基于新工科的物联网工程专业STEM人才培养模式研究

2023-11-22王青青梁家海袁裕发潘敏玲

教育教学论坛 2023年35期

王青青，梁家海，袁裕发，潘敏玲

（北部湾大学电子与信息工程学院，广西钦州 535000）

新工科背景下，跨学科课程建设正在引领高等工程教育的深刻变革，从“复旦共识”到“天大行动”再到“北京指南”，新工科内涵的核心特征之一就是跨学科，其精髓是交叉融合。新工科专业的关键在于学科交叉融合和跨学科，科学、技术、工程和数学（STEM）教育中，科学和数学属于科学层面，而技术和工程则属于技术层面，STEM教育同样强调学科的交叉与融合。在核心要点中新工科的教学理念与STEM教育的理念有着异曲同工之处，但两者融合的方向不同，新工科为专业学科的融合，STEM教育为知识层次间的融合。本研究将探索在新工科物联网工程专业的建设中融入STEM教育，使新工科专业既有新工科专业跨学科的特点，又具有STEM教育强调的“基础+技术”的特点。为此，培养学生跨学科意识和能力，以及能将基础理论与技术结合的素养尤为重要。

一、新工科背景下STEM教育理念

（一）新工科

教育部在天津大学召开的新工科建设研讨会上要求：“将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，更新教学内容和课程体系，建成满足行业发展需要的课程和教材资源”。教育部、工业和信息化部、中国工程院《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》指出，推动学科交叉融合，着力提升学生解决复杂工程问题的能力，加大课程整合力度，推广实施案例教学等研究性教学方法。强化学生工程伦理意识与职业道德，融入教学环节，注重文化熏陶，培养以造福人类和可持续发展为理念的现代工程师。在此背景下，如何面向国家重大战略和行业发展需求，构建跨学科课程以支撑新工科人才培养，是当前亟待解决的热点问题［1］。

（二）STEM理念

STEM理念是从四个方面运用科学、技术、工程、数学等知识综合解决问题的教育理念，突出了跨学科性和融合性。我国融合STEM理念的高校教育研究起步较晚，已经在基础研究以及应用研究中取得了不少成果，但对于电子信息类专业的研究强度较低。杨婧等［2］构建以“工程实践和创新能力培养”的实践教学课堂体系、搭建“三结合、三级竞赛、三导师制”的人才培养模式等方式探究了STEM教育理念下电子信息类专业的创新型人才培养模式，对相关专业人才培养的促进和发展具有重要意义。STEM教育以项目教学为导向，对物联网工程等电子信息类专业的培养目标有较强的适应性，注重创新型、应用型人才是我国高校新工科专业的发展方向。

二、新工科背景下物联网工程专业人才培养中面临的制约因素

物联网工程专业的人才培养目标是培养熟悉物联网产业链中标识、感知、处理和信息传输四个环节，具备相关的物联网工程专业知识，具备将基本原理及技术运用于物联网及其应用系统的规划、设计、开发、部署、运行、维护等工作的能力，能够从事物联网技术相关领域的设计、开发、管理、维护等工作的人才［3］。物联网工程专业涵盖传统的计算机、电子、通信、检测技术等专业（领域）的知识体系和专业能力，是在相关传统专业的基础上融合而成的新工科专业，该专业最早出现在2010年，教育部发布了关于公布2010年度高等学校专业设置备案或审批结果的通知，物联网工程专业出现在《2010年度经教育部备案或审批同意设置的高等学校本科专业名单》中，属计算机类专业，相较传统计算机类专业和相近的电子类，物联网工程专业办学时间较短，在开展STEM为理念的人才培养模式中存在如下几个方面的制约。

（一）教学资源利用的不充分性

教学资源是指一系列参与教学过程中的因素，比如专业相关的实验设备、教学资料以及配套的课程设计、实习项目等。教学资源的建设是一个较长时间的规划、设计、迭代、优化、排错的积累过程，目前很多的教学资源是从相关专业延伸而来，具有较强的专业针对性的资源还比较少。因此，当前国内多数学校引进的物联网实训设备，使用场景多为基础知识的验证或是观看演示效果，除了上课期间多处于闲置状态，在实际教学中学生不易提高自主思考的学习能力以及创新能力［4］。教学资料一般会分为不同课程，课程之间的联系无法很直观地在项目中体现，从而导致学习的知识点无法在实际应用中连接。而STEM 理念强调以项目为导向，这必然需要将不同课程的知识点进行组合，通过构建跨知识体系，以创新协作理念作为基本手段，提高教学质量［5］。

（二）传统教学方法的制约

在目前物联网工程专业本科教学过程中，主要方法依然是课堂上教师进行理论知识的讲解，最终也以考试或者考查的形式进行学习成果测评。同时，一些课程会以学生讲解、教师补充的形式开展，在一定程度上提高了学生的自主学习能力，但这种形式有可能局限于学生局部知识点的理解，无法面向全体学生。无论是教师还是学生讲授，都面临知识点的灌输问题，而无法对学生思维能力有进一步的提升。对于物联网工程专业的教学，主要存在两个重点：一是由于技术更新较快，导致课本知识与当前主流技术不匹配的专业特殊性；二是人才培养方案体现的专业应用应偏向综合实践能力的提升。而对于物联网工程专业的实践教学，在面向STEM教育时，应该将教学重点放到培养学生分析与解决问题能力、动手实践能力、整合学科知识能力和创新能力［6］上。

（三）教师知识结构及工程经验不足

物联网工程是新专业，物联网工程的专业教师均为从计算机、电子、检测技术、自动化等相关专业转型而来，没有系统学习物联网工程专业的经历，教师的知识结构不够完整；同时，物联网产业是新兴的高科技产业，在社会上的产业布局不均衡，教师参与物联网实际应用项目的机会相对较少，主要是在实验室进行验证性及专项技术研究，综合性应用研究还比较欠缺，在一定程度上影响了教师专业知识体系结构和工程经验的积累，从而影响了专业的发展。

在实际工作岗位中，目前大部分专任教师都处于各课程的独立教学，教师个人的工作量以及教学成果普遍存在差异性。而STEM教育理念对物联网工程这种新工科专业教师的知识储备、项目综合能力、教学能力等各种综合素养提出了更高的要求，同时相关课程组建教学团队共同研讨的教学资源、教学方法对人才培养有着重要的作用。同时，校企合作团队引入的面向实际的岗位需求，与STEM强调的问题情境相对应，企业指导教师重点参与到专业实践体系的设计［7］中，更有助于学生实践动手能力、跨学科知识理解能力以及就业能力的提升。

物联网工程专业在办学过程中存在的不足并不会因为STEM教育模式的改革而消除，但可以基于存在的不足，找出适合当前物联网工程专业建设的STEM教育模式，使得物联网工程专业人才培养质量与传统电子与计算机类专业同步发展，甚至超越传统的电子与计算机类专业。

三、基于STEM的物联网工程专业人才培养模式

物联网工程专业由多学科、多专业融合而来，天然具有多学科交叉融合的特性，与STEM教学模式存在一定程度的自然联系，多学科交叉融合是STEM教育模式的核心，也是物联网工程专业建设的灵魂，针对前述影响物联网工程专业制约因素和该专业的特点，本文提出了STEM模式下的人才培养框架和实现路径。

（一）人才培养框架

在基于STEM理念的物联网工程专业人才培养体系中，对专业能力的培养分为四个层次，分别是工程知识、问题分析、设计开发、研究能力，这四个层次是依次递进和深化的关系，在四个层次中均融入了STEM培养元素，并将STEM元素通过课程的形式加以实现。在工程知识方面，学生能够运用自然科学知识、数学基础知识以及电子技术类工程、语言编程基础理论来分析复杂物联网应用开发、实施等工程问题；在问题分析方面，学生能够通过分析文献，运用数理知识发现物联网应用系统工程问题，同时具备评估解决方案的能力；在设计开发方面，学生能够掌握物联网应用软件设计理论与方法，进行基本的物联网系统规划与设计，呈现设计成果；在研究能力方面，学生能够运用科学方法需求和功能分析，选择研究路线，设计可行的实验方案，并对物联网工程问题进行合理评价。

（二）人才培养的实现路径

1.研究导向的学习模式。在物联网专业本科教育中，强调以学生为中心，通过STEM教育的项目导向、情境式教学等方式，培养学生的研究思路以及实践动手能力。教师将物联网技术应用领域中的现实问题在教学过程中引入，指导学生运用科学方法将物联网应用系统的复杂问题进行需求和功能分析，选择研究路线，设计可行的实验方案，并在最终选用或搭建开发环境进行软硬件实现并验证。研究导向的学习模式会不断提升学生的认知、科研能力，对现实情境中的物联网应用建立正确的认识，最终形成具有深度和广度的课程体系认知［8］，同时，在实现过程中培养的创新精神和科研意识对下一步的研究型人才培养奠定了基础。

2.跨学科融合教学。人才培养中课程的设置一大部分决定了培养学生的方向，STEM中能力培养是多学科要素的组合，科学和数学作为物联网专业的基础课程，而技术和工程实现了专业具体的应用方向，这种“基础+技术”的简单连接无法完全实现跨学科融合。以项目为导向的教学方式涉及的课程以并行的方式开展，结合多平台竞赛的方式，能够确保学生在项目过程中不断涉入相关课程知识，对物联网专业应用所对应的知识点有更宏观的认识；同时，教师在课程教学中适当加入综合性实验，帮助更好地理解并内化知识。

3.校企合作。新工科背景下，高校应积极开展校企合作人才培养模式，物联网工程专业紧密跟踪行业发展，通过创建工程实践教育中心，引入企业授课制度，可以增强高校与企业的交流，在产教融合创新基地中结合STEM教育理念培养学生的自主动手能力。以就业为导向建立校企信息反馈，根据技术需求方向及时补足人才培养中存在的差距，最终达到优势互补、资源共享的合作模式［9］，提升实习就业率以及就业质量。

4.评价体系。以STEM为指导理念，构建对物联网工程专业的教学评价体系，需要采用小组自评、教师或企业指导教师进行评价的方式，对探讨、实验结果、课堂表现、项目答辩等教学过程中各个方面对应的量化评价指标，进行学生的思维能力、动手能力、创新能力、自主学习能力等综合性评价。最终根据测评的结果以评促教，通过学生对知识点的掌握情况以及反馈意见，有针对性地对物联网工程专业的人才培养教学模式进行改革，不断完善教学方式，适应更多学生的发展。

四、实践检验

本研究在某公立应用型大学的物联网工程专业实施和检验，该校的物联网工程专业于2015年设立，至今已办学8 年，毕业生5 届，已毕业学生近400人，在校学生约600人，专业所在的学院还开设计算机科学与技术、电子与信息工程、通信工程等专业，全院在校学生人数约2 400人。该校物联网工程专业于2016年以校企合作的方式引入STEM人才培养教学模式，引入STEM 模式以来，该专业的人才培养质量相较同学院的其他专业优势明显，在升学率、就业率等方面明显好于其他专业。