工程教育認(rèn)證推動下RFID技術(shù)課程教學(xué)改革

張文博，包振山，方 娟，蔣竹君

（1.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部；2.北京工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，北京 100124）

0 引言

當(dāng)前，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為世界各國科技發(fā)展主要戰(zhàn)略之一［1］。我國要求雙一流高校培養(yǎng)的人才是能夠迅速掌握新知識、能夠靈活運(yùn)用多領(lǐng)域知識、能夠以典型應(yīng)用為驅(qū)動設(shè)計(jì)和集成各類技術(shù)的創(chuàng)新型、復(fù)合型人才［2］。

北京工業(yè)大學(xué)2011年9月獲批開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，2012年開始第一批招生，是最早申辦該專業(yè)的地方院校。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及其在人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)中應(yīng)用的廣泛深入［3］，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)已成為國內(nèi)各大高等院校爭相開設(shè)、學(xué)生爭相報(bào)考的熱門專業(yè)。特別是在以工程教育認(rèn)證為核心的工科畢業(yè)生培養(yǎng)需求下，如何通過“核心課程”的教學(xué)改革，深入貫徹人才培養(yǎng)要求，是當(dāng)前工程類專業(yè)建設(shè)亟待解決的問題。

自該專業(yè)建立以來，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)研討一直未間斷過。比如，文獻(xiàn)［4-5］分別從人才培養(yǎng)和實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建方面展開研究，但也提到若要在眾多專業(yè)中脫穎而出，還需要從其核心課程入手進(jìn)行深度教學(xué)改革，只有下功夫精耕細(xì)作打磨核心課程才能從根本上提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。教育部將核心課程的榜樣設(shè)定為“金課”，其特點(diǎn)被歸結(jié)為高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度（簡稱“兩性一度”）［6］。然而，針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)某門核心課程，如何打造“金課”的研究則相對較少。

RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建的基石，RFID技術(shù)課作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程，在整個(gè)課程體系中處于專業(yè)基礎(chǔ)必修課的地位。文獻(xiàn)［7］強(qiáng)調(diào)提高課程教學(xué)站位的重要性，文獻(xiàn)［8］給出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程實(shí)踐研究設(shè)計(jì)，但落實(shí)到RFID技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)中仍有一定距離。主要原因是傳統(tǒng)教學(xué)模式已無法滿足新型物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求，主要體現(xiàn)在：①課程涉及知識面廣、新技術(shù)更新速度快導(dǎo)致難題1——知識覆蓋面大，課時(shí)不夠用；②以應(yīng)用為驅(qū)動的、系統(tǒng)集成能力強(qiáng)的復(fù)合型人才培養(yǎng)導(dǎo)致難題2——需要結(jié)合典型應(yīng)用培養(yǎng)系統(tǒng)化頂層設(shè)計(jì)能力；③對創(chuàng)新型、工程實(shí)踐能力挑戰(zhàn)強(qiáng)度大導(dǎo)致難題3——需要在課堂教學(xué)中植入創(chuàng)新思維訓(xùn)練［9］。

針對上述問題，本文的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在：針對RFID技術(shù)課程特點(diǎn)，以達(dá)成工程教育認(rèn)證的畢業(yè)要求［11］為突破口，提出RFID技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)，并基于專業(yè)認(rèn)證思想重塑課程教學(xué)目標(biāo)和總體規(guī)劃；然后在RFID技術(shù)教學(xué)活動設(shè)計(jì)中，以復(fù)雜工程問題解決能力達(dá)成作為教學(xué)目標(biāo)［11］，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)能力鍛煉、以學(xué)-賽-研為主線貫穿式提升學(xué)生創(chuàng)新能力；最后在RFID技術(shù)教學(xué)實(shí)施過程中，積極探索混合教學(xué)模式、以學(xué)生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)、層次化遞進(jìn)考評機(jī)制等系列舉措，教學(xué)實(shí)踐效果良好。

1 RFID技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)

此次教學(xué)改革是在本專業(yè)爭取“工程教育認(rèn)證”的背景下完成，該過程從人才培養(yǎng)目標(biāo)入手，根據(jù)畢業(yè)要求相關(guān)規(guī)定，以“兩性一度”的金課建設(shè)目標(biāo)為指引，對教學(xué)改革做了整體設(shè)計(jì)，而后設(shè)定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)和實(shí)踐目標(biāo)，規(guī)劃課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，并由此建立起相應(yīng)的考核評價(jià)體系。

1.1 基于專業(yè)認(rèn)證的RFID技術(shù)課程教學(xué)改革總體設(shè)計(jì)

在工程教育專業(yè)認(rèn)證思想的引領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)針對RFID技術(shù)課程面臨的3個(gè)難題重新梳理了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)畢業(yè)要求，并對此次課程教學(xué)改革做了總體框架設(shè)計(jì)。

如圖1所示，課程教學(xué)改革總體設(shè)計(jì)包括如下幾個(gè)方面：①以“兩性一度”作為課程建設(shè)目標(biāo)；②由課程目標(biāo)和畢業(yè)要求進(jìn)行課程規(guī)劃；③根據(jù)課程規(guī)劃要求對教學(xué)活動進(jìn)行設(shè)計(jì)；④根據(jù)教學(xué)活動設(shè)計(jì)方案在教學(xué)中進(jìn)行實(shí)施；⑤評估教學(xué)實(shí)施結(jié)果并反饋到課程建設(shè)規(guī)劃環(huán)節(jié)。

Fig.1 Overall design framework of teaching reform圖1 教學(xué)改革總體設(shè)計(jì)框架

1.2 基于培養(yǎng)目標(biāo)與畢業(yè)要求的課程教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)：能夠?qū)FID技術(shù)的基本概念、基本理論、基本方法應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，了解RFID技術(shù)的最新研究進(jìn)展。如表1所示，教學(xué)目標(biāo)分解為3個(gè)子目標(biāo)，且分別對應(yīng)3個(gè)畢業(yè)要求拆分的具體指標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)畢業(yè)12條相關(guān)約定，該課程也從不同層面給予支撐，從而達(dá)成本專業(yè)設(shè)定的總體目標(biāo)。

Table 1 Corresponding relationship between course objectives and graduation requirements split index表1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求拆分指標(biāo)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系

2 RFID技術(shù)課程教學(xué)活動設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)改革規(guī)劃，在本輪教學(xué)活動中，將教學(xué)內(nèi)容歸納為3個(gè)層次，通過設(shè)定各層次的課程內(nèi)容、教學(xué)理念、授課方式和考核機(jī)制，從而達(dá)成教學(xué)改革的規(guī)劃目標(biāo)。RFID技術(shù)課程教學(xué)活動設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

Fig.2 Design ideas of teaching activities for RFID technology course圖2 RFID技術(shù)課程教學(xué)活動設(shè)計(jì)思路

2.1 以復(fù)合型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為了達(dá)成以應(yīng)用為驅(qū)動、復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)，有效解決當(dāng)下“難題2——需要結(jié)合典型應(yīng)用培養(yǎng)系統(tǒng)化頂層設(shè)計(jì)能力”的問題。在此輪教改中，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)加強(qiáng)了應(yīng)用能力訓(xùn)練，主要內(nèi)容包括：優(yōu)化課時(shí)分配和實(shí)踐環(huán)節(jié)。

（1）優(yōu)化課時(shí)分配。壓縮線下理論講授學(xué)時(shí)，增加互助討論，增加自學(xué)環(huán)節(jié)、強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)互助學(xué)習(xí)模式；教改后，線下理論課學(xué)時(shí)大幅度壓縮（24→16學(xué)時(shí)），其余內(nèi)容借助線上平臺組織學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。此外，大幅增加了討論課學(xué)時(shí)（4→12學(xué)時(shí)），鼓勵通過團(tuán)隊(duì)互助學(xué)習(xí)模式，對課程內(nèi)容進(jìn)行有效延展，特別是如何對創(chuàng)新思維模式加以應(yīng)用。

（2）拓展實(shí)踐空間。將實(shí)驗(yàn)過程與理論教學(xué)密切結(jié)合，打消課程間壁壘，貫穿式培養(yǎng)模式拓展實(shí)踐空間；團(tuán)隊(duì)將課程內(nèi)容與實(shí)踐環(huán)節(jié)密切結(jié)合，在3個(gè)階段的教學(xué)內(nèi)容中均配比了相應(yīng)的實(shí)踐，雖然看似實(shí)踐學(xué)時(shí)仍是8學(xué)時(shí)，但通過將課程內(nèi)容與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)的有機(jī)銜接，有效延展了實(shí)踐的質(zhì)量和容量。

2.2 以工程實(shí)踐為牽引的學(xué)習(xí)能力鍛煉

如上所述，在此次教學(xué)設(shè)計(jì)中增加了較多的實(shí)踐內(nèi)容，因而課程上所能包含的理論教學(xué)時(shí)間相應(yīng)減少。為了不影響正常教學(xué)效果，采用以工程實(shí)踐為牽引的學(xué)習(xí)能力訓(xùn)練方式，在增設(shè)的課程討論環(huán)節(jié)，通過轉(zhuǎn)換課堂角色，將學(xué)生變?yōu)檎n堂主角，教師從課程初期的引導(dǎo)者漸漸過渡到更弱化的輔助角色，營造學(xué)生團(tuán)隊(duì)互助學(xué)習(xí)和良性競爭氛圍。

通過兩年的初步教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，更多學(xué)生愿意花更多時(shí)間在課程學(xué)習(xí)中。同時(shí)，相同考點(diǎn)的對比也顯示，學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度大幅提升。

2.3 以學(xué)—賽—研為突破的學(xué)生創(chuàng)新性激發(fā)

RFID技術(shù)是一門內(nèi)容隨技術(shù)演進(jìn)發(fā)展較快的課程，該課程對于工程應(yīng)用能力要求很高，在國內(nèi)外知名競賽中應(yīng)用較為普遍，也有不少很好的產(chǎn)學(xué)研課題。然而，學(xué)時(shí)有限，很難在一門課解決所有問題，從整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)角度看，時(shí)間得以有效拓展。因此，在這門課程的創(chuàng)新性培養(yǎng)方面，研究團(tuán)隊(duì)與后續(xù)課程“物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)計(jì)”建立起直接關(guān)聯(lián)、與學(xué)科競賽建立起關(guān)聯(lián)，并與教師相關(guān)科研項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)課題相關(guān)聯(lián)。

經(jīng)過若干年積累，在這兩輪教學(xué)過程中，教師在課堂上將學(xué)長和學(xué)姐的競賽作品、科研項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)給學(xué)生觀摩并作講解，學(xué)生對這些作品表現(xiàn)出更大的興趣，也進(jìn)一步激發(fā)了他們的創(chuàng)新性。

3 RFID技術(shù)課程教學(xué)實(shí)施過程

上述教學(xué)改革思想，在北京工業(yè)大學(xué)2020年度和2021年度的RFID技術(shù)課程教學(xué)過程進(jìn)行了兩年初步試水。在教學(xué)實(shí)施中主要從“混合式教學(xué)模式探索”“混合模式的翻轉(zhuǎn)課堂探索”和“層次化遞進(jìn)考核方式探索”3個(gè)方面展開。

3.1 探索并實(shí)踐混合式教學(xué)模式

在本輪教學(xué)改革探索中，研究團(tuán)隊(duì)充分應(yīng)用學(xué)校配備的“日新學(xué)堂”門戶及手機(jī)端學(xué)習(xí)通平臺，打造起線上—線下聯(lián)動的混合教學(xué)活動模式。

上課前，利用線上平臺發(fā)布簽到、發(fā)言/彈幕及定向推送相關(guān)視頻等活動進(jìn)行意向摸底，通過實(shí)時(shí)線上測試考察自學(xué)情況評估。在課堂上，教師講解重點(diǎn)內(nèi)容、引導(dǎo)主題討論并對疑難問題進(jìn)行解答。在課后，借助線上線下結(jié)合的方式，搜集學(xué)生反饋及作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)，在后續(xù)課程中對內(nèi)容進(jìn)行微調(diào)、對教授方式進(jìn)行改變。

3.2 以學(xué)生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)

為了貫徹“以學(xué)生為中心”的課堂教學(xué)思想，在近兩年的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方案中，主要針對“典型RFID技術(shù)應(yīng)用案例&研究進(jìn)展”部分進(jìn)行了探索式教學(xué)。

3.2.1 翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)處于教學(xué)活動的第3層次，在該層次中更強(qiáng)調(diào)從應(yīng)用場景分析入手，根據(jù)需求找到契合的技術(shù)。為了達(dá)成課程教學(xué)效果，做了如下內(nèi)容設(shè)計(jì)：①預(yù)熱階段，旨在通過介紹國內(nèi)外相關(guān)高水平競賽和相關(guān)科研項(xiàng)目激發(fā)學(xué)生興趣；②對壘階段，組織學(xué)生以3-5人為團(tuán)隊(duì)通過1～2周完成匯報(bào)準(zhǔn)備工作；③展示階段，團(tuán)隊(duì)在10min內(nèi)完成產(chǎn)品展示，并在后續(xù)的5min內(nèi)接受提問和質(zhì)疑；④評估階段，組織完成“生生互評”和“教師點(diǎn)評”環(huán)節(jié)，并給出得分。

此外，為了提升翻轉(zhuǎn)課堂的“兩性一度”，專門對RFID技術(shù)在高水平會議和期刊上發(fā)表的RFID技術(shù)相關(guān)論文中的技術(shù)點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行特別加分獎勵，以鼓勵學(xué)生將學(xué)界最新推出的技術(shù)成果應(yīng)用于真實(shí)場景。

3.2.2 翻轉(zhuǎn)課堂規(guī)則設(shè)計(jì)

為體現(xiàn)公平性原則，規(guī)則設(shè)計(jì)由師生共同商討制定，其基本規(guī)則包括：①生生互評與教師點(diǎn)評結(jié)合：教師針對各組技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析解讀，每個(gè)學(xué)生評價(jià)除本團(tuán)隊(duì)以外的其他團(tuán)隊(duì)，最后“生生互評”與“教師打分”作歸一化處理得到該組成績；②增設(shè)特別獎項(xiàng)：在創(chuàng)新性、技術(shù)難度和展現(xiàn)方式上增設(shè)特別獎勵，由學(xué)生投票選出，得票最多的組獲勝。

經(jīng)過后期問卷調(diào)查，在前兩年的試運(yùn)行中，學(xué)生認(rèn)可上述規(guī)則并愿意在這項(xiàng)活動中投入更多的時(shí)間和精力。

3.2.3 翻轉(zhuǎn)課堂反思與分析

在上述教學(xué)活動完成后，教師對所有作品進(jìn)行梳理和分析，主要關(guān)注以下幾方面：①對作品的再提煉：選擇其中具有潛力的部分作品進(jìn)一步培養(yǎng)和提升，推薦其參加各類大賽或應(yīng)用于真實(shí)科研項(xiàng)目中；②對學(xué)生的反思：受周邊環(huán)境影響，學(xué)生也在不斷變化，及時(shí)捕獲到他們的改變才是未來教育的方向，而每一屆學(xué)生的作品最能展現(xiàn)他們關(guān)注點(diǎn)的變化，而這些作品是更貼近于下一屆學(xué)生的教學(xué)案例；③對教學(xué)的反思：通過學(xué)生的作品，可以很明顯地感覺到此輪教學(xué)的亮點(diǎn)，同時(shí)也會發(fā)現(xiàn)一些盲點(diǎn)，整理這些內(nèi)容將能有效提升教學(xué)質(zhì)量。

以經(jīng)典章節(jié)“防碰撞協(xié)議”為例，這部分內(nèi)容歸屬于第二部分“RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中，原先2個(gè)學(xué)時(shí)的課程講授顯得并不充足。而在此次教學(xué)改革中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)與之前在“數(shù)據(jù)通信原理”和“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”兩門課程中講授的內(nèi)容貫通，首先引導(dǎo)學(xué)生回顧“信道復(fù)用”和“放沖突檢測算法”的內(nèi)容，學(xué)生在課前進(jìn)行預(yù)習(xí)和基本測試；而后，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)采用研討模式分析，學(xué)生分組討論“基于ALOHA”和“基于二進(jìn)制樹”的差別及應(yīng)用領(lǐng)域，每種技術(shù)演進(jìn)規(guī)律及后續(xù)發(fā)展情況。之后安排一個(gè)學(xué)時(shí)教授環(huán)節(jié)，主要用于強(qiáng)調(diào)本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容、介紹該領(lǐng)域的最新研究成果（包括基于ALOHA的動態(tài)調(diào)整幀長和計(jì)算最優(yōu)幀長、基于二進(jìn)制樹的查詢優(yōu)化等研究）、復(fù)雜環(huán)境下的處理方法（包括基于聯(lián)系移動掃描的識別機(jī)制、標(biāo)簽移動時(shí)的識別機(jī)制、多閱讀器場景下的識別和基于物理層信號的識別機(jī)制）。經(jīng)過近兩年的教學(xué)實(shí)施結(jié)果評估發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于這部分知識的掌握能力明顯提升，對于解決實(shí)際問題的興趣明顯增加。這主要體現(xiàn)在，學(xué)生在后續(xù)翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)會應(yīng)用這些最新技術(shù)，并通過分析具體實(shí)際要求采用不同的算法。由于對課程內(nèi)容認(rèn)知深度的增加，學(xué)生們的部分優(yōu)秀作品被學(xué)校推薦參加國內(nèi)外知名競賽或應(yīng)用在真實(shí)科研項(xiàng)目中，因此受到了較高的課堂認(rèn)可度。

4 層次化遞進(jìn)考核方式探索

期末復(fù)習(xí)和考核的價(jià)值不僅限于卷面分?jǐn)?shù)，它對教師和學(xué)生都具有重要意義和價(jià)值。為了達(dá)成課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，有必要將復(fù)習(xí)和考核變?yōu)檎麄€(gè)課程學(xué)習(xí)階段的一劑“強(qiáng)心針”，有效提升過程考核效果。在此次改革中，研究團(tuán)隊(duì)從“設(shè)計(jì)多元化考試方式”和“積極探索師生共同參與期末出題的形式”兩個(gè)方面入手，以下將分別介紹。

4.1 針對過程考核的多元化考核方式設(shè)計(jì)

本課程確定了涵蓋“基本技能層”“系統(tǒng)設(shè)計(jì)層”和“應(yīng)用與實(shí)踐層”3個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)。為了有效評價(jià)這些課程目標(biāo)的達(dá)成度，此次教學(xué)改革采用針對整個(gè)學(xué)習(xí)全過程的多元化考核方式。如表2所示，針對學(xué)生課前預(yù)習(xí)及課程表現(xiàn)、課堂測試、課后作業(yè)、課外實(shí)踐和課程實(shí)驗(yàn)多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位考核。

Table 2 Design of diversified assessment links表2 多元化考核環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

4.2 積極探索師生共同參與期末出題形式

為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)他們從被動變?yōu)橹鲃?。為了更有效地達(dá)到考核目的，課程組在考核環(huán)節(jié)創(chuàng)新性地提出了“師生共同出考題”的模式。

如表3所示，經(jīng)過2020-2021年度的初步試水，學(xué)生很快適應(yīng)了從“被動”考到“主動”考的模式。由于考題被題庫選用而成為“考核加分”的一部分，因此學(xué)生在考試前兩周就積極參與到題庫設(shè)計(jì)與討論中。很多學(xué)生設(shè)計(jì)的題目已超過之前教師團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的難度，從多個(gè)維度提升考題的“高階性”和“挑戰(zhàn)度”。并且，學(xué)生還大膽地嘗試了開放性試題設(shè)計(jì)，這部分試題雖然經(jīng)教師團(tuán)隊(duì)評估后沒有被直接選入題庫，但經(jīng)歷了此過程，學(xué)生獲得了比考核本身更多的能力訓(xùn)練，也有效地提高了復(fù)習(xí)階段的成效。

Table 3 Examination formation mechanism contrast and analysis before and after reform表3 教改前后試卷形成機(jī)制對比與分析

5 結(jié)語

目前，隨著社會對復(fù)合型工程人才需求量的激增，國家亟需高等院校能在培養(yǎng)“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”的人才培養(yǎng)方面摸索出一條行之有效的道路。在工程教育認(rèn)證引領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程“RFID技術(shù)”進(jìn)行了深度分析，從畢業(yè)要求12條出發(fā)，構(gòu)建了課程培養(yǎng)目標(biāo)，形成了本輪課程建設(shè)總體規(guī)劃，并在課程活動設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施中付諸實(shí)踐，取得了較好效果。本文對此次教學(xué)改革實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)并提煉經(jīng)驗(yàn)，以期為參與工程教育認(rèn)證的其他課程改革提供借鑒。