面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革

劉剛 劉森 劉中華 邱涌

摘要：《傳感器網(wǎng)絡(luò)》是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程應(yīng)用能力培養(yǎng)必修課程，但現(xiàn)有的教學(xué)過程存在能力培養(yǎng)目標(biāo)不明確、教學(xué)內(nèi)容陳舊、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不合理等問題。本文結(jié)合《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2016版）》中對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的明確要求，通過構(gòu)建畢業(yè)要求能力點(diǎn)、企業(yè)深度參與課程教學(xué)、實(shí)施基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的考核過程，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的理論、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)以及考核過程進(jìn)行改革，試點(diǎn)于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科學(xué)生并取得良好效果。本文提出的基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的教學(xué)改革方法可推廣于物聯(lián)網(wǎng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中。

關(guān)鍵詞：工程教育;專業(yè)認(rèn)證;傳感器網(wǎng)絡(luò);畢業(yè)要求能力

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672 - 9129（2018）12 - 0069 - 02

引言：傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的工程應(yīng)用能力培養(yǎng)必修課程，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防軍事上具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。但是傳統(tǒng)的教學(xué)方法采用“注入式”教學(xué)方法，不管是從內(nèi)容上，還是從實(shí)施方式上，都沒有結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的社會(huì)需求和相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力低、解決復(fù)雜工程能力不足、就業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)等現(xiàn)象。目前，課程教學(xué)主要存在以下三個(gè)問題：

（1）教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，與當(dāng)前最流行的技術(shù)和社會(huì)需求脫節(jié)，導(dǎo)致所學(xué)不能致用。

（2）理論課程配套的課程設(shè)計(jì)題目過于老套，學(xué)生很難有創(chuàng)新意識(shí)。

（3）評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不夠合理，不能準(zhǔn)確量化學(xué)生成績(jī)。

工程教育是我國高等教育的重要組成部分。工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心就是要確認(rèn)工科專業(yè)華業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評(píng)價(jià)。

《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2016版）》中對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力有明確的規(guī)定。畢業(yè)要求中的第一點(diǎn)就指出“工程知識(shí)：能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問題”。此外，在畢業(yè)要求的其他條款中多次出現(xiàn)了“復(fù)雜工程問題”，如：在第二點(diǎn)問題分析中就要求“研究分析復(fù)雜工程問題”，在第3點(diǎn)設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案中指出“能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜工程問題的解決方案”等等。在整個(gè)12條畢業(yè)要求中“復(fù)雜工程問題”在其中8條中出現(xiàn)，這就說明了本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[1]。學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)性、全局性的工作，這涉及到科學(xué)的安排教學(xué)內(nèi)容、開展多種形式的教學(xué)活動(dòng)以及設(shè)計(jì)合理的教學(xué)評(píng)價(jià)體系?；诠こ探逃龑I(yè)認(rèn)證理念，國內(nèi)專家學(xué)者在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)認(rèn)證[2]、物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)課程體系優(yōu)化[3]_、理論教學(xué)[4-5]和實(shí)踐教學(xué)[6-7]等方面進(jìn)行了卓有成效的改革。

本文以工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求為指導(dǎo)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)過程進(jìn)行改革，總體思路如下：

（1）建立適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求的課程考核能力點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）探索校企合作機(jī)制，突出學(xué)生主體地位，探索適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求的教學(xué)模式，并將內(nèi)容貫徹到考核過程。

（3）面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，構(gòu)建《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程考核體系。

1 畢業(yè)要求能力點(diǎn)與解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)

《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程主要內(nèi)容包括：傳感網(wǎng)絡(luò)概論、微型傳感器的基本知識(shí)、傳感網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)、傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用等七部分。

1.1 畢業(yè)要求能力點(diǎn)分解。《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程支持的畢業(yè)要求來源于工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)12項(xiàng)能力點(diǎn)中的問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、使用現(xiàn)代工具和工程與社會(huì)。課程對(duì)應(yīng)的能量點(diǎn)要求分解如下：

能力點(diǎn)1.對(duì)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)工程問題進(jìn)行建模、求解和優(yōu)化。

能力點(diǎn)2.針對(duì)開發(fā)組件、系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)測(cè)試用例，進(jìn)行合理、有效的軟硬件測(cè)試。

能力點(diǎn)3.掌握開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)钠脚_(tái)、技術(shù)、資源和現(xiàn)代工程工具的方法，并理解其局限性。

能力點(diǎn)4.熟悉計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)。

1.2 解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。在理論和實(shí)踐教學(xué)過程中，從無線傳感網(wǎng)絡(luò)基本概念、傳感器特性及選型、傳感網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制和定位技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)的能量管理和安全機(jī)制、傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)等主題出發(fā)，由淺人深地講授傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)基本概念、原理、相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，以軍事應(yīng)用為背景，給出一個(gè)完整傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試和維護(hù)等過程，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用工程問題的能力。

2 教學(xué)方式方法

課堂教學(xué)首先要使學(xué)生掌握課程教學(xué)內(nèi)容中規(guī)定的基本概念、基本原理和基本方法。特別是通過講授，使學(xué)生能夠?qū)@些基本概念和原理有更深入的理解，使之有能力應(yīng)用到實(shí)際問題的處理中。使用多媒體課件，配合板書和范例演示講授課程內(nèi)容。適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生閱讀外文書籍和資料，培養(yǎng)自學(xué)能力。

轉(zhuǎn)變教育教學(xué)觀念，突出學(xué)生主體地位。由傳授知識(shí)為主向培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)為主轉(zhuǎn)變;由強(qiáng)調(diào)以教師為主體向以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體轉(zhuǎn)變。在教學(xué)方法上，推行以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的工程型學(xué)習(xí)方法，整個(gè)學(xué)習(xí)過程都以學(xué)生為中心，學(xué)生由傳統(tǒng)學(xué)習(xí)過程中的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)的參與者。以剖析計(jì)算機(jī)領(lǐng)域相關(guān)工程原理形成過程為載體，以分析、研究和解決計(jì)算機(jī)領(lǐng)域工程實(shí)際問題為主線，以團(tuán)隊(duì)合作為形式，將知識(shí)學(xué)習(xí)與問題研究相結(jié)合，在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，訓(xùn)練分析、解決問題的能力。學(xué)生在思考、分析和探究問題過程中主動(dòng)獲取并應(yīng)用知識(shí)，在解決問題過程中培養(yǎng)和鍛煉實(shí)踐能力，在團(tuán)隊(duì)交流與合作過程中提高綜合素養(yǎng)。教師在工程型學(xué)習(xí)中的作用則是合理設(shè)置工程專題及實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，介紹相關(guān)知識(shí)，提供主要參考資料及其獲取途徑，提出學(xué)習(xí)與研究的要求和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);組織學(xué)生學(xué)習(xí)并安排進(jìn)度，進(jìn)行必要的答疑。形成教師“導(dǎo)”、學(xué)生“演”的工程場(chǎng)景式學(xué)習(xí)氛圍。通過這一過程，使學(xué)生循序漸進(jìn)地完成相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)與方法的訓(xùn)練。

為了解決教師和學(xué)生與企業(yè)脫節(jié)的問題，引入企業(yè)進(jìn)入理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過2017年教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”，充分利用企業(yè)提供的教學(xué)資源、技術(shù)和平臺(tái)，對(duì)現(xiàn)有課程設(shè)計(jì)的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施方式、考核目標(biāo)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改革和實(shí)踐，具體做法如下：

（1）構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)生態(tài)環(huán)境。通過配套的傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，除直接對(duì)個(gè)體進(jìn)行技能與實(shí)踐能力的培訓(xùn)外，也把企業(yè)使用的技術(shù)與項(xiàng)目產(chǎn)品引入課堂，讓老師在教書育人的同時(shí)參與到項(xiàng)目和技術(shù)的學(xué)習(xí)中，提高老師本身與企業(yè)的溝通能力并參與到企業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)中，有利于培養(yǎng)出更多的具備較強(qiáng)應(yīng)用實(shí)踐能力的學(xué)生。

（2）基于企業(yè)項(xiàng)目背景的實(shí)驗(yàn)。目前部分課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來自于企業(yè)客戶與合作伙伴，客戶與合作伙伴還提供實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行所依賴的企業(yè)環(huán)境軟件系統(tǒng)，以支撐實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的真實(shí)企業(yè)體驗(yàn)。學(xué)生在進(jìn)行一個(gè)企業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同時(shí)，還可以通過這個(gè)項(xiàng)目了解整個(gè)企業(yè)以及行業(yè)的其他相關(guān)軟件項(xiàng)目系統(tǒng)，從而熟悉整個(gè)企業(yè)與行業(yè)的業(yè)務(wù)規(guī)則，拓展學(xué)生的企業(yè)經(jīng)驗(yàn)與行業(yè)知識(shí)。

（3）基于創(chuàng)新的課程設(shè)計(jì)。在配套的課程設(shè)計(jì)過程中，引入創(chuàng)新設(shè)計(jì)，注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思考。實(shí)訓(xùn)中巧妙設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生使用已知思考未知，并引導(dǎo)學(xué)生在已有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中使用最新技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中融人其他技術(shù)，創(chuàng)造新的產(chǎn)品。同時(shí)，在實(shí)訓(xùn)中向?qū)W生介紹目前行業(yè)的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最新發(fā)展，鼓勵(lì)學(xué)生把個(gè)人的商業(yè)意識(shí)融人到項(xiàng)目開發(fā)中，直接把實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目改良后作為商品推出，從而達(dá)到創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化的目的。

3 課程考核

3.1 過程性考核。企業(yè)參與理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)平時(shí)作業(yè)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提出建設(shè)性內(nèi)容，并給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，成績(jī)計(jì)人課程考核的平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)部分;鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)活動(dòng)并計(jì)人考核成績(jī);鼓勵(lì)學(xué)生積極思考和自學(xué)能力培養(yǎng)，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的新見解、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的優(yōu)良解決方案在課程考核中給予加分。

3.2 考試命題改革的措施。

（1）對(duì)于傳感器選型以及性能指標(biāo)理解，要求學(xué)生結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下徒手人員、武裝人員以及車輛的探測(cè)與識(shí)別進(jìn)行傳感器的正確選型。

（2）對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)融合過程，要求學(xué)生結(jié)合樓宇房間溫度采集以及通信過程、SQL查詢語句進(jìn)行分析。

（3）對(duì)無線傳感節(jié)點(diǎn)的繼電器控制能力，要求學(xué)生通過輪詢、I/O中斷、定時(shí)中斷三種方式編程實(shí)現(xiàn)感知功能。試題提供無線傳感節(jié)點(diǎn)板的相關(guān)技術(shù)資料，確保學(xué)生將重點(diǎn)放在分析、配置與設(shè)計(jì)方面。

（4）以傳感網(wǎng)絡(luò)仿真與開發(fā)過程為例，考核學(xué)生選擇與使用恰當(dāng)?shù)钠脚_(tái)、技術(shù)、資源和信息技術(shù)工具，并理解其局限性的能力。

3.3 成績(jī)?cè)u(píng)定方法。

（1）平時(shí)成績(jī)占20%，包括作業(yè)和考勤。新穎的解題方法和方案設(shè)計(jì)思想可加分，體現(xiàn)在最終成績(jī)中。

（2）實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%，創(chuàng)新性解決方案可加分，體現(xiàn)在最終成績(jī)中。

（3）期末考試成績(jī)占70%，采用百分制，開放類、分析類、設(shè)計(jì)與開發(fā)類試題分值不低于總分的50%。期末考核形式采用開卷筆試，提供《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程所有理論知識(shí)點(diǎn)素材、實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)資料，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)要求學(xué)生對(duì)開放類、分析類、設(shè)計(jì)與開發(fā)類等試題完成作答。

4 考核結(jié)果

通過課程考核，測(cè)試出學(xué)生對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)課程基礎(chǔ)理論的理解情況，并重點(diǎn)考察學(xué)生分析、解決基本傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)際問題的能力;設(shè)計(jì)測(cè)試用例，進(jìn)行合理、有效的軟硬件測(cè)試能力;選擇與使用恰當(dāng)?shù)钠脚_(tái)、技術(shù)能力;專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的理解能力。從2017-2018-1學(xué)期物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科學(xué)生的成績(jī)分布上看，過半學(xué)生達(dá)到了課程考核中等偏上的要求，還有相當(dāng)數(shù)量學(xué)生僅掌握了本課程的基礎(chǔ)理論，在解決具體傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)際問題方面存在不足。在今后理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中需要進(jìn)一步有針對(duì)性對(duì)學(xué)生加強(qiáng)該方面訓(xùn)練。另外，由于《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程應(yīng)用背景的廣泛性，在考核方式中嘗試加入了能夠基于工程相關(guān)背景知識(shí)進(jìn)行合理分析，評(píng)價(jià)傳感器網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問題解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任等相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于4項(xiàng)能力點(diǎn)，《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程達(dá)成畢業(yè)要求能力評(píng)價(jià)值分別為77.3%、76.11%、77.2%和92.88%。按照課程達(dá)成情況評(píng)價(jià)期望值為75%考慮，可認(rèn)為該年級(jí)學(xué)生達(dá)成了課程要求的畢業(yè)能力。

5 結(jié)論

本文將工程教育專業(yè)認(rèn)證理念應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)的《傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)改革過程中，緊密圍繞畢業(yè)要求能力點(diǎn)，改革課程的教學(xué)及考核方法并取得較好效果。改革形成的方法體系可在物聯(lián)網(wǎng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)本科專業(yè)的其它課程中推廣，真正培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)與以產(chǎn)出為導(dǎo)向的國際化工程教育理念接軌。

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