新工科背景下综合设计类课程教学模式探索实践-以物联网工程专业为例

新工科建设是我国高等工程教育主动应对新一轮科技与产业革命的战略行动［1］。物联网工程专业是新工科建设的主要专业之一，具有学科跨度大、综合性与实践性要求强等特点［2-3］。由于这些特点，单纯的理论学习很难将多学科融合在一起。综合设计类课程作为物联网专业人才培养过程中的重要方法，与课堂教学或实验教学相比，它不再局限于书本知识的传授，而是通过为学生营造实践情境，引导他们面对各种现实问题，从中培养实践能力，获得解决现实问题的经验；能够将物联网专业涉及的多个学科有机结合在一起，使学生融会贯通地学习和应用各领域专业知识，从而提高创新能力［4］。“综合设计”课程在培养学生综合素质、实践创新等方面具有不可替代的作用。本文以江南大学物联网工程专业的“综合设计”课程为例，介绍课程的教学改革实践经验，实施开放式选题机制，构建多指导的教学共同体和多元化考核方式，改革后的“综合设计”课程培养方案取得了良好的教学效果。一、现有“综合设计”课程存在的问题新工科的提出赋予了物联网工程专业培养学生新技术、学科交叉融合、创新实践及终身学习等方面能力的新使命和高要求。“综合设计”课程开设在第六学期，培养学生综合使用数学、自然科学、工程基础和专业知识对物联网工程问题进行系统架构设计及功能分解和分析软硬件功能的能力。为了更好地支撑物联网工程专业工程认证，提出了如表1所示“综合设计”课程目标及其支撑的毕业要求。目前物联网工程专业“综合设计”选题上过多注重项目能否覆盖教学大纲中的知识点，与现实需求严重脱离。由于缺乏综合设计选题阶段的评价，学生在选题阶段参与度不高，“综合设计”课程教学模式大多沿用传统的课堂教学模式，指导和评价标准相对单一，缺乏对能力培养的教学资源支撑。而且“综合设计”课程主要的考核方式还是对学生最终提交的项目报告或设计进行终结性考核，忽略了对设计过程的考核。过程性评价的缺乏，对培养目标的达成难以客观度量。考核内容也只关注学生对知识技能的掌握情况，没有对学生的综合能力和素质进行全面考核，单一的考核模式无法适应新工科对交叉复合能力工程人才培养的更高要求［5］。二、综合设计类课程改革总体思路针对当前综合设计类课程存在的问题，经过深入调研，结合实际情况，提出课程改革的总体思路：通过开放式选题，积极引导学生通过技术创新解决生产生活中的具体问题，关注社会经济发展的现实需求；结合多学科优势资源，建立以多个学科的教师、实验室教师及企业导师为主体的教学共同体；建立过程性考核与终结性考核相结合、知识技能与能力素质并重的多元化考核模式。（一）与现实需求紧密结合的开放式选题机制物联网行业技术日新月异，通常都是先出现需求，而后出现相应的技术及产品。众多物联网企业研发出的创意产品，如智能音响、小型家政机器人等，都是为了解决随着经济技术发展涌现出的新需求，这些产品应用了最新的物联网相关技术，有着巨大的应用场景和市场前景［6］。发现问题和需求是新工科人才需要具备的重要能力之一，因此提出开放式选题机制，并引入选题评价制度。为了极大地激发学生学习和钻研的热情，鼓励学生自主出题，引导学生主动观察、思考，培养学生独立发现和分析问题的能力；同时，教师对选题进行考核，引导学生去寻找物联网技术的实际需求，让学生切实感到自己做的项目是有实用价值的。综合设计选题要切合实际问题，强化校企合作，通过专业学科与产业应用的双重驱动，推动综合设计项目成果向产业应用的转化，形成共建、共享、共生的良性循环，建立综合学术性、实用性、创新性、挑战性、可完成的评价制度。（二）兼顾理论知识与实践能力的跨学科教学共同体物联网技术涵盖了信息从感知、传输、处理到应用四个层次的专业理论与技术体系，教师往往只熟悉自己的研究领域，欠缺实践经验，很难将物联网专业涉及的所有技术融会贯通，并在实践性很强的综合设计过程中给予学生充分的指导［7］。针对这一问题，可以充分调动整合现有资源，将“综合设计”课程教学和指导工作交给多学科教师、实验室教师和企业导师共同组成的教学共同体。在选题阶段，由工作在行业一线、了解当前前沿技术与最新研究现状的企业导师进行指导，不仅可以拓宽学生的视野，还能保持综合设计选题的创新性和实用性。在设计阶段，根据选题所涉及的专业知识，从教师库中选择对应专业的教师进行针对性指导，使学生在各个专业领域都能有一定的深入探索和研究。在实现阶段，由实践能力较强的实验室教师进行指导，当遇到技术瓶颈时，可寻求企业导师的帮助。对于一些较为复杂的底层技术，行业中通常会有封装好的解决方案，使学生掌握这些技术并应用到自己的设计中，以激发其兴趣，产生学习动力。由此使学生自顶向下地学习所需知识，并与在设计阶段中学习到的理论知识相互印证，学以致用。（三）过程性考核与终结性考核相结合的多元化考核模式新工科建设要培养卓越工程人才，提升学生的工程意识、实践能力、创新精神和工匠精神。与传统课程不同，综合设计类课程的目标不是定位于知识体系，而是定位于能力体系；对目标的实现要有明确支撑，同时要以目标达成评价为基础展开考核，并进行反馈和持续改进。因此，提出如图1所示的多元化考核模式，从评价主体、评价内容和评价方式进行改革，同时与培养目标达成度相结合，形成“评价—反馈—改进”的闭环式综合设计质量保障体系。围绕对学生综合能力的培养目标，将综合设计的过程分解为课题调研、方案设计、方案实现三个阶段，制定小组考核内容和评价指标，对各阶段中每个环节的研究过程进行过程性考核，对各阶段的输出内容做终结性考核。图1多元化考核方式改革新的考核方案以工程认证为目标，可以客观度量课程目标的达成度，根据能力培养目标将指标分解到各个环节。最终，综合设计小组需要提交支撑整体设计的所有材料，以2021年某小组的“基于树莓派人脸识别门禁系统”为例，提交的材料包括网页前后端实现代码、整个设计方案实现的软硬件代码、汇报报告、展示视频。同时引入组内学生互评，细化每个学生的成果和贡献，使得个人成绩最终评价更加多元化，包括每个人的日常工作量、项目演示汇报、设计材料整理等。三、实践效果分析江南大学物联网专业承担了教育部首批新工科研究与实践项目，构建了以“知识—能力—素质”为主线的“综合设计”课程改革。基于无锡物联网产业聚集优势，用校企共建、卓越工程师计划等形式构建“校内—校外”联动的师资队伍；依托物联网学院多学科交叉优势，打造学科交叉的教学指导团队；以指导、讨论、答辩等多种形式，形成“课中—课外”协同的育人模式。开放式选题机制使得学生的积极性和主动性被充分调动起来，学生的独立创新意识和实践能力明显增强，发现和分析问题的能力在自主选题过程中得到了锻炼。加入的自主出题和选题评价能更好地支撑课程目标6和7。学科背景交叉、知识结构互补的教学共同体在学生综合设计的各个阶段的紧密配合，更好地支撑了课程目标1和5，学生不仅掌握了各交叉学科的专业理论知识，提高了创新意识，同时锻炼了实践动手能力，能够更好地适应新工科对于人才的新要求。过程性与终结性考核相结合的多元化考核模式，更好地支撑了课程目标2、3、4、8，实现对学生能力多维度、多层面的考查，引导学生在注重结果的同时，也要注重对过程的计划与控制；在注重专业知识学习的同时，也能不断提升团队协作能力、项目管理能力、沟通表达能力等软技能，成为高素质复合型的新工科人才。表2给出了改革前后的物联网专业学生课程达成度平均值，课程目标1、6、8的达成度有较大提升。表2改革前后“综合设计”课程达成度通过课后评教和调研，学生对于新模式的“综合设计”课程评价普遍很好，认为加强过程管理，更能强化学生的团队意识和时间节点意识，保证课程设计质量。“综合设计”课程很好地提升了学生的综合素质，包括知识应用能力、方案比较和选型能力、创新能力、动手实践能力，以及团队沟通写作能力。该课程的选题更贴切实际，整体创新性有所增加，项目成品设计、项目书汇报和课程达成度都有了明显改善。结语针对现有物联网工程专业“综合设计”课程存在的不足，从选题、教