物联网慕课课程建设的探索与实践

陈积明　史治国　贺诗波　赵成成

［摘 要］随着物联网领域的快速发展，社会对物联网技术相关人才培养提出了更高要求。在“互联网+教育”时代，做好物联网课程的在线教育具有重大意义，但如何根据“两性一度”的标准建设物联网线上金课以保证线上教学质量是一个巨大挑战。该研究以作者在爱课程平台上开设的“DIY智慧小屋：带你玩转物联网”课程为例，以设计一个生活中的物联网应用系统案例为主线，实现学生线上学习与线下实践的有机融合，并通过激励策略的设计引导更多的学生完成全部课程学习，全方位践行“两性一度”金课标准要求。这门在线课程的相关数据表明，作者的课程设计与激励举措取得了显著的教学成效。

［关键词］在线教育；慕课；物联网；两性一度

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）03-0018-04

一、开展在线教育和慕课建设的重要性

2019年，教育部启动实施一流本科课程“双万计划”，明确将线上一流课程作为建设重点，同时推进线上线下混合式一流课程建设[1]。2021年3月，国家发展改革委等28个部门和单位联合印发了《加快培育新型消费实施方案》，明确提出由教育部牵头负责有序发展在线教育[2]。可以预见，在很长一段时间内，线上教学将作为重要的教学模式被采用。此外，线上教学能够在很大程度上突破空间、时间、受教育者年龄和教育环境等方面的限制，有效促进教育公平。

慕课是指大规模开放线上课程，最早的慕课是2006年麻省理工学院的开放课程项[3]。如今，慕课已经成为在线教育的代表，既能够在一定程度上解决不同学校教育资源不同的问题，也能够在一定程度上将教师从课堂中解放出来，使其有精力更加注重教学内容的优化，花更多的时间与学生深入探讨问题。目前，国内外一些流行的慕课平台如Coursera， Udacity， edX， 爱课程等已经帮助成千上万的学生获得了他们想要的知识。

教育部原部长陈宝生表示，融合了互联网+、智能+技术的慕课就是在现代信息技术快速发展的大势下孕育而生的，引发了学习方式、方法的积极改变，正在成为推动高等教育变革的重要引擎[4]。因此打造高品质慕课，是当前大学教学的重要任务之一。本文以笔者在爱课程平台上开设的“DIY智慧小屋：带你玩转物联网”课程为例，分享新形势下慕课教学的经验，重点介绍所开设慕课的特色内容、课程的教学设计、课程的教学策略和师生互动经验以及目前取得的教学成果和实践经验等。

二、物联网慕课课程开发的相关背景

（一）物联网行业随着国家相关政策的不断颁布实施而快速发展

2020年，国家提出加快新型基础设施建设（新基建）的进度，包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。国家发展改革委和工信部发布了《关于组织实施2020年新型基础设施建设工程（宽带网络和5G领域）通知》，提出了物联网建设的具体要求。此外，全国多个省市出台了相应的政策文件，比如《深圳市新型智慧城市建设总体方案》、重庆市的《关于统筹推进城市基础设施物联网建设的指导意见》、《北京市5G产业发展行动方案（2019年—2022年）》、《上海市推进新一代信息基础设施建设 助力提升城市能级和核心竞争力三年行动计划（2018—2020年）》。这些政策文件都将物联网列为重点发展的任务。国家政策的引导和支持，促进了物联网行业的快速发展。

根据Statista数据显示，全球物联网设备在2020年达到310亿个，2025年将增加至740亿个，而中国将是最大的物联网连接市场，中国的物联网设备占比接近全球的30%[5]。

（二）物联网人才培养遇到了瓶颈

和物联网行业的快速发展不同，物联网人才的培养却遇到了瓶颈。2018年出版的《物联网时代：新商业世界的行动解决方案》认为，咨询公司HIS预测后五年，物联网人才需求量会达到1000万人以上[6]。物联网从业者需要具备不同领域的知识技能，如硬件设计、嵌入式系统、软件开发。此外，物联网技术在迭代中快速发展，随着知识结构的变化，应用场景也在不断创新。而现有的物联网人才培养模式面临着课程讲授内容相对陈旧、知识与工程结合不紧密以及实践能力培养缺乏等问题。

（三）急需开发高质量的物联网慕课课程

随着物联网人才需求的急剧增加，各种在线教育平台上相继出现了与物联网相关的课程，其中仅爱课程平台上就有252门物联网相关课程。但是文献[3]指出这类课程往往存在缺乏系統教学、知识结构陈旧、理论与实践脱节和缺乏师生互动等不足。

在“DIY智慧小屋：带你玩转物联网”这门课程中，我们尝试以设计生活中的一个物联网应用系统为案例，在教学设计中将理论和实践紧密结合起来，激发学生的兴趣和学习热情，并通过设置多种形式的激励措施和全方位的互动环节，及时给学生答疑解惑，使学生树立课程学习的信心和目标。

三、理论结合实践的物联网慕课课程教学设计

（一）以智慧小屋为案例的物联网开发实践

我们利用一个典型的物联网系统应用场景——智慧小屋，通过智慧小屋所涉及的物联网设备、功能等实现智能家居的若干功能。在这一过程中，我们简化了一些智能家居系统的典型场景，最后将智能温度控制、智能照明控制、空气自动净化、自动灌溉、燃气泄漏报警五个场景浓缩成一个微型房屋模型。

（二）理论与实践结合的章节内容设计

从图1可以看出本课程在章节内容安排上充分考虑了理论与实践并重的特点。前两章首先介绍物联网和云平台的基础知识，随后转向实践部分。第三至第九章以智慧家居应用场景为载体，同步进行物联网软硬件知识介绍和智慧小屋实践。最后三章对物联网前沿知识进行了更为深入的介绍，进一步提高学生的物联网理论水平。上述理论与实践并重的课程设计在提高学生动手能力的同时，还能通过实践环节加深学生对理论知识的理解，对于学生掌握物联网知识点效果显著。

（三）理论和实践的讲义编写与教材出版

课程团队为理论部分和实践部分的学习分别编写了讲义，特别是在课程配套操作手册详细地介绍了课程中涉及的嵌入式设备的系统组成、硬件规格、硬件设备接线以及安装时的一些注意事项。讲义深受学生欢迎，截止到2020年底，实践部分的讲义已经累计下载了2500余次，理论部分的讲义也由浙江大学出版社出版，这两部分讲义的网页截图如图2所示。

（四）从硬件到云端的全栈式物联网实训

在智慧家居的应用场景中，实践环节包括从硬件到云端的全栈式物联网实训。硬件层面的实训对应课程的第三、第四、第五、第六章内容。通过学习，学生能够了解Arduino嵌入式平台，如图3所示，嵌入式开发所依赖的一些库函数、IDE工具以及从嵌入式程序编写到系统调试的所有操作步骤，并且自己动手完成相应的任务。云端层面的实训对应课程的第七、第八、第九章内容。通过学习，学生能够了解设备数据上云后如何使用阿里云物联网平台提供的IoT Studio快速进行应用程序开发，包含平台中的设备导入/调试、服务构建、Web搭建和App搭建等，并完成云端功能的实现。

（五）“两性一度”标准的全方位体现

教育部高等教育司司长吴岩提出的“两性一度”金课标准，指的是高阶性、创新性和挑战度。本课程的教学设计全方位体现了这一标准。其一，高阶性是要培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。本课程对智慧小屋的系统设计，全面综合了电子线路、数字系统、通信原理等多方面知识，锻炼了学生解决复杂问题能力，体现了高阶性。其二，创新性是指课程内容要反映前沿性和时代性，教学方式体现互动性。本课程将业界最新的成果引入课堂，学生通过自己开展探究式学习与实践，教师和学生通过多种方式进行线上线下互动，体现了创新性。其三，挑战度是指课程有一定难度，需要跳一跳才能够得着，这在本课程中也得到了充分体现。本课程要求学生不光要听课，而且要能够自己动手制作硬件实物，进行嵌入式和云平台编程，对学生学完本课程有着较强的挑战性。为了提高学生学习的积极性，我们也采取了一系列的激励措施，并取得了不错的师生互动效果。

四、在物联网慕课课程教学中采取的激励策略

学习慕课课程的学生在没有外力驱动的情况下容易放弃学习[7]。针对这一典型问题，课程团队希望通过设置实践环节增强课程趣味性，通过多元激励机制鼓励学生坚持学习、掌握相应知识点，并取得好成績和预期成效。

（一）积极鼓励学生动手实践

课程团队准备了完善的开发手册和软硬件范本。鼓励学生搭建实际系统，在软硬件协同开发中学习和进步。选课的学生可以将自己制作的智慧小屋成果上传到讨论区，课程团队给予总成绩最多10分的加分。这一举措效果良好，许多学生都积极制作自己的智慧小屋并上传小屋模型的图片和视频（见图4）。

（二）师生积极参与讨论区互动

师生积极互动有利于慕课内容的传播[8]。因此，课程团队的教师和助教们在讨论区与学生积极沟通，回答疑问。许多学生都选择将学习中遇到的困惑、制作小屋时遇到的困难分享到讨论区中。课程团队每天都安排教师和助教上线及时为学生答疑解惑。对于经常提问并在讨论区讨论学习相关话题的“活跃王”，课程团队还给予平时成绩1—2分的奖励。截止到2020年底，讨论区中的回复/评论数量超过3万条，教师答疑区和综合讨论区的所有帖子都有课程团队的回复。

（三）发放阿里云GXIC技能学习证书

课程团队通过和阿里云合作为课程成绩达到优秀等级的学生免费发放阿里云GXIC技能学习证书，激励学生努力学习并争取得优秀成绩。目前已经有超过700名学生通过自己的努力学习获得了阿里云GXIC技能学习证书。

（四）提供AZFT联合实验室实习资格

由阿里巴巴-浙江大学前沿技术联合研究中心（AZFT）物联网实验室为每学期课程成绩排名前10的学生提供实习机会。目前已经有2个学期的20名学生参与了物联网实验室的实习课题，实习的研究内容有Lora定位、车联网总线协议等。物联网实验室为参与实习的学生提供生活保障并发放实习证明。

五、物联网慕课课程实施情况与成效

从2019年9月首次开课到本文写作时，“DIY智慧小屋：带你玩转物联网”慕课已经开设了3个学期，有超过3.5万人选课，在课程推广、辐射全国、走向海外以及提高学生在线学习效率方面取得了一定成绩。

（一）推出英文慕课，上线国际教学平台

此外，2020年4月，爱课程国际平台上线，本课程的英文版入选首批193门精品慕课并面向全球开放，通过云端漂洋过海为全球学习者提供高质量教学资源，为世界高等教育提供“中国智慧”、贡献“中国力量”。到本文写作时本课程英文版已经完成了2个学期的教学。

（二）在同类物联网课程中，本课程单学期最多选课人数遥遥领先

截止到2020年底，本课程单学期最多选课人数已经突破2.5万人。图5是爱课程平台上主流物联网慕课的单学期最多选课人数对比情况，可以看出本课程在其中处于绝对领先地位。

（三）学生好评连连

截止到2020年12月，本课程累计获得324条评价，评分达到4.7分（满分5分），高居计算机大类慕课前列。许多学生都在评价中提到本课程有丰富的实践机会和详细的指导，教学实例贴近生活，教学内容有趣有用。

（四）被几十个学校选作线上教学课程

本课程在智慧树网上线后，截止到2020年12月，已经有37个学校申请将本课程作为线上教学课程，累计有4315名学生通过学习本课程获得自己学校的学分，累计互动2.82万次。本课程将浙江大学的优质教育资源通过在线网络分享给了中西部高校。

（五）课程的学生留存率明显提高

课程的学生留存率是指完成全部学习的学生人数除以选课总人数。本课程的学生留存率达到了2.0%，明显高于同类课程，将知名慕课数据结构公布的1个学期的数据[7]和本课程第二学期的数据进行对比，可以得到下表。

对上表数据进行分析可知，2门课程中观看了首个视频、完成首次测验的学生占选课学生总数的比例相近；但是对比完成最后视频观看、最后测验的学生人数占比，本课程是数据结构课程的数倍。此外，取得本课程优秀成绩的学生人数占比也远高于其他物联网主题慕课。总评合格的学生中，有接近80%的学生达到了80分以上（优秀等级），给予阿里云GXIC技能学习证书和物联网实验室实习机会大大调动了学生学习的积极性。通过上述分析我们发现，课程团队采用激励策略后的师生互动取得了较好的效果，吸引了更多学生坚持学习并取得较好的课程成绩。

六、结语

在物联网慕课的开设过程中，课程团队总结了一些经验，可以归纳为2个方面：其一，在线教育需要从顶层设计上保障实践教学质量。物联网领域的知识结构和人才需求导向决定了物联网课程需要大量的实践环节，而选修在线课程的学生难以直接获得教师在实践环节上的指导和督促，实践教学的质量难以保证。本课程高度重视实践环节，在教学设计上将理论知识和实践操作进行有机融合；课程团队还编写了实践操作手册，积极参与互动，大为减少了学生因缺少指导而放弃实践的现象。因此，许多学生通过本课程学习完成了基本的物联网系统开发，但是我们也发现依旧存在不少学生半途而废的情况，需要在后续开课中想办法加以改善。其二，适当的激励有助于保证在线教育质量。课程团队在开课之初考虑到学生缺乏线上学习自觉性这个情况，因此采取了具有吸引力的奖励措施。本课程最终的选课人数、学生留存率、优秀通过率都明显高于同类慕课。这说明采用有效的激励机制能够激发学生学习的内驱力，提高课程的教学质量。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 关于政协十三届全国委员会第三次会议第2807号（教育类260号）提案答复的函[EB/OL].[2021-08-26].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_gaojiaosi/202011/t20201123_501341.html.

[2] 发展改革委，中央网信办，教育部，等.加快培育新型消费实施方案[EB/OL].[2021-08-26].http：//www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5605113.htm.

[3]   SHI Z G，CHEN J M， HE S B. DIY smart house ： exploration and practice of iot mooc education International[C/OL]. Delft：Conference on Computer Science and Education， 2020：557-560.

[4] 教育部. 合作共贏 开创数字教育新局面：世界慕课大会召开[EB/OL].（2020-12-11）[2021-08-26].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/202012/t20201211_5

05017.html.

[5] Statista全球统计数据库[DB/OL]. https：//www.statista.com.

[6] 马切伊·克兰兹. 物联网时代：新商业世界的行动解决方案[M]. 北京：中信出版社， 2018.

[7] 陈越，何钦铭.数据结构MOOC实践[J].中国大学教学，2015（12）：46-50.

[8] 欧阳康，张梦，赵贝斯特. 慕课教育教学和知识传播研究：以“哲学、文化与人生智慧”慕课为例[J].中国大学教学，2020（11）：85-89.

［责任编辑：庞丹丹］