柯春艷，靳 晟，馮向萍

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

近年來，以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域為特征的新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，因此迫切需要加快高等教育轉(zhuǎn)型發(fā)展，提高工程教育效率和教學(xué)效果，培養(yǎng)適應(yīng)新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新型工程科技人才。為了應(yīng)對新的科技和產(chǎn)業(yè)革命挑戰(zhàn)，教育部積極推動新工科建設(shè)，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才，核心要素包括培養(yǎng)學(xué)生工程實踐、創(chuàng)新應(yīng)用、團(tuán)隊合作能力等[1]。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是新工科建設(shè)當(dāng)中的重點專業(yè)之一，課程改革以新工科理念為依據(jù)，應(yīng)用創(chuàng)新多元化的教學(xué)手段，更新前沿實用的教學(xué)內(nèi)容，切實提高教學(xué)效果，培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實踐能力并且能夠適應(yīng)新時代、新環(huán)境、新業(yè)態(tài)的專業(yè)人才。

本文在新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目的支持下，圍繞物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，以Arduino接口及項目開發(fā)課程為例介紹了專業(yè)課程在教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容等方面的改革實踐和課程建設(shè)情況，所取得的成果可以作為類似的單片機(jī)和嵌入式等偏應(yīng)用型的課程建設(shè)的參考依據(jù)。

1 課程建設(shè)的必要性

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)作為地方高等教育中的戰(zhàn)略新興專業(yè)，專業(yè)人才的培養(yǎng)對接當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級有著重要的支撐意義。物聯(lián)網(wǎng)工程關(guān)聯(lián)計算機(jī)、通信、電子、控制等多個交叉學(xué)科內(nèi)容，應(yīng)用廣泛；但是該專業(yè)開設(shè)的時間不長，地方高校在人才培養(yǎng)方面缺乏實踐性研究與驗證，一定程度上存在學(xué)生的應(yīng)用實踐工程能力不能完全適應(yīng)社會需求的問題。

實踐和創(chuàng)新應(yīng)用能力是新工科理念下和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)中很重要的一項能力，將單片機(jī)和嵌入式開發(fā)等典型的偏向于實踐應(yīng)用類課程作為研究對象，對課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式等進(jìn)行創(chuàng)新改革，不僅可以提高學(xué)生對于課程知識的工程實踐和應(yīng)用創(chuàng)新能力，而且可以為物聯(lián)網(wǎng)工程課程體系建設(shè)總結(jié)經(jīng)驗，提供有價值的參考依據(jù)和改革模式。

2 課程建設(shè)面臨的問題

單片機(jī)和嵌入式開發(fā)等應(yīng)用類課程經(jīng)過多年按部就班的教學(xué)實踐，課程的教學(xué)模式和內(nèi)容比較老舊，無法與當(dāng)前行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。因此，類似課程的建設(shè)需要聚焦以下問題：

（1）傳統(tǒng)教學(xué)模式單一，難以激發(fā)學(xué)生的主觀能動性。傳統(tǒng)課堂模式無法適應(yīng)新工科建設(shè)中注重創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)要求。如何借助互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源和信息技術(shù)手段提供靈活開放的學(xué)習(xí)環(huán)境、共享優(yōu)質(zhì)前沿的教學(xué)內(nèi)容以及如何設(shè)計多元的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)情境、學(xué)習(xí)資源和評價模式，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和工程教育效率等，都向教學(xué)設(shè)計者提出了挑戰(zhàn)[2]。

（2）傳統(tǒng)課程內(nèi)容陳舊，不適應(yīng)新業(yè)態(tài)下的人才需求。傳統(tǒng)的單片機(jī)、嵌入式等應(yīng)用類專業(yè)核心課程多以講授底層技術(shù)原理為主，抽象枯燥，多數(shù)初學(xué)者入門難度較大；這類課程的實驗設(shè)置以功能簡單的驗證型實驗居多，內(nèi)容陳舊，與當(dāng)前應(yīng)用的主流技術(shù)和需求脫節(jié)，難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性和積極性，使學(xué)生在實踐創(chuàng)新培養(yǎng)方面受到局限。教師必須突破傳統(tǒng)束縛，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 改革措施

3.1 改革原則

結(jié)合新工科建設(shè)的內(nèi)涵和專業(yè)課程建設(shè)現(xiàn)狀，課程改革主要考慮三個方面的問題：一是教學(xué)方法多元性，融合多種工程教育課程授課方式，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與在線教育相結(jié)合、理論教學(xué)與項目教學(xué)相結(jié)合，有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率；二是教學(xué)內(nèi)容實踐性，結(jié)合社會人才需求對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革和更新，培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力和快速學(xué)習(xí)能力[3]；三是交叉前沿性，以學(xué)科技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用需求為導(dǎo)向，設(shè)計應(yīng)用開發(fā)教學(xué)案例，促進(jìn)專業(yè)技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的交叉融合。

3.2 教學(xué)手段方面

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點是工程應(yīng)用性強(qiáng)、技術(shù)更新快，在教育水平相對落后的地方高校中通過互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)引進(jìn)新技術(shù)和新模式是十分必要的。課程教學(xué)通過融合慕課手段，將傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體、移動教學(xué)方式相結(jié)合，信息技術(shù)與工程教育相結(jié)合，更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，從而提升學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果[4]。具體措施如下：

（1）通過融合慕課手段為學(xué)習(xí)者提供便利的線上和移動端課程學(xué)習(xí)平臺，使學(xué)習(xí)者能夠利用碎片化時間隨時隨地學(xué)習(xí)、重復(fù)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

（2）在線上課程平臺共享國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，為學(xué)習(xí)者提供多種媒體的學(xué)習(xí)材料，使得教育相對落后地區(qū)的學(xué)習(xí)者也能接受到最好的教育資源。

（3）在教學(xué)實施和管理方面，充分利用線上課程平臺完備的課程建設(shè)、管理、師生互動和評價分析等功能提升教學(xué)效率[5]。

3.3 教學(xué)內(nèi)容方面

課程以強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力為主要特色，采用基于單片機(jī)的Arduino硬件平臺從理論和實踐兩個方面對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，整合涵蓋智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、自動控制、數(shù)據(jù)采集處理、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等與專業(yè)實際需求緊密結(jié)合的理論知識和項目案例，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及今后相關(guān)工作研究打下基礎(chǔ)。

3.3.1 硬件教學(xué)平臺

硬件教學(xué)平臺是單片機(jī)課程的主要教學(xué)載體，傳統(tǒng)單片機(jī)類課程以實驗箱或集成開發(fā)板作為硬件教學(xué)平臺，實驗教學(xué)主要以驗證型實驗為主，學(xué)生不僅無法了解掌握硬件系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工作原理，在應(yīng)用創(chuàng)新和分析解決問題方面更是倍受局限。

Arduino是以8位單片機(jī)處理器為核心，在全球創(chuàng)客教育和電子競賽中廣受青睞的開源硬件平臺，具有開放性、易用性、可擴(kuò)展性等特點。用Arduino開源硬件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)實驗箱或開發(fā)板作為硬件教學(xué)平臺，學(xué)生能夠快速上手實踐，提高應(yīng)用創(chuàng)新能力。

3.3.2 理論教學(xué)內(nèi)容

理論教學(xué)內(nèi)容以在線視頻、電子閱讀材料、電子教案、開源工具箱等多媒體教學(xué)資料為載體講授單片機(jī)微控制器的原理與應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，包括微控制器、接口控制、時鐘控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、中斷控制應(yīng)用、顯示驅(qū)動控制與應(yīng)用、總線通信、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等基本原理及應(yīng)用開發(fā)語言基礎(chǔ)和相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)案例。

3.3.3 實踐教學(xué)內(nèi)容

充分利用Arduino開源平臺開放兼容的優(yōu)勢，設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)在家居建筑、環(huán)保節(jié)能、安防、智慧農(nóng)業(yè)、移動應(yīng)用等領(lǐng)域交叉應(yīng)用的案例，將物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)和應(yīng)用設(shè)計理念融入到教學(xué)項目中。實踐項目以Arduino硬件平臺為核心，擴(kuò)展常見傳感器、執(zhí)行器、通信模塊、數(shù)據(jù)接口等軟硬件應(yīng)用模塊，難度從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的底層數(shù)據(jù)采集、中間層數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層數(shù)據(jù)控制與展示，逐步遞增。通過獨立完成項目，學(xué)生能夠深入理解物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)的應(yīng)用模式，掌握從系統(tǒng)方案和硬件電路設(shè)計到電路構(gòu)建、應(yīng)用編程、系統(tǒng)測試等全過程的電子原型開發(fā)技術(shù)。

3.4 考核與評估

新工科理念注重學(xué)生工程實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，而傳統(tǒng)“重結(jié)果、輕過程”的考核方法不利于本課程教學(xué)質(zhì)量的評估和提高。課程采用過程化考核方式，學(xué)生完成的每個小測驗、實驗或項目都會計入總成績，學(xué)生可以根據(jù)即時看到的成績和評價反饋調(diào)整自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)；教師可以全過程關(guān)注學(xué)習(xí)者的情感、態(tài)度和行為表現(xiàn)，實時把握學(xué)生的掌握情況，并根據(jù)每單元的考核得分情況及時調(diào)整和干預(yù)。

在教學(xué)過程中采用調(diào)查問卷、分享交流、教研討論等方式對教學(xué)內(nèi)容和效果進(jìn)行評估，鼓勵學(xué)生對課程內(nèi)容和實踐項目提出建議，對完成情況優(yōu)秀的項目在班級內(nèi)進(jìn)行分享和討論。讓學(xué)生參與到課程內(nèi)容建設(shè)改革中，對于課程的優(yōu)化完善具有重要意義。

4 建設(shè)實施情況

Arduino接口及項目開發(fā)課程教學(xué)部分包括慕課教學(xué)和課堂教學(xué)，學(xué)習(xí)部分包括課前的慕課學(xué)習(xí)、課堂的項目學(xué)習(xí)和實驗課項目開發(fā)三部分。下面從慕課建設(shè)、教學(xué)組織、課程考核三個方面探討課程的建設(shè)實施策略。

4.1 慕課建設(shè)

Arduino接口及項目開發(fā)課程采用課堂教學(xué)和慕課教學(xué)融合的教學(xué)模式，課程內(nèi)容部署在校園“新農(nóng)慕課”課程平臺上。慕課內(nèi)容包含若干個單元，每個單元包含教學(xué)視頻、相關(guān)閱讀材料、開發(fā)手冊與工具、單元測驗、實驗、開發(fā)項目等模塊[6]。

4.1.1 教學(xué)資料

教學(xué)資料主要有教學(xué)視頻和閱讀材料。教學(xué)視頻資料采用美國加州大學(xué)爾灣分校在Coursera平臺發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)系列課程視頻內(nèi)容。采用國外教學(xué)視頻不僅能實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補，還能減少教師理論課程重復(fù)性開發(fā)工作，為教師更好地優(yōu)化教學(xué)設(shè)計和更新教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)造條件。每單元包含若干學(xué)習(xí)視頻和相關(guān)閱讀材料，為便于學(xué)習(xí)者在課外利用碎片化時間學(xué)習(xí)，每個視頻時長設(shè)置不超過15 min，提供中英文兩種字幕。

4.1.2 單元測驗和實驗

根據(jù)每單元視頻知識點和項目涉及的知識內(nèi)容，設(shè)計若干單元測試題目和一個實驗項目，學(xué)習(xí)者可以在課余時間選擇性地學(xué)習(xí)閱讀材料，根據(jù)課程要求的進(jìn)度完成單元測驗題目、完成實驗、提交實驗報告。學(xué)習(xí)者完成單元測驗后可實時看到自己的答題情況，教師亦可在管理員界面看到題目的得分統(tǒng)計情況，在課堂教學(xué)中有針對性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，及時掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果，對下一步教學(xué)計劃安排具有非常重要的作用。

4.1.3 單元開發(fā)項目

開發(fā)項目是課程建設(shè)的重要組成部分，學(xué)習(xí)者通過自學(xué)慕課視頻和輔助材料、完成在線單元測驗以及課堂學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握了開發(fā)項目所需的知識，具備了按照要求獨立完成開發(fā)項目的能力。本單元包含“項目開發(fā)教學(xué)視頻”和“項目提交”兩部分，學(xué)習(xí)者按照項目教學(xué)視頻的要求完成項目后在線上提交自己作品的展示視頻和電子報告，教師綜合學(xué)習(xí)者實踐環(huán)節(jié)表現(xiàn)和提交的文件評價學(xué)習(xí)效果。

4.2 教學(xué)組織

課程將學(xué)習(xí)過程分解為慕課學(xué)習(xí)、課堂教學(xué)、課后練習(xí)三部分。

4.2.1 慕課學(xué)習(xí)

慕課學(xué)習(xí)部分在課堂教學(xué)前一周開始，學(xué)生按照慕課規(guī)定的日程安排，利用閑散的時間在慕課平臺完成視頻和輔助資料的自學(xué)，閱讀實驗和項目的完成要求、設(shè)計流程等教學(xué)文檔，并完成相應(yīng)的線上測試。

4.2.2 課堂教學(xué)

課堂教學(xué)采用項目驅(qū)動式教學(xué)法，理論與實踐結(jié)合，講授與演示同步，將抽象的理論方法實例化，鼓勵學(xué)生參與互動，幫助學(xué)生發(fā)散思維。課堂教學(xué)主要分為三個階段：一是針對理論內(nèi)容，由教師主導(dǎo)，主要涉及對所教授章節(jié)知識點的梳理和重難點的講解，對講解內(nèi)容根據(jù)慕課單元測驗的得分情況進(jìn)行調(diào)整，在理論講解過程中考察學(xué)生對慕課內(nèi)容的自學(xué)情況；二是針對實踐內(nèi)容，由師生共同完成，主要涉及所教授章節(jié)用到的電子模塊的編程應(yīng)用演示和開發(fā)項目實現(xiàn)過程演示，在演示過程中引導(dǎo)學(xué)生思考和分析，激勵學(xué)生參與實踐，調(diào)動學(xué)習(xí)者的積極性和主觀能動性；三是討論內(nèi)容，由教師引導(dǎo)并以學(xué)生為中心開展，項目的主要開發(fā)部分演示結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行完善和創(chuàng)新，在討論分析過程中逐步引出新的問題、分析解決問題、完善功能。三個階段循序漸進(jìn)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性、提高學(xué)生參與度，強(qiáng)化學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7]。

4.2.3 課后練習(xí)

學(xué)生利用線上平臺，在課后根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行知識的鞏固學(xué)習(xí)，按照慕課任務(wù)日程節(jié)點，完成在線測試、實驗和項目開發(fā)等，并將課程要求的報告、總結(jié)、演示等文檔上傳到課程平臺。

4.3 課程考核

考核包括單元測驗、實驗、項目三部分內(nèi)容，各部分考核的側(cè)重點由淺入深。其中，單元測驗每周兩次，主要考核當(dāng)周基本知識和開發(fā)項目涉及的知識點；實驗項目主要考核學(xué)生對于基本知識點的掌握和應(yīng)用情況；開發(fā)項目考核學(xué)生對知識點的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力以及分析解決問題的能力。教師可以通過慕課平臺實時看到學(xué)生的答題情況，考察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和對知識的掌握程度，分析成績分布等，從而在教學(xué)中實時動態(tài)地對教學(xué)內(nèi)容或者方法進(jìn)行調(diào)整；學(xué)生也可以看到教師給予的評價和反饋，從教師反饋中得到肯定與鼓勵，或通過反饋信息清楚自己學(xué)習(xí)中的問題并及時加以糾正[8]。

相較于傳統(tǒng)期末考核方式，過程性考核加大了對于實踐能力的考察比重，考核結(jié)果更能客觀地反映學(xué)生對于課程知識的運用和解決實際問題的能力。過程性考核將評價與反饋貫穿于教學(xué)的全過程，不僅更加適應(yīng)課程多元化下的教學(xué)形式和內(nèi)容，而且能夠形成全過程的正反饋，通過考核中的師生互動環(huán)節(jié)促進(jìn)教與學(xué)[9]。

5 效果與總結(jié)

課程建設(shè)以新工科建設(shè)理念為指導(dǎo)，梳理物聯(lián)網(wǎng)工程課程建設(shè)面臨的問題；以強(qiáng)化學(xué)生在實踐開發(fā)、創(chuàng)新應(yīng)用、團(tuán)隊合作等方面能力素質(zhì)的培養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合慕課和開源硬件建設(shè)Arduino接口及項目開發(fā)課程。在完成兩輪Arduino接口及項目開發(fā)課程教學(xué)之后，筆者從教、學(xué)、用三個方面將本門課程與傳統(tǒng)的單片機(jī)課程進(jìn)行了對比。在教學(xué)方面，課程教學(xué)模式有助于教師進(jìn)行高效的課程管理，使得教師有更充分的精力設(shè)計和更新教學(xué)內(nèi)容，對課程進(jìn)行完善和優(yōu)化，大大提高教學(xué)效率；在學(xué)習(xí)方面，慕課方式能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)效率，開源硬件能夠極大地幫助學(xué)生深入理解抽象理論，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計原理和應(yīng)用技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實踐創(chuàng)新能力[10]；在應(yīng)用方面，依托于課程所學(xué)內(nèi)容，成績優(yōu)秀的學(xué)生在后續(xù)的學(xué)科競賽、大學(xué)生創(chuàng)新項目、實訓(xùn)設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中能夠取得不錯的成績和成果，分析和解決實際問題的能力得到較大的提升，通過實踐應(yīng)用積累的經(jīng)驗將為他們今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。表1為新建課程與傳統(tǒng)單片機(jī)類課程的比較。

表1 新建課程與傳統(tǒng)單片機(jī)類課程比較

6 結(jié) 語

教學(xué)實踐證明，本文以Arduino接口及項目開發(fā)課程為例在教學(xué)模式和內(nèi)容方面的改革效果較好，能夠很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、提高工程實踐和解決問題等能力，為面向新工科的專業(yè)課程改革建設(shè)提供了一定的參考，同時也為一流學(xué)科建設(shè)打下良好基礎(chǔ)。課程改革不可能一蹴而就，在后續(xù)教學(xué)工作中需要不斷地完善和優(yōu)化課程內(nèi)容，持續(xù)提升教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)專業(yè)課程體系的優(yōu)化與完善。