工程教育認證推動下RFID技術課程教學改革

張文博，包振山，方 娟，蔣竹君

（1.北京工業大學 信息學部；2.北京工業大學 創新創業學院，北京 100124）

0 引言

當前，發展物聯網技術已成為世界各國科技發展主要戰略之一［1］。我國要求雙一流高校培養的人才是能夠迅速掌握新知識、能夠靈活運用多領域知識、能夠以典型應用為驅動設計和集成各類技術的創新型、復合型人才［2］。

北京工業大學2011年9月獲批開設物聯網工程專業，2012年開始第一批招生，是最早申辦該專業的地方院校。隨著物聯網技術的發展以及其在人們日常生活、生產中應用的廣泛深入［3］，物聯網工程專業已成為國內各大高等院校爭相開設、學生爭相報考的熱門專業。特別是在以工程教育認證為核心的工科畢業生培養需求下，如何通過“核心課程”的教學改革，深入貫徹人才培養要求，是當前工程類專業建設亟待解決的問題。

自該專業建立以來，關于物聯網工程專業人才培養的教學研討一直未間斷過。比如，文獻［4-5］分別從人才培養和實踐教學體系構建方面展開研究，但也提到若要在眾多專業中脫穎而出，還需要從其核心課程入手進行深度教學改革，只有下功夫精耕細作打磨核心課程才能從根本上提升專業人才培養質量。教育部將核心課程的榜樣設定為“金課”，其特點被歸結為高階性、創新性和挑戰度（簡稱“兩性一度”）［6］。然而，針對物聯網工程專業某門核心課程，如何打造“金課”的研究則相對較少。

RFID技術是物聯網系統構建的基石，RFID技術課作為物聯網工程專業的核心課程，在整個課程體系中處于專業基礎必修課的地位。文獻［7］強調提高課程教學站位的重要性，文獻［8］給出物聯網工程專業課程實踐研究設計，但落實到RFID技術課程實踐教學中仍有一定距離。主要原因是傳統教學模式已無法滿足新型物聯網工程專業人才培養要求，主要體現在：①課程涉及知識面廣、新技術更新速度快導致難題1——知識覆蓋面大，課時不夠用；②以應用為驅動的、系統集成能力強的復合型人才培養導致難題2——需要結合典型應用培養系統化頂層設計能力；③對創新型、工程實踐能力挑戰強度大導致難題3——需要在課堂教學中植入創新思維訓練［9］。

針對上述問題，本文的創新性主要體現在：針對RFID技術課程特點，以達成工程教育認證的畢業要求［11］為突破口，提出RFID技術課程教學目標，并基于專業認證思想重塑課程教學目標和總體規劃；然后在RFID技術教學活動設計中，以復雜工程問題解決能力達成作為教學目標［11］，引導學生進行學習能力鍛煉、以學-賽-研為主線貫穿式提升學生創新能力；最后在RFID技術教學實施過程中，積極探索混合教學模式、以學生為中心的翻轉課堂設計、層次化遞進考評機制等系列舉措，教學實踐效果良好。

1 RFID技術課程教學目標

此次教學改革是在本專業爭取“工程教育認證”的背景下完成，該過程從人才培養目標入手，根據畢業要求相關規定，以“兩性一度”的金課建設目標為指引，對教學改革做了整體設計，而后設定相應的教學目標和實踐目標，規劃課程教學內容和實踐教學內容，并由此建立起相應的考核評價體系。

1.1 基于專業認證的RFID技術課程教學改革總體設計

在工程教育專業認證思想的引領下，研究團隊針對RFID技術課程面臨的3個難題重新梳理了物聯網工程專業畢業要求，并對此次課程教學改革做了總體框架設計。

如圖1所示，課程教學改革總體設計包括如下幾個方面：①以“兩性一度”作為課程建設目標；②由課程目標和畢業要求進行課程規劃；③根據課程規劃要求對教學活動進行設計；④根據教學活動設計方案在教學中進行實施；⑤評估教學實施結果并反饋到課程建設規劃環節。

Fig.1 Overall design framework of teaching reform圖1 教學改革總體設計框架

1.2 基于培養目標與畢業要求的課程教學目標

教學目標：能夠將RFID技術的基本概念、基本理論、基本方法應用于物聯網系統設計，了解RFID技術的最新研究進展。如表1所示，教學目標分解為3個子目標，且分別對應3個畢業要求拆分的具體指標點。根據畢業12條相關約定，該課程也從不同層面給予支撐，從而達成本專業設定的總體目標。

Table 1 Corresponding relationship between course objectives and graduation requirements split index表1 課程目標與畢業要求拆分指標點的對應關系

2 RFID技術課程教學活動設計

根據教學改革規劃，在本輪教學活動中，將教學內容歸納為3個層次，通過設定各層次的課程內容、教學理念、授課方式和考核機制，從而達成教學改革的規劃目標。RFID技術課程教學活動設計思路如圖2所示。

Fig.2 Design ideas of teaching activities for RFID technology course圖2 RFID技術課程教學活動設計思路

2.1 以復合型人才培養為目標的教學內容設計

為了達成以應用為驅動、復合型人才培養目標，有效解決當下“難題2——需要結合典型應用培養系統化頂層設計能力”的問題。在此輪教改中，教學內容設計加強了應用能力訓練，主要內容包括：優化課時分配和實踐環節。

（1）優化課時分配。壓縮線下理論講授學時，增加互助討論，增加自學環節、強化團隊互助學習模式；教改后，線下理論課學時大幅度壓縮（24→16學時），其余內容借助線上平臺組織學生在課余時間進行學習。此外，大幅增加了討論課學時（4→12學時），鼓勵通過團隊互助學習模式，對課程內容進行有效延展，特別是如何對創新思維模式加以應用。

（2）拓展實踐空間。將實驗過程與理論教學密切結合，打消課程間壁壘，貫穿式培養模式拓展實踐空間；團隊將課程內容與實踐環節密切結合，在3個階段的教學內容中均配比了相應的實踐，雖然看似實踐學時仍是8學時，但通過將課程內容與物聯網專業課程設計、學科競賽和畢業設計的有機銜接，有效延展了實踐的質量和容量。

2.2 以工程實踐為牽引的學習能力鍛煉

如上所述，在此次教學設計中增加了較多的實踐內容，因而課程上所能包含的理論教學時間相應減少。為了不影響正常教學效果，采用以工程實踐為牽引的學習能力訓練方式，在增設的課程討論環節，通過轉換課堂角色，將學生變為課堂主角，教師從課程初期的引導者漸漸過渡到更弱化的輔助角色，營造學生團隊互助學習和良性競爭氛圍。

通過兩年的初步教學實踐發現，為了達成學習目標，更多學生愿意花更多時間在課程學習中。同時，相同考點的對比也顯示，學生對知識點的掌握程度大幅提升。

2.3 以學—賽—研為突破的學生創新性激發

RFID技術是一門內容隨技術演進發展較快的課程，該課程對于工程應用能力要求很高，在國內外知名競賽中應用較為普遍，也有不少很好的產學研課題。然而，學時有限，很難在一門課解決所有問題，從整個專業培養角度看，時間得以有效拓展。因此，在這門課程的創新性培養方面，研究團隊與后續課程“物聯網專業課程設計”建立起直接關聯、與學科競賽建立起關聯，并與教師相關科研項目和畢業設計課題相關聯。

經過若干年積累，在這兩輪教學過程中，教師在課堂上將學長和學姐的競賽作品、科研項目和畢業設計給學生觀摩并作講解，學生對這些作品表現出更大的興趣，也進一步激發了他們的創新性。

3 RFID技術課程教學實施過程

上述教學改革思想，在北京工業大學2020年度和2021年度的RFID技術課程教學過程進行了兩年初步試水。在教學實施中主要從“混合式教學模式探索”“混合模式的翻轉課堂探索”和“層次化遞進考核方式探索”3個方面展開。

3.1 探索并實踐混合式教學模式

在本輪教學改革探索中，研究團隊充分應用學校配備的“日新學堂”門戶及手機端學習通平臺，打造起線上—線下聯動的混合教學活動模式。

上課前，利用線上平臺發布簽到、發言/彈幕及定向推送相關視頻等活動進行意向摸底，通過實時線上測試考察自學情況評估。在課堂上，教師講解重點內容、引導主題討論并對疑難問題進行解答。在課后，借助線上線下結合的方式，搜集學生反饋及作業情況統計，在后續課程中對內容進行微調、對教授方式進行改變。

3.2 以學生為中心的翻轉課堂設計

為了貫徹“以學生為中心”的課堂教學思想，在近兩年的翻轉課堂教學方案中，主要針對“典型RFID技術應用案例&研究進展”部分進行了探索式教學。

3.2.1 翻轉課堂內容設計

翻轉課堂環節處于教學活動的第3層次，在該層次中更強調從應用場景分析入手，根據需求找到契合的技術。為了達成課程教學效果，做了如下內容設計：①預熱階段，旨在通過介紹國內外相關高水平競賽和相關科研項目激發學生興趣；②對壘階段，組織學生以3-5人為團隊通過1～2周完成匯報準備工作；③展示階段，團隊在10min內完成產品展示，并在后續的5min內接受提問和質疑；④評估階段，組織完成“生生互評”和“教師點評”環節，并給出得分。

此外，為了提升翻轉課堂的“兩性一度”，專門對RFID技術在高水平會議和期刊上發表的RFID技術相關論文中的技術點應用進行特別加分獎勵，以鼓勵學生將學界最新推出的技術成果應用于真實場景。

3.2.2 翻轉課堂規則設計

為體現公平性原則，規則設計由師生共同商討制定，其基本規則包括：①生生互評與教師點評結合：教師針對各組技術特點進行分析解讀，每個學生評價除本團隊以外的其他團隊，最后“生生互評”與“教師打分”作歸一化處理得到該組成績；②增設特別獎項：在創新性、技術難度和展現方式上增設特別獎勵，由學生投票選出，得票最多的組獲勝。

經過后期問卷調查，在前兩年的試運行中，學生認可上述規則并愿意在這項活動中投入更多的時間和精力。

3.2.3 翻轉課堂反思與分析

在上述教學活動完成后，教師對所有作品進行梳理和分析，主要關注以下幾方面：①對作品的再提煉：選擇其中具有潛力的部分作品進一步培養和提升，推薦其參加各類大賽或應用于真實科研項目中；②對學生的反思：受周邊環境影響，學生也在不斷變化，及時捕獲到他們的改變才是未來教育的方向，而每一屆學生的作品最能展現他們關注點的變化，而這些作品是更貼近于下一屆學生的教學案例；③對教學的反思：通過學生的作品，可以很明顯地感覺到此輪教學的亮點，同時也會發現一些盲點，整理這些內容將能有效提升教學質量。

以經典章節“防碰撞協議”為例，這部分內容歸屬于第二部分“RFID系統設計”中，原先2個學時的課程講授顯得并不充足。而在此次教學改革中，教學團隊與之前在“數據通信原理”和“計算機網絡”兩門課程中講授的內容貫通，首先引導學生回顧“信道復用”和“放沖突檢測算法”的內容，學生在課前進行預習和基本測試；而后，課堂教學環節采用研討模式分析，學生分組討論“基于ALOHA”和“基于二進制樹”的差別及應用領域，每種技術演進規律及后續發展情況。之后安排一個學時教授環節，主要用于強調本節重點內容、介紹該領域的最新研究成果（包括基于ALOHA的動態調整幀長和計算最優幀長、基于二進制樹的查詢優化等研究）、復雜環境下的處理方法（包括基于聯系移動掃描的識別機制、標簽移動時的識別機制、多閱讀器場景下的識別和基于物理層信號的識別機制）。經過近兩年的教學實施結果評估發現，學生對于這部分知識的掌握能力明顯提升，對于解決實際問題的興趣明顯增加。這主要體現在，學生在后續翻轉課堂環節會應用這些最新技術，并通過分析具體實際要求采用不同的算法。由于對課程內容認知深度的增加，學生們的部分優秀作品被學校推薦參加國內外知名競賽或應用在真實科研項目中，因此受到了較高的課堂認可度。

4 層次化遞進考核方式探索

期末復習和考核的價值不僅限于卷面分數，它對教師和學生都具有重要意義和價值。為了達成課程學習目標，有必要將復習和考核變為整個課程學習階段的一劑“強心針”，有效提升過程考核效果。在此次改革中，研究團隊從“設計多元化考試方式”和“積極探索師生共同參與期末出題的形式”兩個方面入手，以下將分別介紹。

4.1 針對過程考核的多元化考核方式設計

本課程確定了涵蓋“基本技能層”“系統設計層”和“應用與實踐層”3個層次的教學目標。為了有效評價這些課程目標的達成度，此次教學改革采用針對整個學習全過程的多元化考核方式。如表2所示，針對學生課前預習及課程表現、課堂測試、課后作業、課外實踐和課程實驗多個環節進行全方位考核。

Table 2 Design of diversified assessment links表2 多元化考核環節設計

4.2 積極探索師生共同參與期末出題形式

為了調動學生的學習積極性，激發他們從被動變為主動。為了更有效地達到考核目的，課程組在考核環節創新性地提出了“師生共同出考題”的模式。

如表3所示，經過2020-2021年度的初步試水，學生很快適應了從“被動”考到“主動”考的模式。由于考題被題庫選用而成為“考核加分”的一部分，因此學生在考試前兩周就積極參與到題庫設計與討論中。很多學生設計的題目已超過之前教師團隊設計的難度，從多個維度提升考題的“高階性”和“挑戰度”。并且，學生還大膽地嘗試了開放性試題設計，這部分試題雖然經教師團隊評估后沒有被直接選入題庫，但經歷了此過程，學生獲得了比考核本身更多的能力訓練，也有效地提高了復習階段的成效。

Table 3 Examination formation mechanism contrast and analysis before and after reform表3 教改前后試卷形成機制對比與分析

5 結語

目前，隨著社會對復合型工程人才需求量的激增，國家亟需高等院校能在培養“高階性”“創新性”和“挑戰度”的人才培養方面摸索出一條行之有效的道路。在工程教育認證引領下，研究團隊針對物聯網工程專業核心課程“RFID技術”進行了深度分析，從畢業要求12條出發，構建了課程培養目標，形成了本輪課程建設總體規劃，并在課程活動設計和教學實施中付諸實踐，取得了較好效果。本文對此次教學改革實踐進行總結并提煉經驗，以期為參與工程教育認證的其他課程改革提供借鑒。