張文博，包振山，方 娟，蔣竹君

（1.北京工業(yè)大學 信息學部；2.北京工業(yè)大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院，北京 100124）

0 引言

當前，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、能夠靈活運用多領(lǐng)域知識、能夠以典型應(yīng)用為驅(qū)動設(shè)計和集成各類技術(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)、學生爭相報考的熱門專業(yè)。特別是在以工程教育認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”的教學改革，深入貫徹人才培養(yǎng)要求，是當前工程類專業(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)的教學研討一直未間斷過。比如，文獻［4-5］分別從人才培養(yǎng)和實踐教學體系構(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行深度教學改革，只有下功夫精耕細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，在整個課程體系中處于專業(yè)基礎(chǔ)必修課的地位。文獻［7］強調(diào)提高課程教學站位的重要性，文獻［8］給出物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程實踐研究設(shè)計，但落實到RFID技術(shù)課程實踐教學中仍有一定距離。主要原因是傳統(tǒng)教學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，課時不夠用；②以應(yīng)用為驅(qū)動的、系統(tǒng)集成能力強的復(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)計能力；③對創(chuàng)新型、工程實踐能力挑戰(zhàn)強度大導(dǎo)致難題3——需要在課堂教學中植入創(chuàng)新思維訓練［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，以達成工程教育認證的畢業(yè)要求［11］為突破口，提出RFID技術(shù)課程教學目標，并基于專業(yè)認證思想重塑課程教學目標和總體規(guī)劃；然后在RFID技術(shù)教學活動設(shè)計中，以復(fù)雜工程問題解決能力達成作為教學目標［11］，引導(dǎo)學生進行學習能力鍛煉、以學-賽-研為主線貫穿式提升學生創(chuàng)新能力；最后在RFID技術(shù)教學實施過程中，積極探索混合教學模式、以學生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計、層次化遞進考評機制等系列舉措，教學實踐效果良好。

1 RFID技術(shù)課程教學目標

此次教學改革是在本專業(yè)爭取“工程教育認證”的背景下完成，該過程從人才培養(yǎng)目標入手，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)目標為指引，對教學改革做了整體設(shè)計，而后設(shè)定相應(yīng)的教學目標和實踐目標，規(guī)劃課程教學內(nèi)容和實踐教學內(nèi)容，并由此建立起相應(yīng)的考核評價體系。

1.1 基于專業(yè)認證的RFID技術(shù)課程教學改革總體設(shè)計

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

如圖1所示，課程教學改革總體設(shè)計包括如下幾個方面：①以“兩性一度”作為課程建設(shè)目標；②由課程目標和畢業(yè)要求進行課程規(guī)劃；③根據(jù)課程規(guī)劃要求對教學活動進行設(shè)計；④根據(jù)教學活動設(shè)計方案在教學中進行實施；⑤評估教學實施結(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 教學改革總體設(shè)計框架

1.2 基于培養(yǎng)目標與畢業(yè)要求的課程教學目標

教學目標：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，了解RFID技術(shù)的最新研究進展。如表1所示，教學目標分解為3個子目標，且分別對應(yīng)3個畢業(yè)要求拆分的具體指標點。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，從而達成本專業(yè)設(shè)定的總體目標。

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

2 RFID技術(shù)課程教學活動設(shè)計

根據(jù)教學改革規(guī)劃，在本輪教學活動中，將教學內(nèi)容歸納為3個層次，通過設(shè)定各層次的課程內(nèi)容、教學理念、授課方式和考核機制，從而達成教學改革的規(guī)劃目標。RFID技術(shù)課程教學活動設(shè)計思路如圖2所示。

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

2.1 以復(fù)合型人才培養(yǎng)為目標的教學內(nèi)容設(shè)計

為了達成以應(yīng)用為驅(qū)動、復(fù)合型人才培養(yǎng)目標，有效解決當下“難題2——需要結(jié)合典型應(yīng)用培養(yǎng)系統(tǒng)化頂層設(shè)計能力”的問題。在此輪教改中，教學內(nèi)容設(shè)計加強了應(yīng)用能力訓練，主要內(nèi)容包括：優(yōu)化課時分配和實踐環(huán)節(jié)。

（1）優(yōu)化課時分配。壓縮線下理論講授學時，增加互助討論，增加自學環(huán)節(jié)、強化團隊互助學習模式；教改后，線下理論課學時大幅度壓縮（24→16學時），其余內(nèi)容借助線上平臺組織學生在課余時間進行學習。此外，大幅增加了討論課學時（4→12學時），鼓勵通過團隊互助學習模式，對課程內(nèi)容進行有效延展，特別是如何對創(chuàng)新思維模式加以應(yīng)用。

（2）拓展實踐空間。將實驗過程與理論教學密切結(jié)合，打消課程間壁壘，貫穿式培養(yǎng)模式拓展實踐空間；團隊將課程內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)密切結(jié)合，在3個階段的教學內(nèi)容中均配比了相應(yīng)的實踐，雖然看似實踐學時仍是8學時，但通過將課程內(nèi)容與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)計、學科競賽和畢業(yè)設(shè)計的有機銜接，有效延展了實踐的質(zhì)量和容量。

2.2 以工程實踐為牽引的學習能力鍛煉

如上所述，在此次教學設(shè)計中增加了較多的實踐內(nèi)容，因而課程上所能包含的理論教學時間相應(yīng)減少。為了不影響正常教學效果，采用以工程實踐為牽引的學習能力訓練方式，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，營造學生團隊互助學習和良性競爭氛圍。

通過兩年的初步教學實踐發(fā)現(xiàn)，為了達成學習目標，更多學生愿意花更多時間在課程學習中。同時，相同考點的對比也顯示，學生對知識點的掌握程度大幅提升。

2.3 以學—賽—研為突破的學生創(chuàng)新性激發(fā)

RFID技術(shù)是一門內(nèi)容隨技術(shù)演進發(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)學研課題。然而，學時有限，很難在一門課解決所有問題，從整個專業(yè)培養(yǎng)角度看，時間得以有效拓展。因此，在這門課程的創(chuàng)新性培養(yǎng)方面，研究團隊與后續(xù)課程“物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設(shè)計”建立起直接關(guān)聯(lián)、與學科競賽建立起關(guān)聯(lián)，并與教師相關(guān)科研項目和畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)聯(lián)。

經(jīng)過若干年積累，在這兩輪教學過程中，教師在課堂上將學長和學姐的競賽作品、科研項目和畢業(yè)設(shè)計給學生觀摩并作講解，學生對這些作品表現(xiàn)出更大的興趣，也進一步激發(fā)了他們的創(chuàng)新性。

3 RFID技術(shù)課程教學實施過程

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

3.1 探索并實踐混合式教學模式

在本輪教學改革探索中，研究團隊充分應(yīng)用學校配備的“日新學堂”門戶及手機端學習通平臺，打造起線上—線下聯(lián)動的混合教學活動模式。

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)視頻等活動進行意向摸底，通過實時線上測試考察自學情況評估。在課堂上，教師講解重點內(nèi)容、引導(dǎo)主題討論并對疑難問題進行解答。在課后，借助線上線下結(jié)合的方式，搜集學生反饋及作業(yè)情況統(tǒng)計，在后續(xù)課程中對內(nèi)容進行微調(diào)、對教授方式進行改變。

3.2 以學生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計

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

3.2.1 翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容設(shè)計

翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)處于教學活動的第3層次，在該層次中更強調(diào)從應(yīng)用場景分析入手，根據(jù)需求找到契合的技術(shù)。為了達成課程教學效果，做了如下內(nèi)容設(shè)計：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)科研項目激發(fā)學生興趣；②對壘階段，組織學生以3-5人為團隊通過1～2周完成匯報準備工作；③展示階段，團隊在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)點應(yīng)用進行特別加分獎勵，以鼓勵學生將學界最新推出的技術(shù)成果應(yīng)用于真實場景。

3.2.2 翻轉(zhuǎn)課堂規(guī)則設(shè)計

為體現(xiàn)公平性原則，規(guī)則設(shè)計由師生共同商討制定，其基本規(guī)則包括：①生生互評與教師點評結(jié)合：教師針對各組技術(shù)特點進行分析解讀，每個學生評價除本團隊以外的其他團隊，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：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，在前兩年的試運行中，學生認可上述規(guī)則并愿意在這項活動中投入更多的時間和精力。

3.2.3 翻轉(zhuǎn)課堂反思與分析

在上述教學活動完成后，教師對所有作品進行梳理和分析，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一步培養(yǎng)和提升，推薦其參加各類大賽或應(yīng)用于真實科研項目中；②對學生的反思：受周邊環(huán)境影響，學生也在不斷變化，及時捕獲到他們的改變才是未來教育的方向，而每一屆學生的作品最能展現(xiàn)他們關(guān)注點的變化，而這些作品是更貼近于下一屆學生的教學案例；③對教學的反思：通過學生的作品，可以很明顯地感覺到此輪教學的亮點，同時也會發(fā)現(xiàn)一些盲點，整理這些內(nèi)容將能有效提升教學質(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”中，原先2個學時的課程講授顯得并不充足。而在此次教學改革中，教學團隊與之前在“數(shù)據(jù)通信原理”和“計算機網(wǎng)絡(luò)”兩門課程中講授的內(nèi)容貫通，首先引導(dǎo)學生回顧“信道復(fù)用”和“放沖突檢測算法”的內(nèi)容，學生在課前進行預(yù)習和基本測試；而后，課堂教學環(huán)節(jié)采用研討模式分析，學生分組討論“基于ALOHA”和“基于二進制樹”的差別及應(yīng)用領(lǐng)域，每種技術(shù)演進規(guī)律及后續(xù)發(fā)展情況。之后安排一個學時教授環(huán)節(jié)，主要用于強調(diào)本節(jié)重點內(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)整幀長和計算最優(yōu)幀長、基于二進制樹的查詢優(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制、標簽移動時的識別機制、多閱讀器場景下的識別和基于物理層信號的識別機制）。經(jīng)過近兩年的教學實施結(jié)果評估發(fā)現(xiàn)，學生對于這部分知識的掌握能力明顯提升，對于解決實際問題的興趣明顯增加。這主要體現(xiàn)在，學生在后續(xù)翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)會應(yīng)用這些最新技術(shù)，并通過分析具體實際要求采用不同的算法。由于對課程內(nèi)容認知深度的增加，學生們的部分優(yōu)秀作品被學校推薦參加國內(nèi)外知名競賽或應(yīng)用在真實科研項目中，因此受到了較高的課堂認可度。

4 層次化遞進考核方式探索

期末復(fù)習和考核的價值不僅限于卷面分數(shù)，它對教師和學生都具有重要意義和價值。為了達成課程學習目標，有必要將復(fù)習和考核變?yōu)檎麄€課程學習階段的一劑“強心針”，有效提升過程考核效果。在此次改革中，研究團隊從“設(shè)計多元化考試方式”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

本課程確定了涵蓋“基本技能層”“系統(tǒng)設(shè)計層”和“應(yīng)用與實踐層”3個層次的教學目標。為了有效評價這些課程目標的達成度，此次教學改革采用針對整個學習全過程的多元化考核方式。如表2所示，針對學生課前預(yù)習及課程表現(xiàn)、課堂測試、課后作業(yè)、課外實踐和課程實驗多個環(huán)節(jié)進行全方位考核。

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

4.2 積極探索師生共同參與期末出題形式

為了調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)他們從被動變?yōu)橹鲃?。為了更有效地達到考核目的，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，因此學生在考試前兩周就積極參與到題庫設(shè)計與討論中。很多學生設(shè)計的題目已超過之前教師團隊設(shè)計的難度，從多個維度提升考題的“高階性”和“挑戰(zhàn)度”。并且，學生還大膽地嘗試了開放性試題設(shè)計，這部分試題雖然經(jīng)教師團隊評估后沒有被直接選入題庫，但經(jīng)歷了此過程，學生獲得了比考核本身更多的能力訓練，也有效地提高了復(fù)習階段的成效。

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。在工程教育認證引領(lǐng)下，研究團隊針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程“RFID技術(shù)”進行了深度分析，從畢業(yè)要求12條出發(fā)，構(gòu)建了課程培養(yǎng)目標，形成了本輪課程建設(shè)總體規(guī)劃，并在課程活動設(shè)計和教學實施中付諸實踐，取得了較好效果。本文對此次教學改革實踐進行總結(jié)并提煉經(jīng)驗，以期為參與工程教育認證的其他課程改革提供借鑒。