新工科背景下醫學院校物聯網課程教學實踐創新探索*

孔曉榮 孔祥斌

(內蒙古醫科大學計算機信息學院計算機技術教研室 (內蒙古醫科大學圖書館 呼和浩特 010050)呼和浩特 010050)

1 引言

近年來國家頒布一系列政策指導文件支持物聯網產業建設，教育部于2010年批準開設物聯網工程專業。2017年國務院發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》等文件，探索工程教育的中國模式與經驗，與著名大學共同探討新工科建設與發展方向、內涵特征等[1]。李克強總理提出的“大眾創業、萬眾創新”雙創精神進一步推動加快新工科建設發展步伐。物聯網工程是一門交叉學科，涉及計算機技術、信息通信工程、電子技術等多學科知識，兼具計算機類專業和新工科專業的特點。因此不同類型高校設置物聯網課程內容應結合本校重點專業特色，在理論與實踐教學中真正做到產學一體、學以致用。

2 醫學院校物聯網相關課程設置情況

2.1 課程定位

2.1.1 課程設置 近10年來國內高等院校尤其工科大學陸續開設物聯網工程專業，逐漸形成一套完整專業體系建設規劃，為社會培養優秀應用型創新人才[2]。目前大多數醫學院校尚未設立物聯網工程專業，只是在原有計算機技術專業或計算機類專業基礎上開設物聯網技術課程。內蒙古醫科大學信息管理與信息系統專業、數據科學與大數據技術專業均開設物聯網技術課程，一方面借助計算機類專業技術知識，彌補物聯網技術課程缺乏專業體系建設的不足，另一方面以物聯網技術課程拓展計算機類專業學生的應用實踐能力和就業發展方向[3]。

2.1.2 培養目標 醫學院校計算機類專業學科培養目標具有一定特殊性：課程內容設置更注重培養學生應用實踐能力與綜合實驗技能，并不過高要求專業理論課的知識深度。因此該校物聯網技術課程設置注重交叉學科知識架構合理搭配，在教學模式與課程體系建設方面有效融合多學科知識，尤其在課程實驗與實踐應用方面更加切合實際、注重創新，例如指導學生進行醫學領域的物聯網技術實訓，如醫學傳感器使用、ZigBee技術在醫院智能輸液中的應用、射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)技術在醫療設備管理中的應用等，將物聯網技術課程內容與醫學領域密切聯系、有效配合，凸顯醫學院物聯網技術課程實驗環節的獨特性。

2.2 理論教學

2.2.1 多種類型課程 醫學院校物聯網技術課程往往直接設置在原有計算機技術專業或計算機類專業教學計劃中，而物聯網專業的主要課程如RFID原理、無線通訊網絡、云存儲與計算原理等，可設置在公共選修專業課中講授。以內蒙古醫科大學為例，其信息管理與信息系統專業(以下簡稱信管專業)開設計算機應用基礎等專業基礎課和必修課，其中Linux操作系統和無線技術與物聯網兩門課程直接與物聯網有關，除理論課外還配有實驗課和實訓課。在大數據科學專業中，除上述兩門課程還設置了云計算與數據中心課程。在醫學院校計算機類專業中，物聯網技術課程要突出少而精、理論基礎完善、專業針對性強、實驗環節獨特等特點。專業基礎課和專業必修課主要課程設置，見表1。

表1 專業基礎課和專業必修課主要課程設置

2.2.2 課程設置范例 內蒙古醫科大學開設的無線技術與物聯網是專業基礎課，涉及內容范圍較廣，包括物聯網主要技術原理、3層構架、關鍵技術等內容，對物聯網主要技術形式、工作原理及核心技術進行詳盡講解。感知與識別技術是物聯網4種核心技術中最重要的底層技術，課程詳盡介紹了傳感器的技術原理、類型及特性；磁卡、集成電路(Integrated Circuit，IC)卡識別技術等自動識別技術，光學字符和生物識別技術等原理及特性；條碼(一維、二維及三維條碼)識別技術、射頻識別技術的組成、工作原理和特點。在此基礎上課程對無線傳感網、通信與網絡、智能處理等技術也做了詳盡介紹。圍繞物聯網4種核心技術，課程涵蓋了物聯網技術從信息獲取、接入、傳輸、存儲、分析處理到應用的全過程[4]。

2.2.3 教學方法 充分結合物聯網技術在醫療行業中應用的典型案例闡述某一技術原理及特點，易于理解并能更好地激發學生的興趣。可通過在線慕課(Massive Open Online Course，MOOC)講座視頻實施翻轉課堂教學，線下采用以問題為導向教學(Problem-Based Learning，PBL)等多種教學方法；可充分利用某線上學習平臺作為輔助教學手段，采用小規模在線課程(Small Private Online Course，SPOC)教學方法[5]，編輯和創造多種教學活動，引導學生積極參與，提高主觀能動性。

2.3 實驗教學

2.3.1 內容 注重行業特殊性，與醫學領域緊密結合。教師鼓勵并帶動學生發揮創新意識，積極研究物聯網技術的醫療臨床實踐應用，如采用物聯網技術實現自動監控輸液過程、反饋輸液信息，將物聯網技術應用于醫療器械及藥品的物流追溯等。充分利用醫學行業特點，將技術理論應用于實踐中，有效應對物聯網技術理論課程單調乏味、學生不易理解等問題，從而提升課程實驗教學質量。以實驗帶動教學充分體現新工科的發展特點[6]。

2.3.2 效果 在實踐教學過程中，內蒙古醫科大學師生將物聯網、大數據等前沿技術有效運用到醫學領域中，取得較好教學效果和成績。例如該校信管專業學生作品《智能掃描監控器》《以提高患者用藥依從性為導向的服藥跟蹤APP》分別獲得2018年第11屆中國大學生計算機設計大賽全國二等獎、三等獎；計算機信息學院學生作品《基于U-net模型的數字視網膜圖像血管的提取》獲得首屆全國大學生智能技術應用大賽全國二等獎；學生作品《一種全自動靜脈輸液換液裝置的研制》榮獲2019年第五屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽高教銅獎。利用物聯網等前沿技術在醫學領域中實際應用這一思路開展物聯網課程創新實踐教學活動具有重要性與必要性。鼓勵學生進行創新實踐活動、培養雙創精神有助于提高物聯網技術課程教學質量。

3 新工科背景下物聯網課程教學實踐新特點

3.1 概述

自2017年國務院大力推進新工科建設以來，在國家政策帶動下高等院校努力探索工程教育的中國模式與發展前景，賦予工科類專業新的內涵，如何培養出復合型高素質人才成為高等教育研究探索的重點內容[7]。所謂復合型人才主要是指熟練掌握多學科知識，同時在技術與實踐技能方面表現優秀的學生，其中創新能力是其應具備的重要素質。而創新能力培養很大程度上依靠提高學生實踐能力的教育模式和手段進行實現。

3.2 多元協同教育培養模式

3.2.1 概述 物聯網工程專業是匯集計算機、電子、通信技術等多種專業知識的交叉學科。以萬物互聯理論為基礎的物聯網在各行業發揮著越來越重要的作用，許多工科專業陸續開設物聯網技術概論課程[8]。

3.2.2 多元協同教育 協同教育是指社會某系統(行業)資源要素和教育系統資源要素彼此聯系并相互作用而產生協同效應的教育模式。多元協同教育是指社會各領域如企業、學校、教師與學生等多種社會元素協同參與人才培養過程的教育模式，其改變單一的學校培養模式，通過多元協同形式補充完善人才培養模式，例如通過校企協同合作、師生協同以及跨學科協同等方式，構建一套提升學生實踐創新能力的教學機制[9]。

3.2.3 校企合作 職業院校培養技能型人才的主要手段之一，在推動新工科建設背景下，高等院校高度重視這種培養學生實踐能力的教學機制，有效彌補本科教育傳統上重理論、輕實踐的短板。以物聯網技術教學為例，學校與企業協同合作共同建設物聯網技術實驗基地，有效緩解學校物聯網實驗設備缺乏情況，解決普通高校實驗設施投入資金不足的困難。學校與企業共同制訂學生培養方案，企業可派技術人員指導學生物聯網技術實驗，鼓勵學生積極參與企業物聯網工程項目，從而激發學生主觀能動性，獲得開發項目經驗。物聯網技術課程教學質量得到提升。

3.2.4 師生協同與教科協同 建立導師制，促進師生交流。內蒙古醫科大學倡導項目驅動培養理念，啟動物聯網開發創新項目，帶動學生積極參與其中；醫學專業教師聯手合作指導學生將物聯網技術充分應用到醫學領域中，在社會實踐中培養學生信息技術素養，推動跨學科協同教育，形成教學科研協同促進的培養模式。

3.3 微型實驗室模式

3.3.1 實驗箱教學局限性 校企協同方式能夠在一定程度緩解高校物聯網設備資金投入不足情況。但由于本科院校培養人才層次需求不同、物聯網技術課程實驗學時有限等原因，需要尋找更適合的創新實踐教學方法。目前物聯網實訓課程主要利用各類物聯網實驗箱完成教學實驗任務。此類實驗箱集成物聯網課程主要技術標準，學生僅需按照實驗說明設置參數并進行操作即可觀測到實驗結果。但其應用存在一定局限性：一是進行二次開發時實驗箱提供的資源有限，學生無法進行更多技術創新實踐活動；二是實驗箱僅限課堂使用，無法在課后繼續實驗；三是實驗箱體積較大、價格高，一般由學校配備，學生自主創新活動受到較大限制。

3.3.2 微型實驗室特點及應用 隨著新工科建設發展，國外先進教學實驗模式引入國內，如微型實驗室模式，其為美國德州儀器公司(Texas Instruments，TI)及賽靈思公司(Xilinx)在中國大學實驗計劃項目之一。微型實驗室使用的小型硬件開發模塊(Microduino)體積小、功能全、成本低且為開源，能夠提供不受空間、時間等限制的教學實驗模式，學生可隨時隨地進行物聯網創新實踐活動，充分發揮主觀能動性，增強對物聯網技術的創新開發意識[10]。如果微型實驗室與國內著名的開源物聯網通用平臺Yeelink云服務資源密切配合進行數據采集與通訊控制，能夠有力擴展以學生為主體的課外創新性教學實踐活動，從而引導學生深刻理解各種物聯網通訊協議與技術標準，牢固掌握物聯網無線傳感網原理并應用到創新實踐項目中。目前微型實驗室實驗教學模式正在多所高校逐步展開應用。在醫學院校中，物聯網設備資金投入不足問題比工科大學較為明顯，更適合推廣應用微型實驗室模式。

4 結語

國家大力推進新工科建設以來，以物聯網、云存儲與計算以及大數據等前沿技術為代表的工科專業課程發展迅猛。醫學院校計算機類專業應緊密配合國家發展戰略進行相應調整，改革原有教學模式，引入先進教學實踐模式。物聯網技術課程的理論內容與實驗教學模式改革，能夠更好地培養學生對物聯網技術的興趣，提高創新實踐能力，大力推進醫學院校培養與時俱進的新工科復合型人才的教學發展步伐。