面向新工科的物联网工程实践教学模式探索

杨桂松， 彭志伟， 何杏宇

（上海理工大学a．光电信息与计算机工程学院；b．出版印刷与艺术设计学院，上海200093）

0 引 言

“新工科”这一概念于2016 年提出，此后教育部多次组织高校进行深入研讨、调研和论证，于2017 年正式推出“新工科”计划，并先后形成了“复旦共识”［1］“天大行动”［2］和“北京指南”［3］等指导性文件。“新工科”是相对于传统工科而言的，是以新经济、新产业为背景，是一个动态的概念。“新工科”建设既要推动现有工科专业的升级改造，探索符合工程教育规律和时代特征的新培养模式，也要设置和发展一批新兴工科专业，并加强建设、提升质量［4］。

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。2009 年8 月，我国首次提出发展物联网，之后在教育部2010 年3 月发布的《教育部办公厅关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知》文件中明确将物联网技术加入战略性新兴资源产业，随后，我国高校开始申请并建设物联网工程专业。而在2018 年教育部办公厅印发的《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》中，物联网工程专业包含其中。为了响应“新工科”的号召，物联网工程教学需要改革、推陈出新［5］，从而跟上时代的步伐，更好地服务于国家的经济发展以及产业升级。一些研究者以“新工科”为背景，探索了物联网工程特定课程的教学改革，比如文献［6］中从“无线传感器网络与实践”课程的特点出发，对该课程的定位、标准、教学内容、教学资源、教学过程以及师资队伍等方面进行了详细的探究，提出了基于CDIO（构思-设计-实施-运作）、项目化、启发讨论式相结合的教学模式。文献［7］中依照工程教育认证培养方案，采用CDIO、双语教学、校企合作等方法，探索了传感器原理与检测技术课程的教学改革。也有一些研究者提出了面向“新工科”的培养方案改革，比如文献［8］中以东莞理工学院物联网工程专业为例，在阐述人才培养方案制定及实施过程的基础上，从培养目标、核心能力、课程结构与学分要求4 个方面分析了人才培养方案的实践内容。文献［9］中针对物联网工程专业建设中存在的培养目标不聚焦、课程设置过于宽泛、毕业生就业去向与物联网行业匹配度低等问题，分析了教学实践中课程设置模式的不同特点，指出物联网工程专业课程设置的发展方向和归属。文献［10］中围绕工科专业培养目标、课程设置、实践安排等主要环节开展调查，深入分析了物联网工程专业学生工程实践能力的现状，指出其中的关键性问题，并提出了建立以创新创业为主要驱动力的实践能力培养平台的思路。文献［11］中从工程教育新理念、交叉与融合的课程体系、深度学习的教学模式以及产学研深度合作4 个方面阐述了作者对于“新工科”背景下物联网工程专业人才培养模式的思考。文献［12］中研究了在“新工科”的背景下物联网工程专业在创新创业方面存在的问题，并以平顶山学院为例提出了一些改进方案。除此之外，还有一些研究者也阐述了关于“新工科”背景下教学方法的思考，比如文献［13］中鼓励教师采用体验式学习、基于项目学习、基于问题学习、探究学习、主动学习方法以及运用案例教学、翻转课堂等教学方法。文献［14］中以上海交通大学的研究型实验课程为例，解决在某些实验课程中教材过时、实验无创新性等问题，该研究型实验课程提出包括介绍、示范、研究以及评估4 个阶段的教学方法，并使用主题-工作成果-书面报告三维评估标准。

由于“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通信、电子控制、软件设计等新技术的融合，另外“新工科”要求注重创新创业能力的培养，倡导多渠道协同育人。为此，本文在物联网工程实践教学模式中，设计多学科交叉融合的课程体系，逐步引导学生由浅入深地学习物联网工程专业知识，夯实基础；制定注重培养创新能力的教学方案，着力提升学生的实践能力以及创新意识，并进一步提供多方位育人机制，整合教学资源，优化教学氛围。另外，该教学模式提出建立学生学习风格档案，通过该档案，一方面让学生在学习实践中更加了解自己感兴趣的技术以及自己最适合的学习方式，从而提高学习效率；另一方面，让老师通过该档案了解每一个学生的特点，从而实现个性化教学，提高人才培养的效率和质量。同时，该档案不是一成不变的，它根据实践教学情况不断更新，从而形成自适应的教学促进和反馈。

1 物联网工程的理论知识架构以及学习风格概念的引入

1.1 物联网工程的理论知识架构

物联网工程是一个交叉领域，涉及计算机技术、通信技术、电子技术、测控技术等多个领域的知识，它的发展将为促进国家信息产业升级贡献重要力量。为了促进物联网的发展，国家在发布的《“十三五”国家信息化规划》［15］中特别提到了智慧物流、智慧交通、智慧健康医疗、智慧旅游、智慧休闲、智慧能源等物联网在各个细分领域的创新应用。因此，在“新工科”的背景下，物联网工程实践教学不仅需要做好各学科知识的交叉融合，还要培养学生的创新能力，使其能够将所学知识融入生产实践［16］。

图1 所示为物联网工程关键技术和理论知识架构。根据数据流向，将物联网工程的相关技术划分为感知技术、网络通信技术、信息处理技术和应用4 个层次，而在前3 个层次中，每1 个层次又有相应的理论支撑。其中，电路原理、传感器原理、电子系统设计等为感知技术提供理论支撑；通信原理、信号处理方法、计算机硬件基础等为网络通信技术提供理论支撑；自动控制理论、人工智能理论、数据库理论等为信息处理技术提供理论支撑。根据图1，数据从产生到应用的过程描述为：①利用感知技术中包含的硬件感知或软件感知采集数据；②利用网络通信技术中包含的有线通信或无线通信进行数据传递；③利用信息处理技术对海量数据进行管理、检索和处理；④ 这些存储和处理的数据将应用在能源管理、安防监控、智能交通和物流监控等领域。

图1 物联网工程的关键技术和知识架构

1.2 学习风格概念的引入

在物联网工程实践教学模式中，建立学生学习风格档案是关键。学习风格这一概念是由美国学者Thelen［17］于20 世纪50 年代提出的，此后许多学者都对这一问题进行了研究，并给出了各自的定义。纵观已有定义，看法基本相同，即学习风格是学习者带有的独特的、相对稳定的、且是个性化的学习方式［18］。在物联网工程实践教学模式中，采用Keefe［19］给出的学习风格定义，即“学习风格是学习者特有的认知、情感和生理行为，它是反映学习者如何获取信息、如何与学习环境相互作用并对学习环境做出相应反应的相对稳定的学习方式”。根据学习者的学习风格为其制定相适应的学习内容、学习计划或学习方法，可以使得学习者的学习效率快速提高［20］。

为了获得学习者的学习风格，研究人员提出了多种学习风格模型，其中以Felder-Silverman 等［21-23］的学习风格模型最被重视。传统的方法根据学习风格模型中给出的风格量表，通过调查问卷获得量表需要的各项信息，经过信息处理便可获得学生的学习风格。但是，该方法存在一些缺陷，比如调查问卷获得信息受学生主观因素的影响，不一定能反映其真实的情况。另外，由于学习风格是相对稳定、但不是一成不变的，因此需要不断更新，而调查问卷操作麻烦，不易于重复进行。随着研究的发展与进步，一些新的获得学习风格的方法被提出，比如使用决策树算法，基于规则的分类方法，贝叶斯网络，混合机器学习法以及隐马尔可夫模型等。通过记录学生真实的学习实践情况，获得基础数据，然后使用任一上述算法，便可以获得学生的学习风格。相较于传统方式，这类新方法可以减少学生主观因素对结果的影响，因而获得的学习风格更客观，而且操作容易，一旦搭建完成基础环境便可持续更新学生的学习风格。

在物联网工程实践教学模式中，采用了Felder-Silverman学习模型，并使用隐马尔可夫模型获得学生学习风格。Felder-Silverman学习模型依据学习者对信息的感知、输入、理解、加工等认知过程，将学习者分为感悟型／直觉型、视觉型／言语型、综合型／序列型、活跃型／沉思型等4 个维度8 种类别［24］，因此更全面。对于隐马尔可夫模型，文献［25］中的示例表明，该模型通过考虑学习者各行为之间的关联性，能够提高学习风格的判断准确率，而且该方法能够预测学习风格的倾向性，这对于学生自身或老师根据学习风格自适应调整学习或教学有重要的指导作用。

2 物联网工程自适应实践教学模式

物联网工程自适应实践教学模式是一种面向“新工科”的新型模式。如图2 所示，该教学模式可以分为设计多学科交叉融合的课程体系、制定培养创新能力的教学方案以及探索多方位育人机制层层递进的3个方面。①通过设计多学科交叉融合的课程体系夯实专业基础；②在此基础上通过制定注重创新能力的教学方案提升学生的动手能力和创新意识；③通过探索多方位育人机制整合教学资源以及优化教学氛围。这3 个方面中的每1 个方面都和学习风格档案相关联，学习风格档案为其提供指导，而其实践教学情况又会反过来更新学习风格档案，形成自适应的教学促进和反馈。

图2 物联网工程自适应实践教学模式

2.1 建立学习风格档案，自适应教学

为了实现自适应教学，需要建立学习风格档案。在物联网工程实践教学模式中，使用隐马尔可夫模型来获得学生的学习风格。该模型是一种统计模型，用来描述一个有隐含未知参数的马尔可夫过程，它可以通过5 元组来描述［26］：

式中：S为无法通过直接观测得到的隐含状态，O为可以通过直接观测得到的可观测状态，A 为隐含状态转移概率矩阵，B为可观测状态转移概率矩阵，π为初始状态概率矩阵。

在本科生的第1 学年上半学期进行网络调查问卷，并结合各种基础考试获得学生的初始学习风格，以此作为衡量隐马尔可夫模型是否准确的基准。在此基础上，构建隐马尔可夫模型的过程如图3 所示，首先随机初始化参数A，B，π得到一个未完成训练的隐马尔可夫模型，然后在第1 学年下半学期的各类课程和网络调查问卷中重复将学生的学习实践数据经过预处理后输入隐马尔可夫模型，并将得到的结果与基准进行对比，若准确率不高则继续校准，直到该模型能够获得较高的准确率，最终建立一个经过训练的隐马尔可夫模型。使用经过训练的隐马尔可夫模型，能够为每一位学生建立其学习风格档案，该档案将会在后续学年的实践教学中发挥指导作用，而实践教学的结果又会更新该档案，形成自适应的教学反馈和促进。

图3 隐马尔可夫模型的建立过程

2.2 设计多学科交叉融合的课程体系，夯实基础

为了夯实学生的物联网工程专业知识基础，设计合理的课程体系是第1 步。图4 所示是根据图1 中的理论框架所设计的物联网工程课程体系，该体系涵盖了图1 中所示理论框架中的所有知识，并且层层递进，环环相扣。从横向来看，该体系分4 学年，并由低学年向高学年逐步加深课程难度，涉及多学科知识，便于学生由浅入深地学习，其中，感知技术相关的知识学习安排在第2 学年，通信技术和信息处理技术相关的知识学习安排在第3 学年，深入应用安排在第4 学年。从纵向来看，该培养模式分为理论支撑、基础实验、课程设计、工程实践4 个阶段，由易到难，有利于培养学生将理论知识应用于实践创新的能力。

在第1 学年，首先，通过物联网导论基础篇为学生科普物联网工程的基础知识，让学生对物联网工程有一个初步的认识和了解，并通过企业参观增进学生的实际观感和学习兴趣，然后，搭配电路原理和大学物理实验以培养学生的初级动手能力，最后，学生需要学习概率论和统计学，为后续学年的理论学习打下逻辑分析能力的基础。在第2 学年，课程难度加大，涉及学科增加，需要通过学习电工电子学以及传感器原理，搭配模拟和数字电子技术实验，充实学生硬件知识以及培养学生的中级动手能力，并在此基础上通过学习嵌入式系统原理、软件开发等课程，打下软件知识基础，为感知技术课程设计做准备，该课程设计不但为专业竞赛预热，也为第3 学年更复杂的课程设计打下设计能力基础。在第3 学年，课程难度进一步加大，课程主要分为通信技术和信息处理技术两个方面，其中通信技术涉及通信原理和信号处理方法等（偏硬件），而信息处理技术涉及数据库理论和人工智能等（偏软件），学生可以根据自身的学习风格档案自由选择这两类课程，这两类课程设计都有相应的竞赛训练类别和专业实习为辅助，以增加学生的实战级动手能力。在第4学年，学生已经基本完成专业知识的学习，需要通过毕业设计来总结所学知识，并利用所学知识产生创新，而毕业设计中所需的创新灵感和创新实践可以通过岗位实习和参与科研项目来获取和实现。在该体系中，第2 学年学生风格档案的更新尤为重要，将为第3 学年的课程类别选择提供指导，而第3学年的学生风格档案的更新将为第4 学年毕业设计选题提供依据。

图4 多学科交叉融合的课程体系

2.3 制定培养创新能力的教学方案，提升实践能力和创新意识

图5 所示为培养学生创新能力的教学方案，该方案主要应用于基础实验和课程设计当中，其实施可以分为两个部分。第1 部分是通过基础实验培养学生的动手能力，以形成和更新初期学生风格档案，主要针对第1 ～2 学年，在该时间段内，学生主要学习物联网工程基础知识，建立初步的知识网络，老师需要提供种类多样，难度不等的基础实验项目以供学生选择，然后根据学生的实际操作形成兴趣各异的学生风格档案。

图5 注重创新能力的教学方案

该教学方案的第2 部分是通过课程设计培养学生的创新意识，主要针对第2 ～4 学年，在该时间段内，学生已经掌握一定的专业知识，经过两年的培养也已具有一定的设计能力，学习风格档案也已基本稳定。此时，老师应该转变角色，由学生发挥主观能动性。学生参考自身的学习风格档案提交一份包含“课题类别、题目、实施方案、预期完成时间、预期成果”等详细内容的课程设计申报书，老师负责审核该申报书，把握其难易程度，并参考学生的学习风格档案给出具体的指导意见。最终，学生根据老师指导意见对提出的方案进行改进并进行课程设计。在该教学方案中，学生对于基础实验和课程设计的实施结果都将用于更新学生的学习风格档案，帮助提高其学习效率。

2.4 探索多方位育人机制

为了整合教学资源以及优化教学氛围，提出了多方位的育人机制。如图6 所示，该机制包括3 个方面：①搭建学生与实践教学信息之间的桥梁，学校根据学生的学习风格档案进行个性化信息推送，所推送的信息包括教学课件、知识讲座、竞赛培训、科研动态、技术进展、企业招聘等信息；②开设物联网竞赛培训班，配备专门的竞赛培训师资队伍，每年定时招新、定点训练，形成具有传承性的竞赛培训氛围；③利用学校的社会资源，建立校企合作平台，与我校建立长期合作关系的研究院或企业有上海工业自动化仪表研究院、上海电器科学研究院、上海自动化仪表股份有限公司等，应该充分利用这些资源，给学生安排工程师讲座和提供企业实习和就业机会。

图6 多方位育人机制

3 教学质量评价

为了验证面向“新工科”的物联网工程自适应实践教学模式的成效，除了采用考试成绩、参赛获奖情况等作为衡量指标外，将在不同学年对学生的目标明确程度进行网络问卷调查。该问卷包含“了解自己”“有明确的努力方向”和“知道实现的途径”3 方面内容。问卷和学习风格档案的差异以及学年之间的问卷结果差异都将反映成效。其中，“了解自己”是指学生知道自己的优势和不足，“有明确的努力方向”是指学生知道自己的兴趣是什么或是自己想学东西有哪些，“知道实现的途径”是指学生知道自己该如何做才能实现自己的目标。这些对于大学生来说都是最重要也是不容易明确的东西，只有清楚地知道这些，大学才会过得更有意义。

4 结 语

作为“新工科”之一的物联网工程，其建设也应遵循“新工科”倡导的“融合”“创新”和“共享”等特点。为了更好地培养物联网工程人才，提出了面向“新工科”的物联网工程自适应实践教学模式。在该教学模式中，其课程体系涵盖支撑物联网工程多个领域的知识，体现交叉融合的特点；其教学方案注重实践能力和创新意识的培养；其多方位育人机制体现校企合作与信息共享。并且，该教学模式引入学习风格档案，将其融入实践教学的各个环节，自适应更新并指导师生的个性化教与学，有利于提高教学质量和效率。