新工科背景下工科大学生创新实践能力培养研究——以物联网工程专业为例

陈 辉,蒋社想,周华平,徐 辉

(安徽理工大学 计算机科学与工程学院,安徽 淮南 232001)

自教育部积极推进新工科建设以来,先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”,并发布了相关开展和推进新工科研究与实践的通知,为高等院校工科教育的发展指明了方向。为了适应新工科建设背景下对工科人才培养的新要求,各高等院校采取了一系列举措以推进新工科建设[1-3],并取得了初步成效。新工科建设一方面需要针对新兴产业,以互联网和工业智能为核心,大力发展支撑新兴产业发展的新工科专业;另一方面需要改造和升级传统工科专业,以能够更好地支撑国家经济社会发展。随着高精尖技术和人才竞争日趋激烈,未来新兴产业和新经济发展需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。因此,高等院校需要通过开展工程教育改革以提高工程教育质量[4-5],并推动和实现工程教育同国际接轨,培养更多符合新时代需求的工科人才。在此背景下,高等院校迫切需要改革传统教学方法,探索有效提升人才培养质量的途径和方法,以提高工科大学生创新实践能力和解决复杂工程问题能力。

大学生创新实践能力的培养有多种途径,主要包括课堂理论教学和课内外的实践教学活动。其中,课堂理论教学是学生获取知识和培养创新思维最为重要的环节,而实践教学则起到了从理论知识到工程应用的重要桥梁和纽带作用,主要环节包括实验教学、课程设计、综合设计、毕业设计、实习实训,以及课外和校外开展的各类实践活动。由于传统教学中过于强调理论知识的学习和掌握,对实践教学重视程度不够,尽管目前国家对创新型人才培养的重视程度越来越高,高校也从课程体系方面进行了一定的改革,但工科大学生的创新实践能力仍与社会的需求存在一定的差距,普遍存在解决复杂工程问题能力较弱、创新实践能力不足等问题[6]。鉴于此,文章结合安徽理工大学物联网工程专业建设实践,探讨工科大学生创新实践能力培养途径和方法。

1 存在的问题和不足

目前,大多高等院校在大学生创新实践能力培养方面存在一定的短板和不足,难以满足新产业和新经济发展的需求,亟须针对培养过程中存在的问题开展教学改革。通过调研和梳理,目前在物联网工程专业的教学过程中普遍存在以下问题。

(1)教学过程中重理论知识讲解,轻实践环节[7]。教师在课堂教学中过于追求知识内容的多而全,采用满堂灌输的方式,实验教学只作为理论教学的辅助和陪衬环节,且在课程考核中占比偏少,导致学生不够重视实践环节,直接影响课程的教学效果和动手实践能力。

(2)教学内容限于课本层面,融入科技前沿知识不足[8]。由于信息技术尤其是物联网、大数据、人工智能等新兴技术发展日新月异,课本内容明显滞后最新技术的发展,而教师由于各种原因,没能有效地将最新技术和前沿知识融入课堂教学中,导致学生在新知识掌握、视野拓展和创新能力方面受到局限。

(3)实验内容仍然以验证性和操作性内容为主,设计性和创新性内容欠缺,没有设置不同层次的实验内容[9-10]。传统的实验教学中,教师通常按照实验指导书要求指导学生完成规定任务,如软件编程类课程实验,学生按照实验指导书规定的实验任务,能够复现实验指导书提供的实验结果或现象,就算完成实验任务;硬件类课程实验停留在实验箱层面,缺乏设计性和开放性实验内容。另外,所有学生的实验内容相同,没有层次性,不能充分发挥学有余力学生的创新潜能。

(4)学生被动接收,缺少知识探究环节[8]。在多数教学过程中,仍以教师为中心,学生处于被动地位,不注重学生学得好不好,只关注教师自身教得好不好,忽视成果导向教育。学生在学习过程中缺乏主动学习、查阅文献资料和探索知识的过程,导致学生过多地依赖教师的传授,自身的学习能力和解决问题能力得不到很好的锻炼和提高。

(5)教学内容与工程实践联系不紧密,解决复杂工程问题的能力不强[9,11]。教师在教学过程中普遍存在知识讲授缺少工程化背景和工程化应用支撑等问题,没有很好地结合学校具有的行业背景或专业特色,将理论知识融入实际工程应用中,致使学生只知所学知识的表象,不能将其创新性地应用到实际问题当中。

2 创新实践能力培养举措

2.1 融入科研课题,创新课堂理论教学内容

课堂理论教学是学生获取知识的重要环节,也是能力培养的重要途径。课堂教学通常以课本内容为主,教师在讲授重要知识点时,往往更注重理论推导,而忽视其应用场景或在实际工程中的应用,导致学生仅局限于理论层面的理解,不能很好地进行变通和实际应用。同时,由于理论一般比较枯燥乏味,导致部分学生出现学习积极性不高,甚至出现厌学情绪,难以达到课程的教学目标。为了提高课堂教学效果,培养学生创新能力,一个有效的方法是将相关科研课题或工程项目融入教学中。教师在授课准备阶段,需要合理进行知识点和科研课题的融合,以科研项目或工程应用为背景,将讲解的知识点融入其中,让教学内容有具体应用场景的支撑,这样可以激发学生的学习兴趣和热情,加深学生对学习内容的理解,能够让学生印象深刻,如以无线传感器网络课程教学示例。

无线传感器网络是物联网工程专业的核心课程,该课程中的定位技术是重要的知识点之一。在讲解定位算法时,除了讲解节点定位的基本概念之外,重点讲授节点定位算法。如果只是讲解定位算法的原理,很容易让学生感到无趣。在具体教学中,可以通过融入科研课题或最新研究成果,如结合科研课题煤矿井下人员精准定位方法来重新整合教学内容。由于煤矿井下是高危环境,需要对工作人员进行实时的位置监测,那么如何进行人员定位呢?同学们想到的方法是全球定位系统,即GPS定位系统。为了能让学生拓展思路,引导学生分析GPS方案的可行性,然后根据实际情况确定定位方案。考虑到矿井一般位于地下几百米甚至上千米的封闭空间,GPS信号难以到达,因此该方案不可行。进而对煤矿井下定位情况现状分析,煤矿井下传统的定位方案是利用RFID技术(同学们已经学习过RFID技术),通过在井下巷道安装位置已知的RFID阅读器,井下人员通过携带RFID标签来进行定位,这种方法存在定位精度低、取电不方便、成本高等问题。因此,采用无线传感器网络定位是当前研究的一个热点。结合教学内容,选取两种典型的无线传感器定位方法,一种是基于距离的定位方法,一种是与距离无关的定位方法。基于距离的定位方法是先测出目标节点(即位置未知节点)与周边信标节点(即位置已知节点)的距离,然后采用三边测量法或最大似然估计法实现目标节点的定位。距离无关的定位方法中最为简单的就是质心算法。该方法基本思想是计算出目标节点周边邻近信标节点构成的多边形的质心作为目标节点的位置。由于煤矿井下环境复杂,考虑到定位系统的成本和现实环境,在测量距离时,简单有效的方法是通过接收信号强度指示RSSI来间接计算出位置未知节点与信标节点之间的距离。考虑环境的影响,其距离模型如式(1)所示:

(1)

其中,pr(d)为距离信标节点处的信号强度;p0(d0)为距离信标节点d0处的参考信号强度;n为信号传播路径衰减系数;Xσ为由遮蔽效应引起的正态分布的随机变量。

由于目前很多通信控制芯片,如TI公司的CC2530无线芯片提供测量RSSI方法,可以很方便地获得接收信号强度。因此,根据式(1)可以获得目标节点与信标节点之间的距离值。该方法是一种低功率且廉价的测距方法,但由于外部环境的影响,如信号反射、多径传播、非视距等使得信号传播模型变得复杂,导致距离测量误差增大。该方法的关键点是如何提高距离测量的准确性,引导学生在该课程实验中进行测距误差分析和复杂性模型建立。

距离无关的质心定位算法原理简单、容易理解,引导学生考虑质心定位算法的不足,如何提高定位精度是实现该定位算法工程化的关键。通过分析可以发现质心定位算法在定位过程中没有考虑不同信标节点对未知节点位置计算的影响,进而引导学生探索考虑不同信标节点在定位过程中的重要程度,实现更精准定位。

由于课内学时有限,可以将相关问题和要求留作课后提高内容或实验内容。教学内容的拓展和创新,能够在理论教学环节进一步提高教学效果,培养学生创新思维和解决复杂问题的能力。

2.2 构建多层次实践教学体系,培养创新实践能力

创新实践能力培养的另一个重要环节就是实践教学,通过理论和实践相结合,一方面加深对理论知识的理解,另一方面通过实践环节发现问题,通过问题探索解决方案,进而锻炼解决复杂问题的能力。目前常规的实践能力培养途径主要包括课程实验、课程设计、实习和实训、毕业设计等实践环节。但由于传统的实践教学主要注重理论知识的掌握,忽视创新应用能力的培养,因此,需要加大各个实践环节的设计性、创新性内容,重视课外创新实践活动,构建多层次的创新实践环节,如图1所示。

图1 多层次的创新实践环节

图1中实践教学环节涵盖了课内、课外和校外不同层次,通过多种途径让学生得到锻炼,进而达到有效提升学生创新实践能力的目的。

(1)加大创新性课程实验内容建设,提高课程实验的层次性。课程实验是理论教学环节的重要支撑环节,在整个教学中占据重要地位。课程实验教学环节除了验证性、操作性的基本实验内容之外,更重要的是需要根据课程的特点设置设计性和创新性实验。按照课程的教学目标,将实验内容分成基本实验和提高实验,其中,基本实验的内容所有同学都必须完成,提高实验内容是实验教学的拓展部分。这样可以满足不同层次的实验需求,让优秀的学生能够有机会锻炼和发挥自己的学习潜能。如在高级语言程序设计、数据结构、算法设计与分析等课程实验中除常规的实验项目外,还引入程序设计大赛的竞赛题目,包括省大学生程序设计竞赛、蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛、中国大学生程序设计竞赛等竞赛题目,这样可提高学生的学习兴趣。在RFID技术、无线传感器网络、嵌入式系统课程实验中通过物联网综合实验平台设置了设计性和开放性实验内容,如智能交通系统、智能货架系统、智能安防系统等拓展实验,大大激发了学生学习动力和热情,为学有余力的同学提供更多的锻炼机会。在计算机组成原理实验教学中,我们采用Vivado仿真软件+FPGA板级实验平台以及远程在线仿真实验系统,有效解决了实验箱实验项目设计性内容不足、学生发挥空间受限等问题,大大提高和拓展了学生的设计能力和创新能力。

(2) 融入学科工程问题,提高课程设计的应用性。课程设计是综合应用课本理论知识解决问题而开展的实践教学,是学生创新和实践能力培养的重要环节,但由于存在课程设计题目不够新颖、综合性不强、涉及的知识点偏少以及联系工程应用不足等,导致教学目标达成度不高。因此,在课程设计教学中,选题至关重要,除了要考虑教学内容和学生的能力外,还需要充分考虑课程的性质来确定课程设计的题目。对于专业基础课程,主要考虑设计题目的新颖性和趣味性;对于专业课程则可以考虑与专业相关的工程应用来进行命题。如考虑到我校的煤炭行业背景,可结合矿山物联网应用来进行命题,如煤矿井下人员定位系统、矿山环境监测系统、煤矿井下瓦斯预警系统等。由于实际的工程应用系统相对复杂,难度偏大,需对系统进行分解成若干难度适中的子问题作为课程设计题目,引入工程应用背景可以让学生根据工程实际情况来考虑设计方案,真正将课本理论知识和方法用来解决复杂工程问题。对于综合类的校内外实践环节,同样需要加大实践内容与实际应用的联系程度,以企业或行业的真实案例作为实践内容,让学生在模拟真实应用场景中学会分析问题和解决问题。

(3) 强化学科竞赛的引领作用,激发学生创新能力。学科竞赛是培养创新实践能力的又一个重要抓手,通过学科竞赛,达到以赛促教、以赛促学的目的。学科竞赛对学生有更高的要求,不仅要能够综合运用所学专业知识,更需要有一定的创新能力。同时对指导教师的专业能力、科研能力也有一定的要求。学科竞赛通常有不同层次的比赛,有针对专业基础设置的竞赛,如程序设计类竞赛、全国大学生数学建模竞赛等,也有针对学科专业的作品类比赛,这类比赛往往对学生的专业能力有较高的要求,参赛作品需要有一定的创新性、实用性,甚至要有较好的市场应用前景,如挑战杯、互联网+、全国大学生物联网设计大赛等。因此,在教学过程中,鼓励学有余力或有强烈愿望的同学积极参加不同层次的学科竞赛。为了营造良好的参赛氛围,从大一学生入学时就开始进行各类学科竞赛宣传,主办各类学科竞赛讲座,让优秀指导教师和高年级有学科竞赛经验的同学以自身经历和获奖作品进行现场宣讲,让学生对学科竞赛流程和竞赛作品有直观的认识;并在课堂教学过程中融入学科竞赛知识,如在物联网专业导论课程中,我们将往年参加安徽省物联网应用创新大赛作品作为课程内容的一部分,大大促进了同学们对专业的认知和学科竞赛的了解,进一步提高了学生对所学专业热爱和学科竞赛的兴趣。

2.3 改革教学方法,培养创新思维和能力

教学方法是教师为完成教学任务而采取的方法,教学方法是否得当直接影响教学效果和创新能力的培养。在新工科背景下,急迫要求教师创新教学方法,以提高教学效果,培养学生的创新实践能力。在教学过程中,我们尝试采用了案例教学,并充分利用网络资源和平台,结合线上线下混合形式,有效提高了教学效果,增强了学生创新能力的培养。

案例教学方法的关键是案例的选取和设计,案例的选取需要契合教学内容,在教学案例中融入科研课题,并设计探索问题,引导学生自主探索解决方案,通过教师的引导、查阅文献资料以及同学们之间的相互协助,提出解决问题的思路和方案,并在教师指导下,完成方案的实现和验证。如在数字电路教学中采用案例教学[8],在案例中有效结合科研课题,引导学生聚合多学科知识来精准预测数字电路老化延时情况,大大提高了学生的学习兴趣,挖掘了学生的创新实践能力和解决复杂问题的能力。如在讲授无线传感器网络课程定位技术知识点时,以煤矿井下人员定位为教学案例,讲解基本的三边测量法和质心定位算法,提出如何充分利用信标节点来提高位置未知节点的定位精度的问题,要求同学们进行思考和查阅文献,然后给出提高定位精度的解决方案。根据同学们提交的方案进行分组讨论和点评,并作为平时成绩的依据。通过案例教学,大大提高了学生的积极性和自主学习能力。

此外,为了更好地利用网络平台和资源,我们采用了线上线下混合式教学,根据教学目标和内容,将教学资源提前发布到网络平台,通过网络平台发布常规教学内容、拓展教学内容以及需要提前完成的任务和课后需要完成的任务,学生可以在线或离线进行互动交流。通过线上形式畅通了交流的渠道,能够准确地掌握学生利用教学资源和在线学习的情况。在具体操作中,我们通过超星学习通平台进行线上资源的发布、任务布置以及作业提交;通过OJ(Online Judge)在线软件设计课程平台上实现分层次的课后实验任务[12],获得了很好的教学效果。

3 实施效果

通过近 3 年教学改革和实施,学生的创新实践能力得到明显提高,尤其在创新创业项目、学科竞赛获奖、考研升学率、就业率等方面均有较大提升(如表 1)。

从表1中可以看出,2021年和2022年就业率均达到100%,升学率也处在较高的水平。其中,2020年由于新冠肺炎疫情的影响,学生的就业率和升学率偏低。近3年,学科竞赛获奖数量也逐年增加,大学生创新创业项目每年维持在10项左右。可见,创新实践能力培养举措和方法行之有效,能够很好地提高教学效果和提高学生创新实践能力。

表1 近3年教学改革成果统计数据

4 结语

新工科背景下高校大学生创新实践能力培养至关重要,文章以物联网工程专业为例,围绕创新教学内容、构建多层次实践教学体系以及创新教学方法三个方面来提升学生创新实践能力。实施效果表明,文章提出的举措和方法能够有效地提高学生的创新实践能力和解决复杂工程问题能力,为新工科建设和专业培养目标达成以及高质量人才培养提供支撑和参考。