新工科背景下物联网工程课程建设研究——以Arduino应用开发课程为例

柯春艳，靳 晟，冯向萍

（新疆农业大学 计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

0 引 言

近年来，以云计算、大数据、人工智能、物联网等相关领域为特征的新经济、新产业快速发展，因此迫切需要加快高等教育转型发展，提高工程教育效率和教学效果，培养适应新业态的创新型工程科技人才。为了应对新的科技和产业革命挑战，教育部积极推动新工科建设，培养多元化、创新型的卓越工程人才，核心要素包括培养学生工程实践、创新应用、团队合作能力等[1]。物联网工程专业是新工科建设当中的重点专业之一，课程改革以新工科理念为依据，应用创新多元化的教学手段，更新前沿实用的教学内容，切实提高教学效果，培养具备创新精神和实践能力并且能够适应新时代、新环境、新业态的专业人才。

本文在新疆维吾尔自治区普通高等学校教学改革研究项目的支持下，围绕物联网工程专业应用创新型人才培养目标，以Arduino接口及项目开发课程为例介绍了专业课程在教学方法和教学内容等方面的改革实践和课程建设情况，所取得的成果可以作为类似的单片机和嵌入式等偏应用型的课程建设的参考依据。

1 课程建设的必要性

物联网工程专业作为地方高等教育中的战略新兴专业，专业人才的培养对接当地经济和产业发展规划，对区域经济发展和产业转型升级有着重要的支撑意义。物联网工程关联计算机、通信、电子、控制等多个交叉学科内容，应用广泛；但是该专业开设的时间不长，地方高校在人才培养方面缺乏实践性研究与验证，一定程度上存在学生的应用实践工程能力不能完全适应社会需求的问题。

实践和创新应用能力是新工科理念下和物联网工程专业人才培养目标中很重要的一项能力，将单片机和嵌入式开发等典型的偏向于实践应用类课程作为研究对象，对课程教学内容和教学模式等进行创新改革，不仅可以提高学生对于课程知识的工程实践和应用创新能力，而且可以为物联网工程课程体系建设总结经验，提供有价值的参考依据和改革模式。

2 课程建设面临的问题

单片机和嵌入式开发等应用类课程经过多年按部就班的教学实践，课程的教学模式和内容比较老旧，无法与当前行业应用相结合。因此，类似课程的建设需要聚焦以下问题：

（1）传统教学模式单一，难以激发学生的主观能动性。传统课堂模式无法适应新工科建设中注重创新和工程应用能力的培养要求。如何借助互联网教学资源和信息技术手段提供灵活开放的学习环境、共享优质前沿的教学内容以及如何设计多元的学习内容、学习情境、学习资源和评价模式，以提高学生的学习效率和工程教育效率等，都向教学设计者提出了挑战[2]。

（2）传统课程内容陈旧，不适应新业态下的人才需求。传统的单片机、嵌入式等应用类专业核心课程多以讲授底层技术原理为主，抽象枯燥，多数初学者入门难度较大；这类课程的实验设置以功能简单的验证型实验居多，内容陈旧，与当前应用的主流技术和需求脱节，难以调动学生学习的创造性和积极性，使学生在实践创新培养方面受到局限。教师必须突破传统束缚，创新教学内容，激发学生学习兴趣，强化学生工程实践和创新能力的培养。

3 改革措施

3.1 改革原则

结合新工科建设的内涵和专业课程建设现状，课程改革主要考虑三个方面的问题：一是教学方法多元性，融合多种工程教育课程授课方式，将传统课堂教学与在线教育相结合、理论教学与项目教学相结合，有效地激发学生学习的主动性和学习兴趣，提高教学效率；二是教学内容实践性，结合社会人才需求对教学内容进行改革和更新，培养学生的实践应用能力和快速学习能力[3]；三是交叉前沿性，以学科技术在智慧农业、智能家居等领域的应用需求为导向，设计应用开发教学案例，促进专业技术在各领域应用的交叉融合。

3.2 教学手段方面

物联网工程专业的特点是工程应用性强、技术更新快，在教育水平相对落后的地方高校中通过互联网和信息化技术引进新技术和新模式是十分必要的。课程教学通过融合慕课手段，将传统教学与多媒体、移动教学方式相结合，信息技术与工程教育相结合，更新教学内容和教学模式，从而提升学习效率和教学效果[4]。具体措施如下：

（1）通过融合慕课手段为学习者提供便利的线上和移动端课程学习平台，使学习者能够利用碎片化时间随时随地学习、重复学习，提高学习效率。

（2）在线上课程平台共享国内外优质教学资源，为学习者提供多种媒体的学习材料，使得教育相对落后地区的学习者也能接受到最好的教育资源。

（3）在教学实施和管理方面，充分利用线上课程平台完备的课程建设、管理、师生互动和评价分析等功能提升教学效率[5]。

3.3 教学内容方面

课程以强调培养创新和实践能力为主要特色，采用基于单片机的Arduino硬件平台从理论和实践两个方面对教学内容进行改革，整合涵盖智能家居、智慧农业、自动控制、数据采集处理、物联网应用等与专业实际需求紧密结合的理论知识和项目案例，让学生能够学以致用，为后续课程的学习以及今后相关工作研究打下基础。

3.3.1 硬件教学平台

硬件教学平台是单片机课程的主要教学载体，传统单片机类课程以实验箱或集成开发板作为硬件教学平台，实验教学主要以验证型实验为主，学生不仅无法了解掌握硬件系统内部结构的设计和工作原理，在应用创新和分析解决问题方面更是倍受局限。

Arduino是以8位单片机处理器为核心，在全球创客教育和电子竞赛中广受青睐的开源硬件平台，具有开放性、易用性、可扩展性等特点。用Arduino开源硬件代替传统的单片机实验箱或开发板作为硬件教学平台，学生能够快速上手实践，提高应用创新能力。

3.3.2 理论教学内容

理论教学内容以在线视频、电子阅读材料、电子教案、开源工具箱等多媒体教学资料为载体讲授单片机微控制器的原理与应用开发技术，包括微控制器、接口控制、时钟控制、模数转换、中断控制应用、显示驱动控制与应用、总线通信、无线通信、物联网应用等基本原理及应用开发语言基础和相应的应用开发案例。

3.3.3 实践教学内容

充分利用Arduino开源平台开放兼容的优势，设计物联网在家居建筑、环保节能、安防、智慧农业、移动应用等领域交叉应用的案例，将物联网前沿技术和应用设计理念融入到教学项目中。实践项目以Arduino硬件平台为核心，扩展常见传感器、执行器、通信模块、数据接口等软硬件应用模块，难度从物联网系统架构中的底层数据采集、中间层数据传输到平台层数据控制与展示，逐步递增。通过独立完成项目，学生能够深入理解物联网电子系统的应用模式，掌握从系统方案和硬件电路设计到电路构建、应用编程、系统测试等全过程的电子原型开发技术。

3.4 考核与评估

新工科理念注重学生工程实践应用能力的培养，而传统“重结果、轻过程”的考核方法不利于本课程教学质量的评估和提高。课程采用过程化考核方式，学生完成的每个小测验、实验或项目都会计入总成绩，学生可以根据即时看到的成绩和评价反馈调整自己的学习状态；教师可以全过程关注学习者的情感、态度和行为表现，实时把握学生的掌握情况，并根据每单元的考核得分情况及时调整和干预。

在教学过程中采用调查问卷、分享交流、教研讨论等方式对教学内容和效果进行评估，鼓励学生对课程内容和实践项目提出建议，对完成情况优秀的项目在班级内进行分享和讨论。让学生参与到课程内容建设改革中，对于课程的优化完善具有重要意义。

4 建设实施情况

Arduino接口及项目开发课程教学部分包括慕课教学和课堂教学，学习部分包括课前的慕课学习、课堂的项目学习和实验课项目开发三部分。下面从慕课建设、教学组织、课程考核三个方面探讨课程的建设实施策略。

4.1 慕课建设

Arduino接口及项目开发课程采用课堂教学和慕课教学融合的教学模式，课程内容部署在校园“新农慕课”课程平台上。慕课内容包含若干个单元，每个单元包含教学视频、相关阅读材料、开发手册与工具、单元测验、实验、开发项目等模块[6]。

4.1.1 教学资料

教学资料主要有教学视频和阅读材料。教学视频资料采用美国加州大学尔湾分校在Coursera平台发布的物联网系列课程视频内容。采用国外教学视频不仅能实现资源共享和优势互补，还能减少教师理论课程重复性开发工作，为教师更好地优化教学设计和更新教学内容创造条件。每单元包含若干学习视频和相关阅读材料，为便于学习者在课外利用碎片化时间学习，每个视频时长设置不超过15 min，提供中英文两种字幕。

4.1.2 单元测验和实验

根据每单元视频知识点和项目涉及的知识内容，设计若干单元测试题目和一个实验项目，学习者可以在课余时间选择性地学习阅读材料，根据课程要求的进度完成单元测验题目、完成实验、提交实验报告。学习者完成单元测验后可实时看到自己的答题情况，教师亦可在管理员界面看到题目的得分统计情况，在课堂教学中有针对性地调整教学内容，及时掌握学习者的学习效果，对下一步教学计划安排具有非常重要的作用。

4.1.3 单元开发项目

开发项目是课程建设的重要组成部分，学习者通过自学慕课视频和辅助材料、完成在线单元测验以及课堂学习已经掌握了开发项目所需的知识，具备了按照要求独立完成开发项目的能力。本单元包含“项目开发教学视频”和“项目提交”两部分，学习者按照项目教学视频的要求完成项目后在线上提交自己作品的展示视频和电子报告，教师综合学习者实践环节表现和提交的文件评价学习效果。

4.2 教学组织

课程将学习过程分解为慕课学习、课堂教学、课后练习三部分。

4.2.1 慕课学习

慕课学习部分在课堂教学前一周开始，学生按照慕课规定的日程安排，利用闲散的时间在慕课平台完成视频和辅助资料的自学，阅读实验和项目的完成要求、设计流程等教学文档，并完成相应的线上测试。

4.2.2 课堂教学

课堂教学采用项目驱动式教学法，理论与实践结合，讲授与演示同步，将抽象的理论方法实例化，鼓励学生参与互动，帮助学生发散思维。课堂教学主要分为三个阶段：一是针对理论内容，由教师主导，主要涉及对所教授章节知识点的梳理和重难点的讲解，对讲解内容根据慕课单元测验的得分情况进行调整，在理论讲解过程中考察学生对慕课内容的自学情况；二是针对实践内容，由师生共同完成，主要涉及所教授章节用到的电子模块的编程应用演示和开发项目实现过程演示，在演示过程中引导学生思考和分析，激励学生参与实践，调动学习者的积极性和主观能动性；三是讨论内容，由教师引导并以学生为中心开展，项目的主要开发部分演示结束后，引导学生进行完善和创新，在讨论分析过程中逐步引出新的问题、分析解决问题、完善功能。三个阶段循序渐进，充分调动学生的积极性、提高学生参与度，强化学生实践和创新能力的培养[7]。

4.2.3 课后练习

学生利用线上平台，在课后根据自身的学习情况进行知识的巩固学习，按照慕课任务日程节点，完成在线测试、实验和项目开发等，并将课程要求的报告、总结、演示等文档上传到课程平台。

4.3 课程考核

考核包括单元测验、实验、项目三部分内容，各部分考核的侧重点由浅入深。其中，单元测验每周两次，主要考核当周基本知识和开发项目涉及的知识点；实验项目主要考核学生对于基本知识点的掌握和应用情况；开发项目考核学生对知识点的应用能力、创新能力以及分析解决问题的能力。教师可以通过慕课平台实时看到学生的答题情况，考察学生的学习态度和对知识的掌握程度，分析成绩分布等，从而在教学中实时动态地对教学内容或者方法进行调整；学生也可以看到教师给予的评价和反馈，从教师反馈中得到肯定与鼓励，或通过反馈信息清楚自己学习中的问题并及时加以纠正[8]。

相较于传统期末考核方式，过程性考核加大了对于实践能力的考察比重，考核结果更能客观地反映学生对于课程知识的运用和解决实际问题的能力。过程性考核将评价与反馈贯穿于教学的全过程，不仅更加适应课程多元化下的教学形式和内容，而且能够形成全过程的正反馈，通过考核中的师生互动环节促进教与学[9]。

5 效果与总结

课程建设以新工科建设理念为指导，梳理物联网工程课程建设面临的问题；以强化学生在实践开发、创新应用、团队合作等方面能力素质的培养为目标，结合慕课和开源硬件建设Arduino接口及项目开发课程。在完成两轮Arduino接口及项目开发课程教学之后，笔者从教、学、用三个方面将本门课程与传统的单片机课程进行了对比。在教学方面，课程教学模式有助于教师进行高效的课程管理，使得教师有更充分的精力设计和更新教学内容，对课程进行完善和优化，大大提高教学效率；在学习方面，慕课方式能够调动学生学习的主动性和学习效率，开源硬件能够极大地帮助学生深入理解抽象理论，掌握物联网系统设计原理和应用技术，激发学生的学习兴趣，提高实践创新能力[10]；在应用方面，依托于课程所学内容，成绩优秀的学生在后续的学科竞赛、大学生创新项目、实训设计和毕业设计中能够取得不错的成绩和成果，分析和解决实际问题的能力得到较大的提升，通过实践应用积累的经验将为他们今后的学习和工作打下良好的基础。表1为新建课程与传统单片机类课程的比较。

表1 新建课程与传统单片机类课程比较

6 结 语

教学实践证明，本文以Arduino接口及项目开发课程为例在教学模式和内容方面的改革效果较好，能够很好地激发学生学习的主动性、提高工程实践和解决问题等能力，为面向新工科的专业课程改革建设提供了一定的参考，同时也为一流学科建设打下良好基础。课程改革不可能一蹴而就，在后续教学工作中需要不断地完善和优化课程内容，持续提升教学质量和人才培养质量，促进专业课程体系的优化与完善。