新工科视角下融入工程能力培养的项目启发式课程教学

赵广磊 米洁 马锴

摘 要：“新工科”是国家教育部针对“中国制造2025”“互联网+”等重大战略提出的工程教育改革新思路，着眼于未来新技术产业发展，构建工程教育的新理念、新结构、新质量和新体系。文章面向国家新工科战略培养创新型工科毕业生的基本目标，探索如何在课程教学过程中培养学生的工程实践能力。以物联网教学为例，物联网是一门新兴的自动化专业课程，文章从新工科的视角对如何将工程能力培养融入到课程教学中进行了探究。首先，对物联网课程教学的现状进行了分析，指出当前教学过程中普遍存在的问题。其次，以培养学生的工程能力为目标，提出如何调动学生学习积极性、培养学生分析与解决工程问题能力的项目启发式教学策略。最后，所提出的策略在燕山大学自动化专业进行了初步的实施，并取得了较好的效果。文章所提出的融入工程能力培养的项目启发式教学策略对于国家新工科战略的推广具有重要的促进作用。

关键词：新工科；工程能力；物联网；教学策略

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）19-0096-04

Abstract： New engineering is a new idea of engineering education reform which is proposed by Ministry of Education， aimed at some major strategies like "China Manufacturing" "Internet plus" and so on， new engineering focuses on the development of the new technology industry in the future and new concept， new structure， new quality and new system of engineering education. This paper aims at the objective of training the innovative engineering graduates under the national engineering strategy， and explores how to train students' engineering practice ability in the process of teaching. Taking the teaching of Internet of Things （IoT） as an example， the IoT is a professional course of automation， this paper explores how to integrate the training of engineering ability into teaching process under the view of new engineering. First， we analyze the current status of the teaching of IoT， and points out the common problems in the current teaching process. Then， aiming at training students' engineering ability， this paper proposes a heuristic teaching strategy to mobilize students' learning enthusiasm and cultivate students' ability to analyze and solve engineering problems. Finally， the proposed strategy has been carried out initially in the automation major of Yanshan University and has achieved good results. The heuristic teaching strategy proposed in this paper has an important role in promoting the promotion of the national new engineering strategy.

Keywords： new engineering； engineering ability； Internet of things； teaching strategy

一、概述

我國工程教育规模目前位居世界第一，工科学生在专业知识、逻辑思维、工具使用、职业道德等方面的表现能够得到用人单位的肯定，但是在前沿知识、创新能力、国际交流能力、分析解决工程问题能力等方面表现一般[1]。鉴于高等工程教育在我国高等教育中的重要地位，深化工程教育改革，建设工程教育强国，对国家推动创新驱动发展，实施“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等重大战略具有重大意义。为推进工程教育改革，2017年2月18日，教育部在复旦大学召开了关于高等学校工程教育发展的战略研讨会，进而发布了《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，号召高校开展“新工科”的研究实践活动，从而深化工程教育改革，推进“新工科”的建设与发展[2]。可以看出，“新工科”概念的提出是基于国家战略发展新需求，国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向。以培养多元化、创新型卓越工程师为目标，需要重点把握学与教、实践与创新等任务。在工程教育实施过程中体现工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系等新工科的核心思想。可见，对于工科专业学生工程能力的培养是实现新工科工程教育改革的必备因素，如何在有限的课堂时间内向学生传授专业知识同时培养对于工程问题的分析和解决能力是我们所面临的问题。许多教育工作者对面向工程师培养的教学改革[3-6]及教学方法[7-9]进行了探究，所提出的教学方法在部分专业如化工、软件、机械等取得了良好的教学效果。本文以国家新工科建设的战略为背景，聚焦于如何在课程教学过程中培养学生的工程实践能力，以物联网课程教学为例，探讨融入工程实践的课堂教学对于国家新工科建设与发展的促进作用。

二、物联网课程教学模式的现状分析

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其核心是物-物相连。国家发改委、工信部等部门都出台了支持物联网发展的政策，国家十三五规划也提出了物联网是第四代工业革命的重要支柱。由于物联网技术的发展符合信息时代社会发展的需求，目前，众多国内高校开设了物联网技术相关的专业及课程，目标在于培养工科学生在物联网工程与实践方面的专业素质和能力。然而，由于物联网产业规模的快速增长和相关技术的迅速发展，物联网专业知识也在不断的更新换代，如何在有限的课程教学过程中调动学生的学习兴趣、传授专业知识、培养学生的工程实践能力是物联网课程教学的目标。就作者本身的物联网课程教学经验、以及对相关兄弟院校物联网课程教学的调研情况，传统的物联网课程教学并不能适应国家新工科战略的发展需求，主要面临如下问题。

（一）教学模式单一，难以培养学生的工程能力

传统的物联网课程教学多是采用理论教学+课内实验的教学方式。理论教学为教师根据教材讲解专业知识，课内实验多为单片机实验，甚至缺乏多节点通信组网实验，和理论知识不匹配。理论教学和课内实验往往是不同的专业教师负责，因而导致理论课老师并不了解学生实验过程中遇到的问题，而实验老师也并不了解学生在课堂教学过程中具体学习了哪些专业知识，因而导致理论教学和课内实验的脱节。另外，实验课通常是学生根据实验大纲对软硬件进行调试，并没有思考软硬件的体系结构和设计方面的内容。因此，在完成课程教学后，学生在分析解决工程问题方面的能力并没有得到锻炼，只是机械式的学习了相关的课程内容，没有达到培养学生工程能力的目的。

（二）教学内容偏理论，难以激发学生学习兴趣

相比于传统的数学基础课程和模电、数电等专业基础类课程，物联网更侧重于实践，实现物-物相连的物联网感知、传输、信息处理三层体系架构是物联网课程的核心内容。传统的物联网教学主要是根据教材讲解物联网基础理论和关键技术，如射频识别、无线传感网、信息安全等基本技术原理，而所讲的关键技术如何通过软硬件实现、在实际工程项目中如何应用等内容较少涉及，因而造成学生不了解所讲知识在工程实践中的作用，难以激发学生的学习兴趣，对于课上所讲内容多是在死记硬背，应付考试。因此，如何将物联网的理论知识更好的和工程实践相结合，调动学生的学习积极性是当前面临的问题。

（三）教学目标不明确，难以反应工程实际需求

物联网课程的教学目标通常是要使学生通过学习掌握物联网的基本概念及射频识别等关键技术的原理，虽然也提到培养学生的物联网系统的整体分析和设计能力，但教学过程往往忽视了对于学生系统设计能力的培养。对于工科的本科生而言，培养目标是卓越工程师，因此对于物联网这样的侧重于实践的专业课应该有明确的能够反应工程实际需求的教学目标，对于原理知识的理解和掌握是基础，而如何通过软件和硬件实现物联网关键技术、以及工程实现中如何解决可能遇到的问题才是关键。因此，需要指定明确的教学目标，并给出能够量化的考核指标检验教学目标的达成度。

三、新工科视角下物联网教学改革与实践

新工科的目标之一是推动现有工科专业的改革和创新，新工科对工程技术人才知识结构转换、工程创新能力提升的要求，为课程的改革指明了方向。以国家的新工科建设战略为背景，针对传统的物联网教学中存在的问题，我们提出如下几个物联网的课程教学改革策略。

（一）融入工程项目的课堂教学，调动学生学习积极性

由于学生对于纯粹的理论教学往往不感兴趣，其本质并不是课程内容的原因，而是学生对于想学的物联网专业知识如何使用、如何解决工程问题缺乏足够的认识和了解。因此，针对这一问题，我们提出融入工程项目的引导式教学方法。具体来说，在物联网课程的首次教学过程中，通过介绍智能家居系统这一典型的和日常生活密切相关的物联网应用，并利用实际的智能家居原型系統硬件设备（如射频阅读器、射频卡、传感器节点等）向学生展示智能家居系统的基本构成和功能，继而引导学生思考如何通过实物实现这些功能，从而引入物联网后续课程所要学习的专业知识和关键技术，包括射频识别技术、无线通信技术、信息安全技术等。例如进入家门需要进行身份识别、家中的多个监测家居环境的设备需要进行组网通信，这些功能可以通过基于射频识别的门禁系统、以及基于无线传感器网络的通信和组网功能来实现，而对于射频识别原理和无线通信协议及原理的掌握是实现智能家居的前提，通过实际工程项目软硬件系统的展示能够激发学生对于学习物联网专业知识的兴趣。

（二）工程项目的结构和功能分析，培养学生分析工程问题能力

由于首次课堂教学中所介绍的智能家居系统主要还是总体功能的介绍，并未涉及到软硬件系统实现的细节问题。为了维持学生对于知识学习的兴趣及培养学生分析和解决工程问题的能力，在物联网的整个教学过程中穿插智能家居系统的结构和功能分析，使学生能够了解物联网课程的每一部分知识在实际工程项目中是如何应用的。具体来说，在进行相关物联网关键技术的课堂教学时，首先结合智能家居系统中相关的结构和功能，讲解要实现这些功能需要用到哪些知识，进而引导学生去学习这些知识。以无线通信技术为例，在授课时首先向学生介绍智能家居系统中为了布线和配置的简便，需要用到无线通信的功能，智能家居中的多个监控设备和传感器设备会实时测得大量的数据，如监控探头、温湿度传感器、有害气体传感器等，这些数据都要通过无线信号传输到家庭管理中心，并且不同的设备之间也可能需要通信和传递信息。无线通信组网的功能涉及到软件和硬件，软件方面，需要通过程序实现无线通信协议栈及相关功能，硬件方面，需要具有无线通信功能和支持无线通信协议的芯片以及监控和测量设备。因此，通过智能家居系统的功能和结构分析，一方面能够使学生保持学习相关专业知识的兴趣，更重要的是通过项目的分析能够培养学生针对实际需求分析工程问题的能力。

（三）设置三级项目，培养学生解决工程问题能力

在物联网教学过程中，通过项目引导式教学，一方面使学生积极的学习了物联网课程的专业知识，另一方面学生也了解到所学知识在工程系统中的应用价值。为了进一步培养学生的工程实践能力，需要在分析工程问题的基础上解决工程问题，可以通过三级项目实现。所谓三级项目，就是学生分组完成一个实际工程项目的简单原型系统，在进行系统的分析和软硬件实现的过程中，全面提升学生的工程实践能力。具体的实施过程：在课程教学过程中，布置三级项目任务，学生分组（三人一组）完成，可自由选择物联网相关的应用或由教师指定题目设计实现一个实际的物联网系统，如水环境监测系统、智能抄表系统、无线医疗系统等。学生在学习的过程中，一方面学习专业知识并通过课堂中所讲解的智能家居系统了解了如何对实际系统进行分析，另一方面举一反三，将所学的知识应用到解决其他工程问题之中。三级项目的实施主要通过学生课后时间完成，另外授课教师安排时间进行答疑。学生在完成三级项目的过程中，需要编写相应软件程序以及部分的硬件系统设计，会遇到各种各样问题，而分析和解决问题的过程能够极大的促进学生工程实践能力的提高，同时也锻炼了学生的团队协作能力和沟通表达能力，从而对工科学生的综合能力的全面提升起到积极的促进作用。

四、实施效果

融入工程项目的物联网教学在燕山大学自动化专业计控方向的两个班级已进行了第一轮实施，和往届的教学效果相比，以往的课堂教学只是纯粹的讲解理论知识，而对于这些知识的应用较少提及或者只是泛泛而谈，导致学生学习动力不足，而利用项目启发式教学使学生了解了所学的专业知识的实际作用，能够有效的提高学生的学习兴趣。另外，通过三级项目的实施，使得学生不仅巩固了理论知识，更重要的是在项目实施过程中对于工程实际的需求分析和所遇到的软硬件系统问题的解决，对于工程实践能力的培养也具有积极的促进作用。在课程结束后，预留一定的时间让学生完成三级项目并统一安排时间进行答辩，如图1-3所示，通过答辩过程检验学生分析和解决工程问题的能力培养情况，以及语言表达能力、团队协作能力等综合素质能力。该教学方式的总体效果良好，但是由于学生缺乏工程经验，三级项目的实施所占用的课外时间较长，因此该教学方式是否适合向其他课程推广还需要进一步的实践和论证。

五、结束语

在国家新工科战略的背景下对如何改进课堂教学方式以培养学生的工程实践能力进行了探讨和初步实施。通过项目启发式的教学过程，通过引导学生了解所学知识如何在工程实际中使用，能够有效的激发学生的学习兴趣。通过对于工程问题的分析锻炼了学生对于实际工程问题的分析能力。通过三级项目，进一步提高了学生的动手实践能力和解决工程问题的能力。基于项目启发式的教学改革符合国家深化工程教育改革，推进“新工科”的建设与发展的战略，有利于培养符合社会和时代需求的工科毕业生，对于新工科建设在高校中的具體实施具有积极的推进作用。

参考文献：

[1]中国工程教育质量报告[R].中国人民共和国教育部，2014.

[2]教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知[Z].中华人民共和国教育部，2017.

[3]傅雷扬，饶元.新工科背景下软件课程教学模式研究-以安徽农业大学为例[J].重庆科技学院院报（社会科学版），2017，10：116-118.

[4]朱君，宋树祥，秦柳丽，等.“新工科”创新理念的电子信息类专业基础实践教学改革[J].实验技术与管理，2017，34（11）：171-174.

[5]张晓琳，侯维敏，卢春兰.以工程能力为导向的化工教学改革与实践研究[J].长春师范大学学报，2017，36（10）：149-151.

[6]刘银华.工科研究生工程及科研能力的培养方法思考[J].高教学刊，2016，3：224-225.

[7]陈建义.基于“新工科”过程流体机械教学方法研究[J].教育教学论坛，2017，48：154-156.

[8]魏秀珍，柳华贵，陈金媛.以学科公共平台为依托的教育实践能力培养体系构建探索[J].中国教育学刊，2015：32-33.

[9]牛聪，唐丹丹，张文慧.能力培养导向的工程流体力学课程改革初探[J].高教学刊，2017，6：54-55.