面向新工科的物聯網工程實踐教學模式探索

楊桂松， 彭志偉， 何杏宇

（上海理工大學a．光電信息與計算機工程學院；b．出版印刷與藝術設計學院，上海200093）

0 引 言

“新工科”這一概念于2016 年提出，此后教育部多次組織高校進行深入研討、調研和論證，于2017 年正式推出“新工科”計劃，并先后形成了“復旦共識”［1］“天大行動”［2］和“北京指南”［3］等指導性文件。“新工科”是相對于傳統工科而言的，是以新經濟、新產業為背景，是一個動態的概念。“新工科”建設既要推動現有工科專業的升級改造，探索符合工程教育規律和時代特征的新培養模式，也要設置和發展一批新興工科專業，并加強建設、提升質量［4］。

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次浪潮。2009 年8 月，我國首次提出發展物聯網，之后在教育部2010 年3 月發布的《教育部辦公廳關于戰略性新興產業相關專業申報和審批工作的通知》文件中明確將物聯網技術加入戰略性新興資源產業，隨后，我國高校開始申請并建設物聯網工程專業。而在2018 年教育部辦公廳印發的《關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》中，物聯網工程專業包含其中。為了響應“新工科”的號召，物聯網工程教學需要改革、推陳出新［5］，從而跟上時代的步伐，更好地服務于國家的經濟發展以及產業升級。一些研究者以“新工科”為背景，探索了物聯網工程特定課程的教學改革，比如文獻［6］中從“無線傳感器網絡與實踐”課程的特點出發，對該課程的定位、標準、教學內容、教學資源、教學過程以及師資隊伍等方面進行了詳細的探究，提出了基于CDIO（構思-設計-實施-運作）、項目化、啟發討論式相結合的教學模式。文獻［7］中依照工程教育認證培養方案，采用CDIO、雙語教學、校企合作等方法，探索了傳感器原理與檢測技術課程的教學改革。也有一些研究者提出了面向“新工科”的培養方案改革，比如文獻［8］中以東莞理工學院物聯網工程專業為例，在闡述人才培養方案制定及實施過程的基礎上，從培養目標、核心能力、課程結構與學分要求4 個方面分析了人才培養方案的實踐內容。文獻［9］中針對物聯網工程專業建設中存在的培養目標不聚焦、課程設置過于寬泛、畢業生就業去向與物聯網行業匹配度低等問題，分析了教學實踐中課程設置模式的不同特點，指出物聯網工程專業課程設置的發展方向和歸屬。文獻［10］中圍繞工科專業培養目標、課程設置、實踐安排等主要環節開展調查，深入分析了物聯網工程專業學生工程實踐能力的現狀，指出其中的關鍵性問題，并提出了建立以創新創業為主要驅動力的實踐能力培養平臺的思路。文獻［11］中從工程教育新理念、交叉與融合的課程體系、深度學習的教學模式以及產學研深度合作4 個方面闡述了作者對于“新工科”背景下物聯網工程專業人才培養模式的思考。文獻［12］中研究了在“新工科”的背景下物聯網工程專業在創新創業方面存在的問題，并以平頂山學院為例提出了一些改進方案。除此之外，還有一些研究者也闡述了關于“新工科”背景下教學方法的思考，比如文獻［13］中鼓勵教師采用體驗式學習、基于項目學習、基于問題學習、探究學習、主動學習方法以及運用案例教學、翻轉課堂等教學方法。文獻［14］中以上海交通大學的研究型實驗課程為例，解決在某些實驗課程中教材過時、實驗無創新性等問題，該研究型實驗課程提出包括介紹、示范、研究以及評估4 個階段的教學方法，并使用主題-工作成果-書面報告三維評估標準。

由于“新工科”更強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通信、電子控制、軟件設計等新技術的融合，另外“新工科”要求注重創新創業能力的培養，倡導多渠道協同育人。為此，本文在物聯網工程實踐教學模式中，設計多學科交叉融合的課程體系，逐步引導學生由淺入深地學習物聯網工程專業知識，夯實基礎；制定注重培養創新能力的教學方案，著力提升學生的實踐能力以及創新意識，并進一步提供多方位育人機制，整合教學資源，優化教學氛圍。另外，該教學模式提出建立學生學習風格檔案，通過該檔案，一方面讓學生在學習實踐中更加了解自己感興趣的技術以及自己最適合的學習方式，從而提高學習效率；另一方面，讓老師通過該檔案了解每一個學生的特點，從而實現個性化教學，提高人才培養的效率和質量。同時，該檔案不是一成不變的，它根據實踐教學情況不斷更新，從而形成自適應的教學促進和反饋。

1 物聯網工程的理論知識架構以及學習風格概念的引入

1.1 物聯網工程的理論知識架構

物聯網工程是一個交叉領域，涉及計算機技術、通信技術、電子技術、測控技術等多個領域的知識，它的發展將為促進國家信息產業升級貢獻重要力量。為了促進物聯網的發展，國家在發布的《“十三五”國家信息化規劃》［15］中特別提到了智慧物流、智慧交通、智慧健康醫療、智慧旅游、智慧休閑、智慧能源等物聯網在各個細分領域的創新應用。因此，在“新工科”的背景下，物聯網工程實踐教學不僅需要做好各學科知識的交叉融合，還要培養學生的創新能力，使其能夠將所學知識融入生產實踐［16］。

圖1 所示為物聯網工程關鍵技術和理論知識架構。根據數據流向，將物聯網工程的相關技術劃分為感知技術、網絡通信技術、信息處理技術和應用4 個層次，而在前3 個層次中，每1 個層次又有相應的理論支撐。其中，電路原理、傳感器原理、電子系統設計等為感知技術提供理論支撐；通信原理、信號處理方法、計算機硬件基礎等為網絡通信技術提供理論支撐；自動控制理論、人工智能理論、數據庫理論等為信息處理技術提供理論支撐。根據圖1，數據從產生到應用的過程描述為：①利用感知技術中包含的硬件感知或軟件感知采集數據；②利用網絡通信技術中包含的有線通信或無線通信進行數據傳遞；③利用信息處理技術對海量數據進行管理、檢索和處理；④ 這些存儲和處理的數據將應用在能源管理、安防監控、智能交通和物流監控等領域。

圖1 物聯網工程的關鍵技術和知識架構

1.2 學習風格概念的引入

在物聯網工程實踐教學模式中，建立學生學習風格檔案是關鍵。學習風格這一概念是由美國學者Thelen［17］于20 世紀50 年代提出的，此后許多學者都對這一問題進行了研究，并給出了各自的定義。縱觀已有定義，看法基本相同，即學習風格是學習者帶有的獨特的、相對穩定的、且是個性化的學習方式［18］。在物聯網工程實踐教學模式中，采用Keefe［19］給出的學習風格定義，即“學習風格是學習者特有的認知、情感和生理行為，它是反映學習者如何獲取信息、如何與學習環境相互作用并對學習環境做出相應反應的相對穩定的學習方式”。根據學習者的學習風格為其制定相適應的學習內容、學習計劃或學習方法，可以使得學習者的學習效率快速提高［20］。

為了獲得學習者的學習風格，研究人員提出了多種學習風格模型，其中以Felder-Silverman 等［21-23］的學習風格模型最被重視。傳統的方法根據學習風格模型中給出的風格量表，通過調查問卷獲得量表需要的各項信息，經過信息處理便可獲得學生的學習風格。但是，該方法存在一些缺陷，比如調查問卷獲得信息受學生主觀因素的影響，不一定能反映其真實的情況。另外，由于學習風格是相對穩定、但不是一成不變的，因此需要不斷更新，而調查問卷操作麻煩，不易于重復進行。隨著研究的發展與進步，一些新的獲得學習風格的方法被提出，比如使用決策樹算法，基于規則的分類方法，貝葉斯網絡，混合機器學習法以及隱馬爾可夫模型等。通過記錄學生真實的學習實踐情況，獲得基礎數據，然后使用任一上述算法，便可以獲得學生的學習風格。相較于傳統方式，這類新方法可以減少學生主觀因素對結果的影響，因而獲得的學習風格更客觀，而且操作容易，一旦搭建完成基礎環境便可持續更新學生的學習風格。

在物聯網工程實踐教學模式中，采用了Felder-Silverman學習模型，并使用隱馬爾可夫模型獲得學生學習風格。Felder-Silverman學習模型依據學習者對信息的感知、輸入、理解、加工等認知過程，將學習者分為感悟型／直覺型、視覺型／言語型、綜合型／序列型、活躍型／沉思型等4 個維度8 種類別［24］，因此更全面。對于隱馬爾可夫模型，文獻［25］中的示例表明，該模型通過考慮學習者各行為之間的關聯性，能夠提高學習風格的判斷準確率，而且該方法能夠預測學習風格的傾向性，這對于學生自身或老師根據學習風格自適應調整學習或教學有重要的指導作用。

2 物聯網工程自適應實踐教學模式

物聯網工程自適應實踐教學模式是一種面向“新工科”的新型模式。如圖2 所示，該教學模式可以分為設計多學科交叉融合的課程體系、制定培養創新能力的教學方案以及探索多方位育人機制層層遞進的3個方面。①通過設計多學科交叉融合的課程體系夯實專業基礎；②在此基礎上通過制定注重創新能力的教學方案提升學生的動手能力和創新意識；③通過探索多方位育人機制整合教學資源以及優化教學氛圍。這3 個方面中的每1 個方面都和學習風格檔案相關聯，學習風格檔案為其提供指導，而其實踐教學情況又會反過來更新學習風格檔案，形成自適應的教學促進和反饋。

圖2 物聯網工程自適應實踐教學模式

2.1 建立學習風格檔案，自適應教學

為了實現自適應教學，需要建立學習風格檔案。在物聯網工程實踐教學模式中，使用隱馬爾可夫模型來獲得學生的學習風格。該模型是一種統計模型，用來描述一個有隱含未知參數的馬爾可夫過程，它可以通過5 元組來描述［26］：

式中：S為無法通過直接觀測得到的隱含狀態，O為可以通過直接觀測得到的可觀測狀態，A 為隱含狀態轉移概率矩陣，B為可觀測狀態轉移概率矩陣，π為初始狀態概率矩陣。

在本科生的第1 學年上半學期進行網絡調查問卷，并結合各種基礎考試獲得學生的初始學習風格，以此作為衡量隱馬爾可夫模型是否準確的基準。在此基礎上，構建隱馬爾可夫模型的過程如圖3 所示，首先隨機初始化參數A，B，π得到一個未完成訓練的隱馬爾可夫模型，然后在第1 學年下半學期的各類課程和網絡調查問卷中重復將學生的學習實踐數據經過預處理后輸入隱馬爾可夫模型，并將得到的結果與基準進行對比，若準確率不高則繼續校準，直到該模型能夠獲得較高的準確率，最終建立一個經過訓練的隱馬爾可夫模型。使用經過訓練的隱馬爾可夫模型，能夠為每一位學生建立其學習風格檔案，該檔案將會在后續學年的實踐教學中發揮指導作用，而實踐教學的結果又會更新該檔案，形成自適應的教學反饋和促進。

圖3 隱馬爾可夫模型的建立過程

2.2 設計多學科交叉融合的課程體系，夯實基礎

為了夯實學生的物聯網工程專業知識基礎，設計合理的課程體系是第1 步。圖4 所示是根據圖1 中的理論框架所設計的物聯網工程課程體系，該體系涵蓋了圖1 中所示理論框架中的所有知識，并且層層遞進，環環相扣。從橫向來看，該體系分4 學年，并由低學年向高學年逐步加深課程難度，涉及多學科知識，便于學生由淺入深地學習，其中，感知技術相關的知識學習安排在第2 學年，通信技術和信息處理技術相關的知識學習安排在第3 學年，深入應用安排在第4 學年。從縱向來看，該培養模式分為理論支撐、基礎實驗、課程設計、工程實踐4 個階段，由易到難，有利于培養學生將理論知識應用于實踐創新的能力。

在第1 學年，首先，通過物聯網導論基礎篇為學生科普物聯網工程的基礎知識，讓學生對物聯網工程有一個初步的認識和了解，并通過企業參觀增進學生的實際觀感和學習興趣，然后，搭配電路原理和大學物理實驗以培養學生的初級動手能力，最后，學生需要學習概率論和統計學，為后續學年的理論學習打下邏輯分析能力的基礎。在第2 學年，課程難度加大，涉及學科增加，需要通過學習電工電子學以及傳感器原理，搭配模擬和數字電子技術實驗，充實學生硬件知識以及培養學生的中級動手能力，并在此基礎上通過學習嵌入式系統原理、軟件開發等課程，打下軟件知識基礎，為感知技術課程設計做準備，該課程設計不但為專業競賽預熱，也為第3 學年更復雜的課程設計打下設計能力基礎。在第3 學年，課程難度進一步加大，課程主要分為通信技術和信息處理技術兩個方面，其中通信技術涉及通信原理和信號處理方法等（偏硬件），而信息處理技術涉及數據庫理論和人工智能等（偏軟件），學生可以根據自身的學習風格檔案自由選擇這兩類課程，這兩類課程設計都有相應的競賽訓練類別和專業實習為輔助，以增加學生的實戰級動手能力。在第4學年，學生已經基本完成專業知識的學習，需要通過畢業設計來總結所學知識，并利用所學知識產生創新，而畢業設計中所需的創新靈感和創新實踐可以通過崗位實習和參與科研項目來獲取和實現。在該體系中，第2 學年學生風格檔案的更新尤為重要，將為第3 學年的課程類別選擇提供指導，而第3學年的學生風格檔案的更新將為第4 學年畢業設計選題提供依據。

圖4 多學科交叉融合的課程體系

2.3 制定培養創新能力的教學方案，提升實踐能力和創新意識

圖5 所示為培養學生創新能力的教學方案，該方案主要應用于基礎實驗和課程設計當中，其實施可以分為兩個部分。第1 部分是通過基礎實驗培養學生的動手能力，以形成和更新初期學生風格檔案，主要針對第1 ～2 學年，在該時間段內，學生主要學習物聯網工程基礎知識，建立初步的知識網絡，老師需要提供種類多樣，難度不等的基礎實驗項目以供學生選擇，然后根據學生的實際操作形成興趣各異的學生風格檔案。

圖5 注重創新能力的教學方案

該教學方案的第2 部分是通過課程設計培養學生的創新意識，主要針對第2 ～4 學年，在該時間段內，學生已經掌握一定的專業知識，經過兩年的培養也已具有一定的設計能力，學習風格檔案也已基本穩定。此時，老師應該轉變角色，由學生發揮主觀能動性。學生參考自身的學習風格檔案提交一份包含“課題類別、題目、實施方案、預期完成時間、預期成果”等詳細內容的課程設計申報書，老師負責審核該申報書，把握其難易程度，并參考學生的學習風格檔案給出具體的指導意見。最終，學生根據老師指導意見對提出的方案進行改進并進行課程設計。在該教學方案中，學生對于基礎實驗和課程設計的實施結果都將用于更新學生的學習風格檔案，幫助提高其學習效率。

2.4 探索多方位育人機制

為了整合教學資源以及優化教學氛圍，提出了多方位的育人機制。如圖6 所示，該機制包括3 個方面：①搭建學生與實踐教學信息之間的橋梁，學校根據學生的學習風格檔案進行個性化信息推送，所推送的信息包括教學課件、知識講座、競賽培訓、科研動態、技術進展、企業招聘等信息；②開設物聯網競賽培訓班，配備專門的競賽培訓師資隊伍，每年定時招新、定點訓練，形成具有傳承性的競賽培訓氛圍；③利用學校的社會資源，建立校企合作平臺，與我校建立長期合作關系的研究院或企業有上海工業自動化儀表研究院、上海電器科學研究院、上海自動化儀表股份有限公司等，應該充分利用這些資源，給學生安排工程師講座和提供企業實習和就業機會。

圖6 多方位育人機制

3 教學質量評價

為了驗證面向“新工科”的物聯網工程自適應實踐教學模式的成效，除了采用考試成績、參賽獲獎情況等作為衡量指標外，將在不同學年對學生的目標明確程度進行網絡問卷調查。該問卷包含“了解自己”“有明確的努力方向”和“知道實現的途徑”3 方面內容。問卷和學習風格檔案的差異以及學年之間的問卷結果差異都將反映成效。其中，“了解自己”是指學生知道自己的優勢和不足，“有明確的努力方向”是指學生知道自己的興趣是什么或是自己想學東西有哪些，“知道實現的途徑”是指學生知道自己該如何做才能實現自己的目標。這些對于大學生來說都是最重要也是不容易明確的東西，只有清楚地知道這些，大學才會過得更有意義。

4 結 語

作為“新工科”之一的物聯網工程，其建設也應遵循“新工科”倡導的“融合”“創新”和“共享”等特點。為了更好地培養物聯網工程人才，提出了面向“新工科”的物聯網工程自適應實踐教學模式。在該教學模式中，其課程體系涵蓋支撐物聯網工程多個領域的知識，體現交叉融合的特點；其教學方案注重實踐能力和創新意識的培養；其多方位育人機制體現校企合作與信息共享。并且，該教學模式引入學習風格檔案，將其融入實踐教學的各個環節，自適應更新并指導師生的個性化教與學，有利于提高教學質量和效率。