置實踐環節增強課程趣味性，通過多元激勵機制鼓勵學生堅持學習、掌握相應知識點，并取得好成績和預期成效。

（一）積極鼓勵學生動手實踐

課程團隊準備了完善的開發手冊和軟硬件范本。鼓勵學生搭建實際系統，在軟硬件協同開發中學習和進步。選課的學生可以將自己制作的智慧小屋成果上傳到討論區，課程團隊給予總成績最多10分的加分。這一舉措效果良好，許多學生都積極制作自己的智慧小屋并上傳小屋模型的圖片和視頻（見圖4）。

（二）師生積極參與討論區互動

師生積極互動有利于慕課內容的傳播[8]。因此，課程團隊的教師和助教們在討論區與學生積極溝通，回答疑問。許多學生都選擇將學習中遇到的困惑、制作小屋時遇到的困難分享到討論區中。課程團隊每天都安排教師和助教上線及時為學生答疑解惑。對于經常提問并在討論區討論學習相關話題的“活躍王”，課程團隊還給予平時成績1—2分的獎勵。截止到2020年底，討論區中的回復/評論數量超過3萬條，教師答疑區和綜合討論區的所有帖子都有課程團隊的回復。

（三）發放阿里云GXIC技能學習證書

課程團隊通過和阿里云合作為課程成績達到優秀等級的學生免費發放阿里云GXIC技能學習證書，激勵學生努力學習并爭取得優秀成績。目前已經有超過700名學生通過自己的努力學習獲得了阿里云GXIC技能學習證書。

（四）提供AZFT聯合實驗室實習資格

由阿里巴巴-浙江大學前沿技術聯合研究中心（AZFT）物聯網實驗室為每學期課程成績排名前10的學生提供實習機會。目前已經有2個學期的20名學生參與了物聯網實驗室的實習課題，實習的研究內容有Lora定位、車聯網總線協議等。物聯網實驗室為參與實習的學生提供生活保障并發放實習證明。

五、物聯網慕課課程實施情況與成效

從2019年9月首次開課到本文寫作時，“DIY智慧小屋：帶你玩轉物聯網”慕課已經開設了3個學期，有超過3.5萬人選課，在課程推廣、輻射全國、走向海外以及提高學生在線學習效率方面取得了一定成績。

（一）推出英文慕課，上線國際教學平臺

此外，2020年4月，愛課程國際平臺上線，本課程的英文版入選首批193門精品慕課并面向全球開放，通過云端漂洋過海為全球學習者提供高質量教學資源，為世界高等教育提供“中國智慧”、貢獻“中國力量”。到本文寫作時本課程英文版已經完成了2個學期的教學。

（二）在同類物聯網課程中，本課程單學期最多選課人數遙遙領先

截止到2020年底，本課程單學期最多選課人數已經突破2.5萬人。圖5是愛課程平臺上主流物聯網慕課的單學期最多選課人數對比情況，可以看出本課程在其中處于絕對領先地位。

（三）學生好評連連

截止到2020年12月，本課程累計獲得324條評價，評分達到4.7分（滿分5分），高居計算機大類慕課前列。許多學生都在評價中提到本課程有豐富的實踐機會和詳細的指導，教學實例貼近生活，教學內容有趣有用。

（四）被幾十個學校選作線上教學課程

本課程在智慧樹網上線后，截止到2020年12月，已經有37個學校申請將本課程作為線上教學課程，累計有4315名學生通過學習本課程獲得自己學校的學分，累計互動2.82萬次。本課程將浙江大學的優質教育資源通過在線網絡分享給了中西部高校。

（五）課程的學生留存率明顯提高

課程的學生留存率是指完成全部學習的學生人數除以選課總人數。本課程的學生留存率達到了2.0%，明顯高于同類課程，將知名慕課數據結構公布的1個學期的數據[7]和本課程第二學期的數據進行對比，可以得到下表。

對上表數據進行分析可知，2門課程中觀看了首個視頻、完成首次測驗的學生占選課學生總數的比例相近；但是對比完成最后視頻觀看、最后測驗的學生人數占比，本課程是數據結構課程的數倍。此外，取得本課程優秀成績的學生人數占比也遠高于其他物聯網主題慕課?？傇u合格的學生中，有接近80%的學生達到了80分以上（優秀等級），給予阿里云GXIC技能學習證書和物聯網實驗室實習機會大大調動了學生學習的積極性。通過上述分析我們發現，課程團隊采用激勵策略后的師生互動取得了較好的效果，吸引了更多學生堅持學習并取得較好的課程成績。

六、結語

在物聯網慕課的開設過程中，課程團隊總結了一些經驗，可以歸納為2個方面：其一，在線教育需要從頂層設計上保障實踐教學質量。物聯網領域的知識結構和人才需求導向決定了物聯網課程需要大量的實踐環節，而選修在線課程的學生難以直接獲得教師在實踐環節上的指導和督促，實踐教學的質量難以保證。本課程高度重視實踐環節，在教學設計上將理論知識和實踐操作進行有機融合；課程團隊還編寫了實踐操作手冊，積極參與互動，大為減少了學生因缺少指導而放棄實踐的現象。因此，許多學生通過本課程學習完成了基本的物聯網系統開發，但是我們也發現依舊存在不少學生半途而廢的情況，需要在后續開課中想辦法加以改善。其二，適當的激勵有助于保證在線教育質量。課程團隊在開課之初考慮到學生缺乏線上學習自覺性這個情況，因此采取了具有吸引力的獎勵措施。本課程最終的選課人數、學生留存率、優秀通過率都明顯高于同類慕課。這說明采用有效的激勵機制能夠激發學生學習的內驅力，提高課程的教學質量。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 關于政協十三屆全國委員會第三次會議第2807號（教育類260號）提案答復的函[EB/OL].[2021-08-26].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_gaojiaosi/202011/t20201123_501341.html.

[2] 發展改革委，中央網信辦，教育部，等.加快培育新型消費實施方案[EB/OL].[2021-08-26].http：//www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5605113.htm.

[3]? ?SHI Z G，CHEN J M， HE S B. DIY smart house ： exploration and practice of iot mooc education International[C/OL]. Delft：Conference on Computer Science and Education， 2020：557-560.

[4] 教育部. 合作共贏 開創數字教育新局面：世界慕課大會召開[EB/OL].（2020-12-11）[2021-08-26].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/202012/t20201211_5

05017.html.

[5] Statista全球統計數據庫[DB/OL]. https：//www.statista.com.

[6] 馬切伊·克蘭茲. 物聯網時代：新商業世界的行動解決方案[M]. 北京：中信出版社， 2018.

[7] 陳越，何欽銘.數據結構MOOC實踐[J].中國大學教學，2015（12）：46-50.

[8] 歐陽康，張夢，趙貝斯特. 慕課教育教學和知識傳播研究：以“哲學、文化與人生智慧”慕課為例[J].中國大學教學，2020（11）：85-89.

［責任編輯：龐丹丹］