基于AIMS的物联网专业课程体系建设方法

2018-04-25綦志勇常排排

计算机教育 2018年4期

綦志勇，常排排

（1.武汉软件工程职业学院计算机学院，湖北武汉 430205；2.武汉软件工程职业学院教务处，湖北武汉 430205）

0 引言

我国在推进“中国制造2025”过程中，对高等职业教育提出了新的要求[1-3]。但我国高等职业教育的课程设置与教学内容深受本科院校影响，很多高职院校在专业课教学与本科院校的区别是：内容相同，本科偏重理论而高职偏重实践[4]。弊端也很明显，经过两年多的职业教育后，高职学生就业时通常会出现难就业或需要培训才能就业的情况，这是理论知识不如本科生，实践技能又难以满足用人单位需求造成的[5]。

1 传感器与综合控制技术课程教学存在的问题

传感器与综合控制技术课程在高职高专课程中的定位通常会参考本科类院校的设置，在当前市面上出版的教材内容中可见一斑，典型情况是理论推导—电路原理分析—实际传感器性能测试实训或应用实训[6]，这里有几个较为显著的问题：

1）理论推导是对高职高专学生的严峻挑战，且实用性存疑。

讲解理论推导部分是为了让学生理解传感器的敏感元件存在电流、电压等电性质物理量与某被测值之间的函数关系，目标是设计传感器。绝大多数教师讲授理论推导的教学方式是面授，使用教具演示推导过程。但对高职学生来说，理论推导的讲解存在两个严重问题：一是高职学生数学基础较为薄弱，多数学生难以搞清楚其数学原理[7]；二是理论推导的学习在实用性角度存疑，学生毕业后从事传感器设计工作的可能性很低。理论课程与半理论、半实践课程教学模式近似会降低学习兴趣。

2）教学方式改革在高职高专教育中势在必行，而如何改革才能吸引现代学生投入专业学习成为一个严峻问题[8-10]。

基于原理分析的教学方式实际上是理论推导的变体，学生接受度有限，将分析改为设计过程反而使学生容易接受。讲解传感器模块外围电路的过程与理论推导类似，这种分析通常伴随着大量的数学计算过程，教师需要在课堂上讲解较长时间，但通常的场景是老师在讲台上挥汗如雨，学生在下面睡觉或是看手机。实际教学证明，如果淡化分析过程而将其优化为对应的设计过程，学生不仅能基本理解其原理，也能初步将设计过程进行应用，更重要的是，介绍设计过程支持“边讲边练”，避免了长时间讲解，侧重学生自己动手获取实践技能。

3）实际传感器测试或应用实训是目前实训的重点，但这种实训项目对于物联网专业学生培养没有帮助。

传统专业的教学目标与物联网行业实际需求有较大差异，需要进行调整以适应物联网行业的行业特征。目前高职院校传感器测试实训有两种模式：第一种是直接采用各种设备测试敏感元件，获得其电气特性参数，适用于电子类专业学生；第二种是测试传感器模块，获得功能性测试结果，适用于汽车类专业的学生。计算机科学中物联网专业的传感器实训，关注模块与处理器之间的数据传递，而这两种主流实训模式严重偏离物联网专业教学目标。计算机科学的物联网专业更强调传感器模块的设计、实现、应用的完整过程，其实训方式无法沿用传统的教学目标与方式，故实际传感器“测试或应用”过程需要深入研究并改进。

2 基于AIMS的专业课程体系建设

前文提到的有关问题，主要是行业发展过于迅猛、而高职院校专业建设滞后导致的，AIMS（基于多学科融合、系统化思维为主线、以应用为导向的新型人才培养体系）课程线的课程体系设计方法，以“仿真—实践”实训库为核心，以课程线为贯穿、不依赖教师教学技能，以解决技能获取问题为目标，更符合高职高专计算机学科物联网专业的特点[11]。物联网行业的高速发展是信息技术高速发展直接推动的，其中多学科融合发展是物联网行业的内生力与基本趋势[12]，而AIMS针对多学科融合的应用型教学系统适应当前行业与高职院校专业的发展趋势。

AIMS有3层结构，基础层为支持本专业发展的多学科交叉教学；第2层是以实训为基础的课程体系；第3层强调用实际项目发展专业能力，更好地对接人才市场。AIMS的基本层次结构如图1所示。

AIMS层次结构是基本概念模型，在具体实施过程中，以实训课程库为核心构件，整个课程体系建设围绕实训课程库来发展，一个物联网专业的课程库示意图见图2。

图2描述了图1中AIMS层次结构的实现方式，整个物联网AIMS专业课程库是由仿真实训平台、实际实训平台、多媒介课程资源3大部件构成。

1）仿真实训平台。

仿真实训平台是替代理论讲解的重要方式，仿真平台作为实际实训之前的、理论验证性质的实训有很多优点：①学生可以立即动手操作，理论上验证知识的实用性；②教师对理论知识的介绍脱离了传统教授方式，更多是督促与引导；③仿真实训平台中使用的多媒介课程资源深化了教师的作用，这些资源可以多次重复不间断使用，且有文本、动画、视频、PPT等多种形式，其目的是确保学生获取知识的方式不再单一、增进理解；④避免了实际实训中与硬件有关的问题以及繁琐的耗材管理问题。

图1 AIMS的基本层次结构

图2 课程库示意图

2）实际实训平台。

实际实训平台强调与人才市场对接的功能，总体上遵循“单独课程的基本知识点实训→单独课程的综合知识点实训→几门课程综合的简单实训→几门课程综合的复杂实训→企业级实训”的渐进步骤，同时可对学有余力的学生提供横向与纵向研究课题，全力支持这些学生深化技术应用以及从事创新创业等方面的活动。

3）多媒介课程资源。

多媒介课程资源的功能是辅助教师的教学，使传统教学方式转变为新媒体教学过程。典型的使用场景为内容文本、操作视频、动画演示、仿真软件操作等在同一个页面上，如图3所示。

图3 多媒体演示与仿真实训图

图3中左边上方是视频，左边中间是文字介绍，左边下方是图片动画，右边是实际软件开启窗口，学生可以通过左边的学习，在右边直接进行代码编写工作。教师的作用为引导、辅导，教学技能要求相对弱化、动手能力要求相对提高。课程不再完全依赖某个教师的个人授课技巧教学，且同一门课程的不同内容允许不同的教师来教学。

3 基于AIMS的传感器与综合控制技术课程建设实例

以高职高专院校计算机学科中物联网应用技术相关专业为背景进行传感器与综合控制技术课程建设，课程建设目标为掌握物联网前端节点设计基本知识、技术体系以及相关理论；了解物联网的感知层节点关键技术，如光电传感器模块、蜂鸣器模块、继电器模块、温度传感器模块、串行通讯模块等有关传感器与执行器模块设计与实现技术以及简单计算机控制知识与技术，重点培养学生初步掌握物联网前端感知层节点设计与实现的能力。以C语言、电路与电子技术、微机原理与接口技术、单片机应用技术等作为课程的先导课，无线传感器网络与应用、zigbee网络原理与应用、RFID系统设计实例开发、物联网系统应用开发等为后续课程。

任何一门课程建设首先需要列出的就是课程线，目标是找到共性与差异性内容，便于资源的高度复用。凝练课程的课程线，将其加入到图2所示的课程库当中，需要建设的内容在课程资源、仿真实训平台、实训平台3部分中添加属于

课程的对应内容，课程线的结构如图4所示。

1）课程资源建设的内容。

通过对课程线的分析，提出课程需要建设的内容，假定先导课程已在课程库中建设完成，参考先导课的资源建设内容（见表1），本课程需要建设的内容有：课程标准与实施方案、教材、PPT、视频资源、试题与试卷、在线资源、仿真实训资源、实际实训资源、规范文档等，其中仿真实训资源与实际实训资源的具体内容都应当依照专业规范文档来制定，其形式是文档形式，主要为指导学生进行各类实训。

2）课程仿真实训环境建设。

实际的传感器与综合控制技术课程中需要使用到电路设计技术、C语言技术、单片机技术等内容，仿真平台有选择性地使用这些先导课程的有关仿真软件，本课程建设需要用到的先导课程仿真环境建设内容见表2。

仿照表2，实际传感器与综合控制技术课程仿真环境建设见表3。

虽然仿真实训有巨大的优势，但仍然无法替代实训。实训与仿真有很大差距，实际当中存在元器件的制造误差、焊接不良、制造中的电路走线不均、EMC等问题，而仿真中不存在。故仿真仅能对理想情况下的设计进行验证，而实训是真实实现的过程。仿真与实际缺一不可，仿真环境为实训提供了必要的理论验证，实训验证了设计的正确性，保障了实际实现的成功。

图4 传感器与综合控制技术课程线整体结构

3）实训环境建设。

仿真平台建设实际上是由实训内容来决定的，实训平台的建设主要由校内课程实训集合和企业级项目实训集合共同组成。校内课程实训集合以课程为单位，每个实训内容作为一个独立的实训单元，基本结构如图5所示。

企业级实训的内容一般情况下由企业提供，源于企业实际项目，并由专业教研室进行遴选、评估、修改、应用与推广。企业提供的实训案例通常需要专业教研室与企业进行双向沟通，确定企业级实训案例的应用规模与边界，防止流于形式。企业级实训也可实现整个课程体系的实训，并归类到校内实训课程中去。传感器与综合控制技术课程的部分实训内容见表4，部分企业级实训的具体内容见表5。

表1 先导课课程资源建设内容简表

表2 先导课程仿真环境建设内容说明表

表3 传感器与综合控制技术课程仿真环境说明表

图5 校内实训课程基本结构

4 采用AIMS的课程体系效果评价

4.1 教学效果

相较于传统教学方式，AIMS的课程体系实施之后，教学效果的变化见表6。

现代高职高专学生多数难以接受面授型的教学方式，其注意力无法被单一教学媒介所吸引；如果基础没有打好，且在学生动手能力本身有限的情况下，后续实训课程基本无法完成。相比之下，AIMS方式设计的课程体系对教师与学生而言，教师与学生均可以避免尝试枯燥的面授型教学模式。教师从教学讲解人员转变为学习过程管理人员，学生也不再依赖教师的讲解；通过多种类媒介学习，允许学生在多种媒介指导下自行动手完成任务。另外，学生可以自行安装仿真环境，在任何时间地点均可以进行模拟实训操作，结合仿真平台上的多媒体教学资源随机多次重复学习同一内容。当然，教师在AIMS方式与传统课程体系的实训当中都必须承担较大的指导工作量。