基于新工科的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)STEM人才培養(yǎng)模式研究

王青青，梁家海，袁裕發(fā)，潘敏玲

（北部灣大學 電子與信息工程學院，廣西 欽州 535000）

新工科背景下，跨學科課程建設正在引領高等工程教育的深刻變革，從“復旦共識”到“天大行動”再到“北京指南”，新工科內(nèi)涵的核心特征之一就是跨學科，其精髓是交叉融合。新工科專業(yè)的關(guān)鍵在于學科交叉融合和跨學科，科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）教育中，科學和數(shù)學屬于科學層面，而技術(shù)和工程則屬于技術(shù)層面，STEM教育同樣強調(diào)學科的交叉與融合。在核心要點中新工科的教學理念與STEM教育的理念有著異曲同工之處，但兩者融合的方向不同，新工科為專業(yè)學科的融合，STEM教育為知識層次間的融合。本研究將探索在新工科物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的建設中融入STEM教育，使新工科專業(yè)既有新工科專業(yè)跨學科的特點，又具有STEM教育強調(diào)的“基礎+技術(shù)”的特點。為此，培養(yǎng)學生跨學科意識和能力，以及能將基礎理論與技術(shù)結(jié)合的素養(yǎng)尤為重要。

一、新工科背景下STEM教育理念

（一）新工科

教育部在天津大學召開的新工科建設研討會上要求：“將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學過程，更新教學內(nèi)容和課程體系，建成滿足行業(yè)發(fā)展需要的課程和教材資源”。教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院《關(guān)于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》指出，推動學科交叉融合，著力提升學生解決復雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實施案例教學等研究性教學方法。強化學生工程倫理意識與職業(yè)道德，融入教學環(huán)節(jié)，注重文化熏陶，培養(yǎng)以造福人類和可持續(xù)發(fā)展為理念的現(xiàn)代工程師。在此背景下，如何面向國家重大戰(zhàn)略和行業(yè)發(fā)展需求，構(gòu)建跨學科課程以支撐新工科人才培養(yǎng)，是當前亟待解決的熱點問題［1］。

（二）STEM理念

STEM理念是從四個方面運用科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等知識綜合解決問題的教育理念，突出了跨學科性和融合性。我國融合STEM理念的高校教育研究起步較晚，已經(jīng)在基礎研究以及應用研究中取得了不少成果，但對于電子信息類專業(yè)的研究強度較低。楊婧等［2］構(gòu)建以“工程實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的實踐教學課堂體系、搭建“三結(jié)合、三級競賽、三導師制”的人才培養(yǎng)模式等方式探究了STEM教育理念下電子信息類專業(yè)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，對相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的促進和發(fā)展具有重要意義。STEM教育以項目教學為導向，對物聯(lián)網(wǎng)工程等電子信息類專業(yè)的培養(yǎng)目標有較強的適應性，注重創(chuàng)新型、應用型人才是我國高校新工科專業(yè)的發(fā)展方向。

二、新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)中面臨的制約因素

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標是培養(yǎng)熟悉物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中標識、感知、處理和信息傳輸四個環(huán)節(jié)，具備相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)知識，具備將基本原理及技術(shù)運用于物聯(lián)網(wǎng)及其應用系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、開發(fā)、部署、運行、維護等工作的能力，能夠從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)領域的設計、開發(fā)、管理、維護等工作的人才［3］。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)涵蓋傳統(tǒng)的計算機、電子、通信、檢測技術(shù)等專業(yè)（領域）的知識體系和專業(yè)能力，是在相關(guān)傳統(tǒng)專業(yè)的基礎上融合而成的新工科專業(yè)，該專業(yè)最早出現(xiàn)在2010年，教育部發(fā)布了關(guān)于公布2010年度高等學校專業(yè)設置備案或?qū)徟Y(jié)果的通知，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)出現(xiàn)在《2010年度經(jīng)教育部備案或?qū)徟庠O置的高等學校本科專業(yè)名單》中，屬計算機類專業(yè)，相較傳統(tǒng)計算機類專業(yè)和相近的電子類，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)辦學時間較短，在開展STEM為理念的人才培養(yǎng)模式中存在如下幾個方面的制約。

（一）教學資源利用的不充分性

教學資源是指一系列參與教學過程中的因素，比如專業(yè)相關(guān)的實驗設備、教學資料以及配套的課程設計、實習項目等。教學資源的建設是一個較長時間的規(guī)劃、設計、迭代、優(yōu)化、排錯的積累過程，目前很多的教學資源是從相關(guān)專業(yè)延伸而來，具有較強的專業(yè)針對性的資源還比較少。因此，當前國內(nèi)多數(shù)學校引進的物聯(lián)網(wǎng)實訓設備，使用場景多為基礎知識的驗證或是觀看演示效果，除了上課期間多處于閑置狀態(tài)，在實際教學中學生不易提高自主思考的學習能力以及創(chuàng)新能力［4］。教學資料一般會分為不同課程，課程之間的聯(lián)系無法很直觀地在項目中體現(xiàn)，從而導致學習的知識點無法在實際應用中連接。而STEM 理念強調(diào)以項目為導向，這必然需要將不同課程的知識點進行組合，通過構(gòu)建跨知識體系，以創(chuàng)新協(xié)作理念作為基本手段，提高教學質(zhì)量［5］。

（二）傳統(tǒng)教學方法的制約

在目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科教學過程中，主要方法依然是課堂上教師進行理論知識的講解，最終也以考試或者考查的形式進行學習成果測評。同時，一些課程會以學生講解、教師補充的形式開展，在一定程度上提高了學生的自主學習能力，但這種形式有可能局限于學生局部知識點的理解，無法面向全體學生。無論是教師還是學生講授，都面臨知識點的灌輸問題，而無法對學生思維能力有進一步的提升。對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學，主要存在兩個重點：一是由于技術(shù)更新較快，導致課本知識與當前主流技術(shù)不匹配的專業(yè)特殊性；二是人才培養(yǎng)方案體現(xiàn)的專業(yè)應用應偏向綜合實踐能力的提升。而對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實踐教學，在面向STEM教育時，應該將教學重點放到培養(yǎng)學生分析與解決問題能力、動手實踐能力、整合學科知識能力和創(chuàng)新能力［6］上。

（三）教師知識結(jié)構(gòu)及工程經(jīng)驗不足

物聯(lián)網(wǎng)工程是新專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)教師均為從計算機、電子、檢測技術(shù)、自動化等相關(guān)專業(yè)轉(zhuǎn)型而來，沒有系統(tǒng)學習物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的經(jīng)歷，教師的知識結(jié)構(gòu)不夠完整；同時，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是新興的高科技產(chǎn)業(yè)，在社會上的產(chǎn)業(yè)布局不均衡，教師參與物聯(lián)網(wǎng)實際應用項目的機會相對較少，主要是在實驗室進行驗證性及專項技術(shù)研究，綜合性應用研究還比較欠缺，在一定程度上影響了教師專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)和工程經(jīng)驗的積累，從而影響了專業(yè)的發(fā)展。

在實際工作崗位中，目前大部分專任教師都處于各課程的獨立教學，教師個人的工作量以及教學成果普遍存在差異性。而STEM教育理念對物聯(lián)網(wǎng)工程這種新工科專業(yè)教師的知識儲備、項目綜合能力、教學能力等各種綜合素養(yǎng)提出了更高的要求，同時相關(guān)課程組建教學團隊共同研討的教學資源、教學方法對人才培養(yǎng)有著重要的作用。同時，校企合作團隊引入的面向?qū)嶋H的崗位需求，與STEM強調(diào)的問題情境相對應，企業(yè)指導教師重點參與到專業(yè)實踐體系的設計［7］中，更有助于學生實踐動手能力、跨學科知識理解能力以及就業(yè)能力的提升。

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在辦學過程中存在的不足并不會因為STEM教育模式的改革而消除，但可以基于存在的不足，找出適合當前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設的STEM教育模式，使得物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量與傳統(tǒng)電子與計算機類專業(yè)同步發(fā)展，甚至超越傳統(tǒng)的電子與計算機類專業(yè)。

三、基于STEM的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)由多學科、多專業(yè)融合而來，天然具有多學科交叉融合的特性，與STEM教學模式存在一定程度的自然聯(lián)系，多學科交叉融合是STEM教育模式的核心，也是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設的靈魂，針對前述影響物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)制約因素和該專業(yè)的特點，本文提出了STEM模式下的人才培養(yǎng)框架和實現(xiàn)路徑。

（一）人才培養(yǎng)框架

在基于STEM理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中，對專業(yè)能力的培養(yǎng)分為四個層次，分別是工程知識、問題分析、設計開發(fā)、研究能力，這四個層次是依次遞進和深化的關(guān)系，在四個層次中均融入了STEM培養(yǎng)元素，并將STEM元素通過課程的形式加以實現(xiàn)。在工程知識方面，學生能夠運用自然科學知識、數(shù)學基礎知識以及電子技術(shù)類工程、語言編程基礎理論來分析復雜物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)、實施等工程問題；在問題分析方面，學生能夠通過分析文獻，運用數(shù)理知識發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)工程問題，同時具備評估解決方案的能力；在設計開發(fā)方面，學生能夠掌握物聯(lián)網(wǎng)應用軟件設計理論與方法，進行基本的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃與設計，呈現(xiàn)設計成果；在研究能力方面，學生能夠運用科學方法需求和功能分析，選擇研究路線，設計可行的實驗方案，并對物聯(lián)網(wǎng)工程問題進行合理評價。

（二）人才培養(yǎng)的實現(xiàn)路徑

1.研究導向的學習模式。在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科教育中，強調(diào)以學生為中心，通過STEM教育的項目導向、情境式教學等方式，培養(yǎng)學生的研究思路以及實踐動手能力。教師將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用領域中的現(xiàn)實問題在教學過程中引入，指導學生運用科學方法將物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的復雜問題進行需求和功能分析，選擇研究路線，設計可行的實驗方案，并在最終選用或搭建開發(fā)環(huán)境進行軟硬件實現(xiàn)并驗證。研究導向的學習模式會不斷提升學生的認知、科研能力，對現(xiàn)實情境中的物聯(lián)網(wǎng)應用建立正確的認識，最終形成具有深度和廣度的課程體系認知［8］，同時，在實現(xiàn)過程中培養(yǎng)的創(chuàng)新精神和科研意識對下一步的研究型人才培養(yǎng)奠定了基礎。

2.跨學科融合教學。人才培養(yǎng)中課程的設置一大部分決定了培養(yǎng)學生的方向，STEM中能力培養(yǎng)是多學科要素的組合，科學和數(shù)學作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的基礎課程，而技術(shù)和工程實現(xiàn)了專業(yè)具體的應用方向，這種“基礎+技術(shù)”的簡單連接無法完全實現(xiàn)跨學科融合。以項目為導向的教學方式涉及的課程以并行的方式開展，結(jié)合多平臺競賽的方式，能夠確保學生在項目過程中不斷涉入相關(guān)課程知識，對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應用所對應的知識點有更宏觀的認識；同時，教師在課程教學中適當加入綜合性實驗，幫助更好地理解并內(nèi)化知識。

3.校企合作。新工科背景下，高校應積極開展校企合作人才培養(yǎng)模式，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展，通過創(chuàng)建工程實踐教育中心，引入企業(yè)授課制度，可以增強高校與企業(yè)的交流，在產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地中結(jié)合STEM教育理念培養(yǎng)學生的自主動手能力。以就業(yè)為導向建立校企信息反饋，根據(jù)技術(shù)需求方向及時補足人才培養(yǎng)中存在的差距，最終達到優(yōu)勢互補、資源共享的合作模式［9］，提升實習就業(yè)率以及就業(yè)質(zhì)量。

4.評價體系。以STEM為指導理念，構(gòu)建對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學評價體系，需要采用小組自評、教師或企業(yè)指導教師進行評價的方式，對探討、實驗結(jié)果、課堂表現(xiàn)、項目答辯等教學過程中各個方面對應的量化評價指標，進行學生的思維能力、動手能力、創(chuàng)新能力、自主學習能力等綜合性評價。最終根據(jù)測評的結(jié)果以評促教，通過學生對知識點的掌握情況以及反饋意見，有針對性地對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)教學模式進行改革，不斷完善教學方式，適應更多學生的發(fā)展。

四、實踐檢驗

本研究在某公立應用型大學的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實施和檢驗，該校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)于2015年設立，至今已辦學8 年，畢業(yè)生5 屆，已畢業(yè)學生近400人，在校學生約600人，專業(yè)所在的學院還開設計算機科學與技術(shù)、電子與信息工程、通信工程等專業(yè)，全院在校學生人數(shù)約2 400人。該校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)于2016年以校企合作的方式引入STEM人才培養(yǎng)教學模式，引入STEM 模式以來，該專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量相較同學院的其他專業(yè)優(yōu)勢明顯，在升學率、就業(yè)率等方面明顯好于其他專業(yè)。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)工程作為新工科的典型專業(yè)，融合了計算機、電子、通信、儀器儀表及檢測技術(shù)等學科專業(yè)的知識，不僅對人才的培養(yǎng)有較高的學科融合要求，也要求在STEM教育方面有較高的素養(yǎng)，本研究針對該專業(yè)的特點提出了STEM教學模式，并進行實驗和檢驗，取得了較好的效果，為相關(guān)專業(yè)的STEM教育研究提供了參考。