聚焦解决复杂工程能力的物联网课程教学改革

赵立辉，项 鸣，杨红喆，朱 丽

(1.上海应用技术大学 电气与电子工程学院，上海 201418；2.上海应用技术大学 计算机科学与信息工程学院，上海 201418)

2016 年 6 月，我国高等教育正式加入《华盛顿协议》，成为该协议体系下的正式成员国，高校需要按着协议要求培养人才[1]。《华盛顿协议》中特别针对“复杂工程问题”提出了具体的要求，明确了培养的学生应该具有的工程能力和工程素质，这就要求高校培养的毕业生要着力解决学生的专业能力和修养，能够切实具有解决工程实际问题的能力[2]。2018 年《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》“高教40 条”的发布，明确指出高校应该培养怎样的人才，如何培养新时期适应国家和社会需要的人才，为我国的高等教育改革指明了道路和途径[3]。

新时期高等教育已经同国际工程教育体系接轨，原有的追求规模扩张的发展模式已经不适应社会的发展，高等教育尤其是应用型本科层次的高校迫切地需要改革，人才培养体系和课程教学需要引入工程教育理念，改革现有的教学方法和手段，适应新形势下高等教育发展的需要。

对于“上海应用技术大学”来讲，学校培养的是具有国际视野的创新型、应用型人才，学生应该具有高素质、工程精神的专业技能，具有精益求精的工匠精神，这就要求学校教师要开展面向工程教育的课程改革和研究。如果不改革，培养的人才就不能适应社会发展的需要。同时对于电气与电子工程学院，开设的电气工程及其自动化专业需要申请工程专业认证，若想通过专业认证，就要按照工程教育理念改革人才培养体系，由传统的以理论为主，验证性实验实践环节居多的教育理念转变为以工程对象为主，创新工程教育理念。培养的学生要坚持以解决“工程问题”为主线，基础知识和基本技能是因，解决工程问题能力是果。课程的设置和教学要转变照本宣科的灌输性教育，注重培养学生的专业能力和素养，不断开展课程建设和改革，打造工程“金课”，实现高水平的应用型本科课程。

因此开发解决复杂工程问题的课程案例，围绕“解决复杂工程问题”进行研究，推进本科专业论证，不仅促进电气与电子工程学院教育教学改革，同时对标工程认证提高学生工程实践能力，对面向工程教育体系的高教改革有重要的实际意义。

一、培养目标和问题分析

物联网技术是当今社会的热门技术，涉及计算机技术、电子技术、网络技术及嵌入式技术等新型技术，与社会流行的大数据、云计算、人工智能等并称为引领社会发展的关键技术。在电气类专业开展物联网课程教学的目的在于使学生跟上时代步伐，掌握技术发展脉络和实现手段，学有所用，能够开发物联网产品，满足工程实际需要。培养目标归纳如下几点：

1.学生综合运用所学到的理论知识和技能完整实现电气工程项目，包括设计、分析和实现的全过程；

2.学生能够检索纸质和电子的参考文献，获取需要解决问题的参考方法和途径；

3.学生能够对一个具体的工程问题，思索和研究解决问题的步骤，给出合理的设计方案，还要考虑经济、成本、美观及人文因素；

4.学生具有团体合作精神，承担个人角色，在分工时可实现一项完整的工程项目；

5.学生能够撰写符合工程规范的可行性计划书、图纸、电路图、总结报告等文件。

由于物联网属于新兴技术，在具体的教学中若只讲原理或少讲应用，教学效果僵硬，学生很难接受；多讲应用，但应用缺乏复杂问题及专业特征，又脱离实际工程。训练项目的设置也缺乏工程特质，这种教学方式与工程教育理念和工程专业的培养标准相违背。目前课程教学存在问题归纳如下：

第一，教学时间短。实验大多属于验证性实验，理论多是知识点讲解，学生独立分析，开展创新思维要求少，学生不需要自己来分析、研究，这样根本起不到培养学生自己独立思考、独立动手能力的作用。第二，缺乏面向工程性的问题，培养学生方法和内容简单，缺乏对学生工程性地训练。第三，理论与实践脱节，影响教学质量。第四，物联网实验设备技术要求高，学生人数多，实践教学效果不好。目前的本课程教学设备中，设备小而精，需要编程操作，这种操作需要细心和教师的反复检查，效果较差。

综上，现有的教学模式，难以达到培养学生解决工程问题能力的效果，课程教学效果不好。学生又有惰性，学习的兴趣差，课程实际教学难以让教师和学生满意。

为此，针对“复杂工程性问题”，课程教师对电气工程及其自动化专业所学和培养目标开展分析，提出了工程实际问题“典型复杂工程问题路灯照明远程控制系统研究”。提出的项目具有复杂性，需要学生有知识的深度；项目具有综合性，需要学生协同参与；项目瞄准新能源、物联网技术，具有先进性，需要新方法和新工具；项目具有不确定性，需要学生查找分析，开展创新，解决问题。

二、复杂工程项目的设计

中国工程教育专业认证协会根据《华盛顿协议》的标准，提出了适合我国国情的工程认证标准，其中的“复杂性工程问题”应当具有7 个主要的特征[4]，可以简单概括为：需要知识的深度；需要协同攻关；需要建模求解；需要新方法和现代工具；具有不确定与创新思维；需要综合性；需要解决冲突。笔者在物联网课程实际教学中，设计的“复杂性工程问题”实现如下。

（一）建立“复杂性工程问题”的具体对象

建立符合“复杂性工程问题”的具体对象是研究的重点。问题来源于工程，工程源于专业知识、社会需要。结合电气工程及其自动化专业培养方案及工程教育要求，制定适合的工程问题。考虑下述几点：

第一，问题具有复杂性，并且贴近工程；

第二，问题符合专业培养目标和体系；

第三，问题学生能够解决，需要通过思考、实践、合作的过程；

第四，问题贯穿于课程知识，具有综合性；

第五，问题解决需要团队合作；

第六，问题更多考虑非技术因素，不仅需要专业知识，同时更多考虑非技术因素，如成本、环境保护、未来发展、社会需求等。

该项目“典型复杂工程问题路灯照明远程控制系统”，需要学生在学习了“电路原理” “电子技术”“自动控制原理”“新能源发电”“计算机网络”等课程后，具备了将电气工程相关问题转化为能力培养，经过大二、大三专业基础课和专业课学习后完成的；学生的动手能力和解决工程能力在不断增强，可以开展较为复杂的设计类教学项目。通过知识的培养逐步转化为能力的培养，从单一知识点教学到培养学生具有综合运用知识解决工程问题能力的提高。本课程设计的工程对象具有复杂性，培养了学生综合运用所学解决实际工程的能力。

项目涵盖了“电子信息”“电气工程” “物联网”“程序设计”等专业知识，具有综合性，学生通过前期的学习可以解决，并且需要思考、实践、合作的过程。项目符合电气工程及其自动化专业培养方案。工程对象为路灯电气照明，具有明确的问题意识。

（二）项目可分解、可操作

对标“复杂工程问题”7 个特征，整合工程问题，充分考虑技术与非技术因素

本项目工程背景复杂、综合性强，与实际结合紧密，需要学生分组进行，项目分解为几个不同问题再组合一起，锻炼学生的团队协作能力。项目分解为3 个工程设计内容，发电、照明、通信，3 组人员有针对性地开展独立研究，配合协作构成整体项目。

1.项目涉及新能源发电、电力电子知识完成光伏系统的建立，再通过检测技术和嵌入式技术完成照明系统开发，通过物联网和程序设计完成远程通信。

2.具有较高的综合性。综合了多个学科和专业知识，包括电气、通信、计算机以及环工、人文。

3.涉及多方面矛盾，包括成本与性能的矛盾，通信中有线与无线通信的矛盾。

4.涉及多方面的、有冲突的技术与工程因素。

5.设计中，学生分组完成，要充分考虑控制器成本、环保因素，并联系到社会发展，适应人的不断发展需要。

（三）进一步改革教学方法和手段

开展工程背景教学，进行项目研究效果评价。教学应充分体现“以学生为中心，以教师为主导”的理念，针对复杂问题，改进教学方法，以综合性设计形式进行，ppt 演示后学生独立开发，教师给出整体方案。采用课上提前布置，课下独立进行原理分析，然后项目展示，再结合大论文进行。

三、项目实施、成效

笔者所讲授的“物联网技术”课程应用本文提出的复杂工程项目，开展实践教学。通过对学生完成情况检查及问卷形式反馈，分析教学改革的成效，提出下一步改进的措施。

（一）项目实施过程

2019 年5—6 月，笔者对电气工程及其自动化专业2016 级大三本科生开展课程教学，学生人数35 人，确定按本文提出的路灯照明远程控制系统的项目要求开展项目教学。实施过程如下：

1.要求所有学生各设计一个方案，经过教师与学生讨论，得到技术、可行性比较好的5 个方案，进入下一步实施过程。

2.按方案设计把工程问题分解为四个部分：第一部分照明控制器硬件设计（硬件电路、通信电路、整流或逆变电路、芯片选型等）；第二部分云计算平台建立；第三部分软件设计（编译环境建立、流程图和程序）；第四部分包括经济性分析、人文环境分析。

3.人员分组。为了项目完成，达到完成质量要求，拟定7 人为一组，分成五组，第一部分至第三部分两名同学，第四部分一名同学，只要求写自己完成的部分。七个人建立群，协调沟通合作完成。

4.实现方法和手段。根据学生专业知识水平，具有的专业能力，以及学院实验室、设备情况，制定的完成途径和手段如表1。

表1 学生设计方法和手段

5.考核方式：考核采用设计结果验证、论文、答辩综合考核，见表2。

表2 考核方式

（二）项目实施效果

设计的复杂问题经一轮教学实践后，查验学生论文、实物及答辩等考核环节，学生的设计水平和对工程对象的理解得到提高，问卷及与学生座谈反馈可知想，学生的优良满意度提高10 个百分点。

四、结束语

通过对《华盛顿协议》的复杂工程问题的特征进行分析，设计具有工程特征的教学对象，并在教学改革中探索和实践。项目实施后的效果分析表明：可提高学生的复杂工程问题的理解和认识水平、设计及分析问题能力。