新工科背景下基于OBE理念的課程教學探索

一、引言

為了應對新一輪科技革命和產業變革，加快培育新興領域工程科技人才，改造升級傳統工科專業，培養復合型人才，2017年教育部在高等工程教育發展戰略研討會上提出“新工科”的概念。強調高校新工科建設的重要性和實施要求，要求高校把新工科建設作為引領高等教育改革的有力抓手。

高校發展新工科要求實行學科跨界融合，以培養學生解決復雜工程問題和統籌綜合項目的能力；重視實踐教學，以培養學生的創新思維和對理論知識的實際運用能力；注重課堂思政教育，培養學生的國家責任感和國際視野。高校新工科通過跨學科融合、注重實踐教學等教育方式，培養具備創新思維、實踐能力強、具有家國情懷和國際視野的新時代工科人才。

近年來，人工智能、機器學習、邊緣計算、區塊鏈等與物聯網相關技術的迅猛發展，逐漸改變了各行各業的生產方式，大大提高了生產效率和社會生產力。物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后的第三次信息浪潮，是通過物物互聯感知世界的技術手段。《2024中國物聯網創新白皮書》從全產業鏈的角度呈現了物聯網的發展現狀和趨勢，強調了創新應用對于物聯網高質量發展的重要性。同時，白皮書還提出了通過規范引導持續推動物聯網創新應用的策略和建議。2024年《關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》，該文件是為了貫徹落實中共中央、國務院關于加快5G、物聯網等新型基礎設施建設和應用的決策部署而制定的，提出了建立NB-IoT（窄帶物聯網）、4G和5G協同發展的移動物聯網綜合生態體系的目標，并明確了加快移動物聯網網絡建設、加強移動物聯網標準和技術研究等重點任務。國家層面健全多層次多類型的物聯網人才培養和服務體系，支持高校、科研院所加強學科交叉整合，加強物聯網學科建設，培養物聯網復合型人才，物聯網正進入跨界融合、集成創新和規模化發展的新階段，物聯網已廣泛運用于工業及生產制造、農業、大眾生活等領域。在信息科技時代，通信工程專業應與物聯網融合并設置相應課程，以滿足行業人才的發展需求。

二、課程現狀及存在問題

在新工科發展的時代浪潮中，為了培養物聯網通信專業人才，通信工程專業針對大三學生開設了“物聯網與短距離無線通信技術”專業核心課程。我們進行全網慕課資料、大型行業內企業的網上大學和部分同類高校調研，發現圍繞物聯網開設的課程比較多，如“物聯網工程”“物聯網技術應用”“物聯網工程導論”“物聯網通信技術”“物聯網實訓課程”等，每個相關專業開設課程的側重點不同。

當前，對于該門課程的教學研究主要有：以實踐項目應用驅動為引導的課堂教學模式，通過優化整合教學內容，以實踐項自應用驅動引導學生進行理論知識點學習；以專題課的形式對教學內容進行系統性編排和規劃，形成緊密聯系的知識體系，并規劃多條教學路線[2；基于體驗實踐的實驗教學模式、精品實踐案例的通信課程，以及信息技術支持的精準教學模式3；以在線開放課程平臺為基礎，以課程項目化為抓手，進行線上線下混合式教學模式探索4；研制開發的融合基于物聯網體系架構與多種無線通信技術標準的通信板，有機地結合了物聯網通信系統理論和通信技術實踐[5，以及通過“對分課堂”強調先教后學的探索應用型工科實驗課程改革途徑等。多種課程改革研究表明，理論課和實驗課進行科學優化教學內容和教學體系，學生專業培養目標達成度較好，同時提供了多樣化的教學模式參考。

通信工程專業自2018年開設了“物聯網與短距離無線通信技術”專業核心課程，2018級、2019級、2020級通信工程專業1個班連續3屆開設這門課。通過學生就業、升學、項目比賽、課堂參與度、實踐課成效、期末考核等方面，總結出課程在理論教學、實驗教學過程中，在內容設置、教學方法等方面存在的不足。目前，這門課程的教學目標是學生熟練掌握各種短距離無線通信技術原理、協議架構、組網技術，以及其在物聯網系統中進行組網應用的方式，對通信技術理論知識和物聯網體系結構等關鍵技術都能夠熟練掌握，并能設計程序與搭建簡單物聯網通信系統和應用平臺，具備解決復雜通信問題的能力。目前，課程產出成果并沒有達到專業培養目標和畢業要求。據文獻調研，開設物聯網課程的學校很多，主要從原理上講解物聯網概念等理論性知識。目前，市面上的物聯網教材多是“物聯網導論”“物聯網基礎”等。通過對教材和一些工科學校的調查發現，介紹物聯網核心技術的專門教材很少，主要發現以下幾個問題。

（一）理論課程內容差異很大，實驗內容不統一

物聯網是一個相對比較新和綜合性強的學科，很多理論還沒有完全系統規范下來，因此，也并未形成統一的理論體系。不同的學校使用不同的教材，講授的內容有很大差異，相應的，實驗內容也就有不同的安排。

（二）不同專業領域，實踐內容的重點不統一

物聯網技術是一個綜合性新技術，涉及計算機技術、通信技術、自動控制技術、傳感技術等，導致不同專業都開物聯網課程。通信工程專業這門課的重點在于物聯網短距離通信領域的相關核心技術、協議機構、技術架構、組網應用等，自動控制相關專業的重點在于物聯網芯片的研究設計等。計算機相關專業講解的重點在于物聯網相關算法、應用開發等。不同專業開設的物聯網相關課程，實踐課程的內容重點也相應的有所不同。

（三）不同層次學校實驗軟件和硬件環境不同

物聯網課程的實驗大部分都是通過物聯網實驗箱進行操作的，不同學校配備的實驗箱硬件有差異。每種實驗箱都有不同的核心板和不同的程序。同一種類型的實驗，軟硬件環境不同、通信技術不同，實驗效果也就不同。多種選擇源于技術和設備讓綜合性實驗具有一定難度。

除了針對不同學校和教材調研外，為了了解學院“物聯網與短距離無線通信技術”的學情，推動專業內涵建設，對標工程教育認證辦學標準，基于OBE教育理念“學生中心，成果導向”，持續優化課程。對2021級4個班120名通信專業學生進行問卷調查（問卷內容如圖1所示）。在問卷調查中，關于理論課的問題緊密圍繞教學現狀、理論課內容設置、授課方式、學生需求開展，關于實驗課的調研圍繞實驗內容、實驗難易度、綜合性等方面開展。調研結果總結如下：目前，物聯網與短距離無線通信技術這門課程的理論課特點是介紹技術多達10類，每類技術原理、協議架構、組網技術、典型應用場景等理論性強的知識點都要涉及，導致理論課內容多。由于理論課時只有32學時，根據2024年新版教學大綱，理論課時已減少至28學時。這導致教學內容多無法突出重點，使得學生難以抓住重點去深入探究。理論課授課以PPT講授為主、內容偏向基礎原理和傳統技術等、缺乏實際案例和一些實驗設備輔助教學，不能讓學生深刻領會各種通信技術在物聯網平臺的實際應用和復雜性，導致學生的課堂參與度低。

（四）實驗環節偏少，教學效果不佳

實驗室擁有物聯網網關平臺實驗箱共25套，包含ARM單元、CC2430模塊、Wi-Fi模塊、GSM模塊，以 C++ 編程語言為主。PC硬件的配套開發軟件有：EW8051-EV-730B（IAR）、Packet_Sniffer_2_2_0_0、Setup_SmartRF_Studio_6_5_1、SmartRF_1.6.2。以上實驗硬件只能實踐基于ZigBeed短距離無線通信技術物聯網網關通信，實驗通信技術非常單一，沒有設置綜合性應用層的實驗，如物聯網無線通信技術在智能家居、智慧安防、智慧醫療等綜合性實驗。任課教師雖然理論知識豐富扎實，但實踐項目仍停留在實驗室層面，缺乏實際項目經驗。學生的實驗課只停留在對實驗室設備的簡單操作。教師沒有利用校企產學研資源，為學生提供實踐和生產鍛煉等綜合能力。

圖1課程調查問卷

圖2理論課程教學方式和教學模塊組合圖

三、課程探索改革

根據往3屆通信專業學生課程期末考評成績、教師授課過程課堂氛圍、教學督導評價，以及2021級學生問卷調查結果，足以說明自前課程教學方式已不能滿足新工科標準下通信行業對高素質人才的追求。

（一）以學習成果為導向，重構教學重點內容

目前，“物聯網與短距離無線通信技術”課程涉及的技術種類有十大類，每種技術需要3個理論學時去講解。教師難以突出重難點，學生學起來晦澀難懂。理論教學內容和教學方式改革，應以學生為中心，因材施教，以滿足通用人工智能快速發展，覆蓋各個行業對物聯網通信技術型人才的需求。

實際上，學生并非有興趣對課程所有物聯網通信技術進行深人學習。根據學生的學習興趣和需求，將理論教學內容如圖2所示方法進行分類。按照物聯網通信技術的基本原理和技術特點，可將理論課分為理論性研究、實驗設計與操作、項目實戰與案例分析等三個模塊。教師需要重點了解技術原理和技術特點，并在授課時加以重點講解，以推動更多的學生未來進人這個領域開展研究，或進行進一步深造。我們鼓勵這部分學生深人學習某個技術領域，提供各種學習資源。了解技術在物聯網通信項目實戰案例的，學校可以邀請校企合作企業導師進行視頻講座或深入企業參觀學習。充分鍛煉動手實踐能力，可以更新現有實驗設備、鼓勵帶動學生參加“互聯網 + ”“電子設計大賽”“挑戰杯”“創新創業大賽”等，以實現以賽促練，提升學生的專業能力。

（二）以學生為中心優化教學方法

根據學生的問卷結果，理論授課會進行線上線下混合式教學。線上教學內容主要針對技術在企業項目中實際運用案例的講解，以及前沿技術講座；線下教學主要圍繞課程技術理論知識點講解和課程思政教學。實驗教學目標是培養學生的創新實踐動手能力。每次實驗教學的復雜度和難度層層遞進，有助于引導學生開展由淺入深的學習。在實驗教學中，根據現有課時和實驗硬件設備，將能滿足實驗條件的課程分為必做實驗項目和選做實驗項目，把實驗分為基礎性驗證性實驗、仿真實驗、難度性設計性綜合實驗等3個層次，必做基礎性實驗要求通信專業每個學生學會建立實驗環境、熟悉傳感器原理和程序改編和ZigBee組網模式和協議開發等，通過使用物聯網網關平臺，讓學生對傳感器、無線傳感網、短距離通信技術等組成的物聯網系統架構有系統認知。對于想進一步加深對這門實踐課學習的學生，可以選做設計綜合應用性的實驗。學生自己設計基于物聯網網關平臺幾種通信技術控制的智能家居、智能小車等更多人工智能實際運用。指導綜合實驗完成度高的學生參加對應比賽，通過以賽促教，鍛煉學生的綜合實踐和創新創業能力。

四、教學評價機制

以往，在該課程的考核方案中，理論課主要通過期末考試完成考核，分數占 60% ，實踐課通過6次必做實驗的實驗效果和實驗報告完成考核，分數占 30% ，此外，課堂考勤分數占 10% 。通過2021級學生問卷結果和往屆三屆學生的效果來看，理論課考核方式并不是很全面科學，忽略了實驗教學的成果，這讓學生重理論知識的記憶，輕實踐動手能力的培養。改革教學內容和教學方法，采用科學課程考核評價機制，強化課程的過程性考核，實現過程性考核與結果性考核結合，提高課程人才培養質量。考核方式分為PPT答辯、仿真實驗、實驗報告、線上學習匯報、綜合實驗項自答辯等。學生可以根據自己的學習情況申請不同的考核方式。考核目標是為了調動學生參與教學環節的積極性，強化課程教學的產出效果、實事求是地反映學生課程目標的達成度。

五、結束語

物聯網與短距離通信技術這門課教學內容不同于傳統專業核心課程，課程內容要一直緊跟物聯網和通信行業的技術發展，不應局限現有教材知識點；教學內容和教學方式要持續改進，以符合新工科背景下對專業課程的要求。本文對“物聯網與短距離無線通信技術”理論課教學內容和教學方式、實驗教學方法與手段、課程考核評價等方面所做的分析，可為我校未來通信工程專業建設物聯網與短距離無線通信技術課程提供一些參考。物聯網與短距離無線通信技術的教學旨在培養實用性、創新性的綜合素質物聯網通信技術人才，符合我校“新工科”建設應用型人才培養方式。以學生為中心進行教學內容和方式輸出，強化實驗實踐動手環節，鼓勵學生自主創新學習，利用現代信息技術手段的多元課程考核激發學生對專業的學習興趣。未來，我們還會對該課程進行持續改革，以滿足行業對物聯網通信人才的需求。

作者單位：薛佳妮馬煥肇慶學院 電子與電氣工程學院

江強 謝華標 孔瑞軒 中國移動通信集團廣東有限公司肇慶分公司

參考文獻

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