大學生物聯網技術課程改革與實踐

摘" 要：為提高大學物聯網技術課程教學效果和質量，西安電子科技大學微電子學院針對物聯網課程教學現存的一系列問題，融入思政育人理念，通過精細教學設計、采取啟發教學、引入科學實驗、重視能力培養、鼓勵團隊競賽和優化考核方式等措施，旨在為微電子專業一線高校教師提供物聯網技術教學參考。課程改革從教學內容、教學方法、考核方式三方面展開，通過問卷調查的方式收集學生的學習體驗，并將學生成績與改革前進行對比分析。結果表明，學生的動手實踐能力、綜合思維能力、團隊協作能力和創新創業能力均得到大幅提升，課程改革成果顯著。

關鍵詞：物聯網；微電子；課程改革；實踐能力；創新創業

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2024）25-0147-05

Abstract： In order to improve the teaching effect of IoT Technology courses， the concept of ideological and political education is integrated into a series of existing problems of it in the School of Microelectronics at Xidian University. By means of the fine teaching design， the inspiring teaching mode is used， introducing scientific experiments， emphasizing ability cultivation， encouraging team competition， and optimizing evaluation method， which is aimed to provide some references for the university teachers to implement IoT Technology teaching. The curriculum reform is carried out from three aspects： teaching content， teaching style， and assessment methods. Students' learning experiences are collected through questionnaire survey， and their grades are compared with beforeand academic performances are analyzed. This practice proves that these methods are effective to improve the students' hands-on practical skill， comprehensive thinking ability， team collaboration ability， and innovation and entrepreneurship capability. Thus， the result of the curriculum reform is remarkable.

Keywords： Internet of Things; Microelectronics; curriculum reform; practical ability; innovation and entrepreneurship

自2017年以來，隨著“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”的相繼發布，新工科建設的“三部曲”奏響了高校人才培養的主旋律，開拓了工程教育改革新路徑[1]。培養創新型、實踐型、復合型的高素質人才成為目前各大高校新的立足點和發展方向。

物聯網技術是目前國家戰略性新興技術，是電子科學與技術、計算機科學與技術、信息與通信工程及其他相關學科交叉滲透、相互融合的基礎上發展起來的一門新型應用型學科[2]。它的涵蓋面較廣，包括了傳感器技術、無線通信技術、定位技術和物聯網安全等。隨著物聯網技術的發展，物聯網組件向著更小、更快、精度更高的方向發展，這就要求各組件具有集成化、規模化的特點，從而增加了對微電子技術的依賴，因此，培養具有微電子背景的物聯網人才變得越來越重要。

微電子技術是在電子電路和電子系統的超小型化及微型化過程中逐漸形成和發展起來的，以集成電路芯片為核心的電子技術[3]。隨著國外技術壟斷和封鎖，微電子技術已經成為目前國家亟需解決的“卡脖子”工程技術。然而，目前在物聯網技術快速發展的背景下，傳感器技術、MCU模塊、射頻芯片、MEMS和芯片加工等技術的落后嚴重制約了我國物聯網技術的發展，因此，探尋培養物聯網發展背景下的微電子專業復合型人才的教學方法具有重要的現實與戰略意義。

一" 物聯網課程教學現狀

面向新工科背景下的國家戰略需求，西安電子科技大學微電子學院為本科生開設了物聯網技術課程，旨在為微電子專業學生澄清物聯網的基本概念，使其掌握物聯網的體系結構和關鍵技術，具備在微電子專業領域跟蹤新理論、新知識、新技術的能力以及較強的創新實踐能力，從而為國家的硬科技貢獻自己的力量。但是，由于物聯網技術的涵蓋面較廣，關鍵技術較多且入門門檻較高，因此，在教學過程中仍然存在很多的問題有待解決。具體如下。

（一）" 學生對課程的興趣不高

首先，對于微電子專業的本科生而言，他們認為只要學好傳統的專業課程（如半導體物理，模擬、數字集成電路等）就會有好的發展，學生對于在本專業領域進行深造或者工作的意愿更強，認為物聯網與微電子的關聯度不夠，因此很難產生興趣。其次，在傳統的課堂教學過程中，往往采用全程由老師講解，學生被動接受的教學模式。這使得學生的課堂參與度較低，學生感覺課堂枯燥無味，難以真正地融入到教學過程中，從而無法激發學生的學習興趣。基于以上兩點，物聯網課程在微電子本科生的教學效果并不理想。

（二）" 課程思政理念欠缺

傳統的課程授課僅僅是專業課程的講授，包括專業知識和專業技能。隨著課堂思政的推進，大學生的思政教育已經不只是思想政治教育課老師的任務，也是每一位專業課程老師的義務。課程思政就要求將思想政治教育的理論知識、價值理念以及精神追求等融入到課程中，潛移默化地對學生的思想意識、行為舉止產生影響。對于物聯網課程來說，繁雜的理論課程學習的任務較重，專業課程的講授已經占用了較大的精力，如何將課堂思政融入到專業講授當中對授課老師提出了較大的挑戰。

（三）" 網絡、密碼學部分難以理解

對于微電子專業的學生來說，硬件對于他們的吸引力遠遠超過軟件，然而，物聯網中的網絡部分和密碼學部分的內容相對較多，這對網絡和密碼學部分的講授帶來嚴峻的挑戰。一方面，網絡和密碼部分的思維與傳統半導體的思維模式不同，需要轉變思維去理解；另一方面，網絡和密碼部分的課時有限，如何在有限課時的前提下提升學生的理解力和接受力也是目前需要探索的目標。

（四）" 學生實踐動手能力差

作為一門與現實生活結合很強的課程，僅僅通過理論的學習很難掌握其技術精髓。此外，之前的教學對培養學生動手實踐能力的重視程度不夠，從而無法使學生將所學的專業知識與實踐有機結合起來。使其無論是在未來工作還是科研崗位上，遇到復雜的項目實踐時無從下手，無法達到工科院校學生應該具備的素質能力要求。

（五）" 缺乏自我管理和有效方法，難以提升學習質量

相比于高中階段，大學階段的課程更多，學習內容也更豐富。對于學生來講，如何在有限時間內合理安排時間進行高效學習，變得非常重要。但實際上，在脫離高中集中管理和集中學習的狀態下，大學生往往缺乏自主管理能力。大學階段不僅課程門類多，社團活動也多，如果學生缺乏自主管理能力，就會對學習、生活、社團活動的安排茫然無措，甚至耽誤課程學習。加上物聯網課程綜合性強、理論性強、難度大等特點，學生對于如何學好這門課程并未掌握行之有效的方法，如果延續以往單一的考核方式，必定存在大量學生死記硬背理論知識來應付期末考試，而不注重理解和實際應用的情況，教學質量難以提升。

二" 課程教學改革方案及教學案例

（一）" 總原則

物聯網技術課程的教學改革，總體堅持學生為主體、教師引導、課內課外相結合、理論與實踐相結合、自主學習和合作探究相結合、階段性考核和期末考核相結合、創新創業教育與思政教育相結合的原則。在教學內容和教學設計上，加強對課程的宏觀把握，提前規劃課程框架，融入與課程相關的人工智能知識、半導體相關實驗、應用案例等，構建有趣、有用、有深度的課程體系，提高課程教學的質量。

（二）" 教學模式

課程改革采取課內理論課外實踐相混合的教學模式，課內活動包括新課講授、案例評析、學生展示和師生互動等，課外活動包括小組合作搜集資料、動手實驗、參加競賽和創新創業活動等。混合式教學模式的優勢在于在有限的課堂時間內高效完成學習目標，提高學習效率，難點在于如何在課堂上調動學生的積極性，以及布置可行性強、能力值提升快的課外任務。

（三）" 課改方案及教學案例

本次課程教育改革的總體思路見表1。

1" 翻轉課堂

物聯網技術是一門啟發性高、創新性強、實踐性突出的學科，目的是講述物聯網的基礎知識，通過案例講解、實驗教學等方式激發學生興趣，培養學生獨立探索與自主學習的能力。傳統的填鴨式教育可以快速增加學生的基礎知識，但是大學生眾多課程設立的初衷是為了打開學生知識體系的新大門，啟發學生進一步研究、思考并加以創新轉化。翻轉課堂的引入正是為了增加學生的課堂參與度，幫助每一個同學理解知識的同時，激發學生課堂學習積極性與科學研究的主動性。例如，在自動識別技術中重點介紹了新興的射頻識別技術（RFID）[4]，從技術的基本概念和發展歷程出發，講述了數據和能量傳輸的原理，介紹了技術的分類、突出特點以及具體應用。通過射頻識別技術的詳細介紹[5]，引導部分學生以小組合作的形式調研和講解生物識別技術、IC卡識別技術等，鍛煉學生團隊協作能力。

2" 加入專業性較強的實驗

知識簡單的傳授很難激發學生對物聯網技術的興趣，專業性實驗的加入可以起到學以致用的效果，同時拉近學生與科學研究的距離，通過實踐的方式可以讓學生進一步體會到微電子專業與物聯網技術的密切關聯度。趣味實驗的設計以課堂教學為基礎，以學校平臺為依托，旨在提高學生動手實踐以及科學探究的能力，實驗報告和實驗心得的填寫可以鍛煉學生總結歸納和邏輯表達的能力，有利于養成較好的科研習慣。比如，在傳感器節點電源系統的學習中，了解電源系統中DC-DC電路的工作原理，對感興趣的同學開展電路圖的繪畫以及仿真軟件Cadence的學習，鍛煉學生的實踐能力；由于物聯網中涉及到微加工技術，這和微電子專業學生息息相關，因此，結合了課題組平臺開展半導體功率器件的制備實驗，并進行簡單的表征與測試，通過老師和研究生的演示與指導，幫助學生了解微加工的具體過程與注意事項，熟悉半導體微加工的工藝和關鍵技術，提高學生對微電子專業的興趣，加深學生對物聯網技術領域的了解。

3" 將思政元素融入教學過程

物聯網是一門科學性及實踐性極強的學科，對課程思政的開展和發揮課程的德育功能十分有利。立德樹人是高校教師的天職，我們需要在教育教學過程中將思政元素融入課堂，潛移默化地影響學生的思維。

首先，物聯網技術中蘊含著大量的思政元素，可以融入到課堂教學中，進一步激發學生對物聯網技術的探索欲望和學習興趣。例如，在傳感器部分，在課堂中引入了微電子專業知識，與納米級微加工和MCU模塊聯系起來，進而給學生講述了光刻機以及歐美國家對我國的技術封鎖，加強了學生學習微電子專業的使命感；在定位技術中，介紹衛星定位技術時強調了中國北斗衛星的定位原理，以及和美國的GPS，意大利的伽利略、俄羅斯的格洛納斯進行了對比，增強了學生的民族自豪感與自信心；在密碼學部分，融入了抗戰期間我國情報工作人員的破譯故事以及感人事跡，讓學生深知我們幸福生活來之不易，增加了學習的積極性。

其次，在學生考核環節中加入思政主觀考察，例如，通過中國北斗衛星的研發談談對大國工匠精神的理解；從俄烏沖突中說出物聯網在戰爭中的應用以及從國家層面如何看待戰爭與和平等。通過這樣的考察方式，讓學生思考物聯網中的應用以及在國家層面上如何提升我國的技術水平，增強自己的擔當與使命。

4" 教學目標規劃創新教法

在物聯網技術課程教學內容上不能僅僅局限于一本教材，在課下應多向學生推薦一些相關的學習網站（如我愛物聯、物聯中國）和參考書目（如《物聯網導論》《物聯網商業時代》《一本書讀懂物聯網》等），讓學生認識到物聯網知識應用的廣泛性，從而有利于提升學生自主學習的意愿和能力，提高理論課程教學質量和效果。物聯網與人工智能是兩個相互獨立而又緊密關聯的技術，如果說物聯網是發達的神經系統，人工智能便可以實現對系統的精確控制和有效決策[6]。鼓勵微電子專業學生多去閱讀有關物聯網+人工智能在網絡安全、農業生產、城市建設、醫療領域和居民生活等方面的應用，尤其是這些應用與微電子專業之間建立的關聯，同時采取適當的手段督促鼓勵學生自主調研與學習，如研讀筆記或PPT展示，讓學生獨立思考與自主學習的行為更加常態化。

5" 案例教學

物聯網技術的講解不能只局限于理論知識的講解，應該結合實際應用，突出現階段發展現狀與技術突破面臨的關鍵性問題，引導學生探討可能采取的方案與改進措施。通過部分案例的剖析與講解，給學生一定的思想啟發，同時通過課堂研討與課后作業的方式提高學生思考問題的能力，激發學生改進創新的活力，發散學生優化應用的思維力。比如，在無線網絡技術教學過程中，向學生重點講解了大功率服務器電源，其中介紹了不同種類服務器電源轉換效率與負載之間的關系曲線，引導學生思考為什么轉換效率隨負載增加呈現先增大后減小的趨勢，以及如何讓服務器在更大負載范圍內呈現出較高的轉換效率[7]。為了防止服務器發生故障時對用戶的負載造成損壞，需要給大功率電源提供過流保護和過壓保護，介紹傳統的保護措施后通過課后作業的形式讓學生思考怎么進行更多的優化，提高系統工作時的容錯能力。

6" 注重編程能力訓練

物聯網在應用時注重算法的應用效率，但是傳統的算法容易帶來較多安全漏洞，密碼學可以為物聯網安全提供加密和認證的服務，解決網絡互連的機密性、安全性和可用性問題[8]。介紹完分組密碼算法、對稱密碼算法和祖沖之序列密碼算法的基本概念與原理后，為了加強學生對算法的理解，訓練學生的編程思維，搜集一些基礎編程習題安排成習題庫，給出參考答案的分析、解釋與說明。同時設置一些創新性、綜合性較強的例題，幫助能力較強和感興趣的學生打開上升的空間。為了檢驗學生的學習效果，解決學生學習過程中遇到的問題，適當安排一些答疑和討論的時間。

7" 競賽和創新創業大賽

為了調動學生學習主動性，激發創新創業思維，培養工程實踐力和團隊協作力，以大學生創新創業大賽為契機，向學生普及與課程相關的競賽和創新創業大賽，鼓勵學生積極參與，同時在關鍵節點上對學生進行一定的指導與建議。比賽的參與可以激發學生不斷突破自我的潛能，促進學生自主學習、大膽創新，競爭的過程中能夠開闊學生的視野，訓練學生的動手實踐能力，協調學生之間的配合度，檢驗學生對專業知識的理解度。比如在講述無線傳感技術后，指導有興趣的學生參加相關的創新創業大賽，設計出能耗更低、效率更高的傳感器節點電源系統。由于傳感器節點對電源抗輻射性能、轉換效率、穩定性要求較高，因此通過方案設計、參數選取、仿真分析、PCB板制作以及硬件測試的方式制作出了恒定輸出電壓的GaN基電源轉換器[9]。相比傳統的Si基器件，工作頻率明顯提高，輸出電阻、電容明顯減小，轉換器功率密度明顯提高，轉換效率將近90%。轉換器的制作過程中首次使用自檢測濾波電路緩解振鈴電壓的影響，提高了工作時的穩定性。由于轉換損耗較大，進一步的工作將繼續提升電源轉換效率。

8" 完善多樣化考核機制

過程性考核是一種非集中式的多情境考核，突破了常規考核要求在規定地點、規定時間內完成的約束，具有較強的靈活性、適用性，可以較全面地實現對學生的整個學習過程分階段展開動態考核、測評分析，恰好可以彌補傳統的終結性考核造成的單一性、片面性等缺點，方便學生及時查漏補缺、有效調控自身的學習過程。為了突破傳統終結性考核重結果輕過程的缺點，采取終結性考核與過程性考核相融合方式，期末考試成績不再作為唯一和最重要的評定依據，課堂表現、課后學習以及實踐練習等都參與評估課程的最終考核成績。多樣化的考核機制便于我們掌握學生在各個方面的學習情況，同時讓學生的考核評估變得更加準確且具有參考意義。在實際操作中，讓學生以小組的形式完成課堂中的任務與課下的編碼練習，并對學生們的想法和成果進行一定的延伸擴展，引導學生們思考更深層次的問題，考查學生的思考與實踐能力；以新技術與未來展望為主題安排課程論文與大作業，讓學生們有機會觸碰到自己感興趣的科學前沿技術和亟待解決的問題，培養學生的文獻查閱與總結能力；以多種出題方式安排期末開卷考試，考察學生對課程學習的熟悉度與理解情況，考試中融入穿插了思政元素，使學生提升了愛國情操，增強了使命感與擔當；在學生的考察中引入了翻轉課堂，比如讓同學們調研和講解典型的自動識別技術、物聯網+人工智能的應用、大功率服務器的過流過壓保護等，鍛煉學生的團隊協作能力。

三" 課程教學改革成效

（一）" 教學成效問卷調查

為了了解學生對課程教學改革后的具體看法以及課程學習情況，對76名學生進行了一項匿名形式的問卷調查，最終有效問卷為75份，統計結果見表2。

從表2中可以看出，學生對教學改革成效整體呈現積極的態度，其中85%的學生表示課程改革顯得很有必要，課程質量的提高對學生知識獲取和能力提高大有裨益；92%學生對課程改革效果呈現正向的態度，60%學生覺得效果很好，說明改革方式方法適合大多數學生；85%學生對物聯網技術課程掌握的較好，但是掌握很好的比例不到35%，這可能與課程綜合性較強、學習難度較大、課時安排較少有很大關系；實驗部分學生正向評價只有70%，且覺得很有效果的學生比例不到30%，可能與學生動手能力較弱、實踐時間較短、實驗次數較少有很大關系，后面改革應該加大對學生實踐能力的培養；學生能力素質在課堂推進過程中普遍得到提高，其中自主學習與思政理念方面收獲更為明顯，思維方式改善較差，今后的教學過程中仍然需要加強。

（二）" 成績分布情況

表3統計了教學改革前后學生成績的分布情況，為了讓數據更加真實，期末考核難度相當，課堂成績占比均為20%，教改后課程論文占比設置為50%，忽略不同屆學生之間的差異，從考核項目和成績分布狀況可以看出：①教改后考核項目增加了課程論文部分，考核形式多樣，對學生成績評價更加具體化，增加了成績評定的科學性。課程論文的方向不固定，便于學生尋找自己感興趣的部分深入了解，訓練學生資料搜集和自主探索的能力。②教改后課堂成績不再局限于簽到活動，更加注重學生課堂參與以及課下自主學習情況，過程性考核提高了學生課程學習的專注度和持續性，調動了學生對物聯網技術深入探究的積極性，讓學生從本課程中學到更多專業知識，同時思維能力、表達能力等得到提升。③從教改前后的期末考核中可以看出，教改執行后學生基礎知識掌握得更好，課堂知識理解的更充分，優良比例大幅提升，低分段人數大幅減少，期末考核成績明顯提高。④從總評成績可以看出，學生成績達到良好及以上的人數占比明顯增加，比例超過60%，說明新的教學模式提高了學生整體的學習效果，但是依然有部分學生對知識的掌握還不到位。

四" 結束語

課程教學質量直接影響學生學習效果，課程設計豐富有趣會提高學生對課程的重視程度，激發學生的興趣，調動學生的參與度。大學生課程教學不能局限于理論知識的傳授，更應該注重動手能力的訓練，創新思維的培養，綜合素質的提高。本次課程教學改革以物聯網技術為例，融入思政育人理念，通過精細教學設計、采取啟發教學、引入科學實驗、重視能力培養、鼓勵團隊競賽和優化考核方式等措施，旨在探索出一條高質量教育教學模式。結合問卷調查以及學生成績可以看出，教學改革初見成效，多數學生在課程學習過程中各項能力得到較大提升，學習效果較好。數據同時也表明學生動手實踐能力依然較弱，對新知識理解運用能力依然有待加強，這為下一步微電子專業學生課程改革奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 王洪濤，王斌，吳俊升.面向產業變革的應用型人才內涵式培養[J].教書育人（高教論壇），2022（18）：65-68.

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[9] 胡官昊，陳萬軍，施宜軍，等.基于GaN器件Buck電路死區功耗分析與優化[J].電源學報，2016，14（4）：90-95，127.

基金項目：教育部高等教育司2021年第一批產學合作協同育人項目“半導體物理實驗的教學體系改革與實踐研究”（202101333015）；西安電子科技大學教育教學改革研究項目“大學生創新創業能力培養課程與實踐體系貫通化建設”（C21130）

第一作者簡介：何云龍（1988-），男，漢族，山東濟寧人，博士，副教授。研究方向為微電子學與固體電子學。

*通信作者：陸小力（1980-），男，漢族，安徽蕪湖人，博士，教授。研究方向為微電子學與固體電子學。