本文摘要：摘 要：研究生教育是提升國家科技競爭力、實現(xiàn)人才強國的重要途徑，因此研究生專業(yè)課程教學不僅要適應技術發(fā)展，更要培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和科研能力。為此，從物聯(lián)網(wǎng)技術的課程特點、研究生教育培養(yǎng)目標和北京郵電大學計算機學院科研特色出發(fā)，在教學內(nèi)容優(yōu)化、教學方法
摘 要：研究生教育是提升國家科技競爭力、實現(xiàn)“人才強國”的重要途徑，因此研究生專業(yè)課程教學不僅要適應技術發(fā)展，更要培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和科研能力。為此，從物聯(lián)網(wǎng)技術的課程特點、研究生教育培養(yǎng)目標和北京郵電大學計算機學院科研特色出發(fā)，在教學內(nèi)容優(yōu)化、教學方法創(chuàng)新、考核方法完善等方面進行改革與實踐，形成理論學習與科研案例相結(jié)合、基本知識與領域前沿互補充、課程學習與課題研究相銜接的教學模式。實踐結(jié)果表明，課程改革提升了學生的自主學習和研究分析的能力，將學生科研能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿到課程學習的全過程中，有助于培養(yǎng)研究生的科研能力，為理工科高新技術類研究生課程改革提供借鑒。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);研究生教育;教學改革;科研能力
0 引言
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)將物理世界與虛擬世界相連接，是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[1]。特別是物聯(lián)網(wǎng)與 5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術相融合，正成為支撐經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和科技創(chuàng)新的重要技術，因此迫切需要培養(yǎng)大量適應新時代特征與發(fā)展需求的物聯(lián)網(wǎng)領域高水平人才[2]。北京郵電大學計算機學院于 2011 年開設物聯(lián)網(wǎng)技術研究生課程，課程初期采用團隊授課、專題講授形式，全面介紹物聯(lián)網(wǎng)體系、感知、傳輸、處理等技術，采用以知識傳授為導向，教師為主導的教學模式。該模型便于教師系統(tǒng)地傳授科學知識，適合物聯(lián)網(wǎng)技術剛剛興起，學生普遍對該領域知識不了解的時期，但由于課程內(nèi)容與學生的科研項目關聯(lián)性較低，難以充分調(diào)動學生的主動性，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。物聯(lián)網(wǎng)相關技術內(nèi)容廣、發(fā)展快，從簡單物聯(lián)到智能物聯(lián)，從熱點領域到所有領域，從專有系統(tǒng)到開放物聯(lián)，不斷催生各類新的理論、技術和應用。針對這一特點，北京郵電大學計算機學院教學團隊以培養(yǎng)學生的科研能力為出發(fā)點進行課程改革。
在課程內(nèi)容編排方面，結(jié)合北京郵電大學計算機學院的科研重點，將學科前沿新理論、產(chǎn)業(yè)應用新需求和領域發(fā)展新技術融入教學內(nèi)容中。在科教融合方面，將科研案例和原型系統(tǒng)改造為教學演示系統(tǒng)。在教學方式方面，通過翻轉(zhuǎn)課堂師生共講、問題導向型探究式學習、目標導向型研究式學習、成果匯報與展示等方式構建多樣化課堂。在考核方式方面，從傳統(tǒng)的單一筆試轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習過程綜合評價。通過以上各方面的努力，實現(xiàn)了理論學習與科研案例相結(jié)合、基本知識與領域前沿互補充、課程學習與課題研究相銜接的課程改革目標，對高新技術類課程中如何培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力進行了探索。
1 相關工作
當前，國際競爭與日俱增，培養(yǎng)高層次拔尖創(chuàng)新人才是提升國家競爭力、實現(xiàn)人才強國的重要手段，也是新一輪“雙一流”建設研究生教育和改革的重要內(nèi)容。研究生教育的核心是培養(yǎng)學生的科研能力、創(chuàng)新能力和實踐能力。針對研究生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)問題，張凱等[3]將研究生科研能力分為模仿經(jīng)典、夯實基礎，開展研究、發(fā)現(xiàn)問題，思維創(chuàng)新、解決問題 3 個階段進行培養(yǎng)，并針對每個階段的發(fā)展規(guī)律，結(jié)合計算機專業(yè)特點，提出相應的培養(yǎng)舉措。尹波等[4]以計算機學科為例，提出以跨學科團隊為主要實施載體，優(yōu)化課程結(jié)構和課程內(nèi)容、加強科研實踐、提高學科交叉融合的培養(yǎng)模式。
張揚等[5]提出一套基于研究生內(nèi)在需求特點，構建科研創(chuàng)新激勵機制的方法。趙菊珊等[6]提出一種拔尖創(chuàng)新人才質(zhì)量評價的量表構建方法。榮利穎等[7]使用 2017 年全國研究生教育滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)，利用多層線性模型從個體層面、院系層面和學校層面綜合考察研究生創(chuàng)新能力的影響因素，實驗結(jié)果表明，科學研究和導師指導的對教學的影響作用較大。物聯(lián)網(wǎng)是計算機、通信、網(wǎng)絡、安全、智能信息處理等多個學科相互結(jié)合、綜合發(fā)展的交叉學科，新技術和新知識更新快、內(nèi)容多，既有廣度又有深度，理論性和工程性并重。針對交叉學科的學生培養(yǎng)，鄭麗萍等[8]比較了中、美計算機專業(yè)研究生教育特點，提出我國計算機研究生教育應該在交叉學科協(xié)同培養(yǎng)模式下，增加跨專業(yè)選修課程，實施以學生為中心的課堂教學。劉曉璇等[9]從生態(tài)系統(tǒng)理論視角出發(fā)，根據(jù)模式建構的一般經(jīng)驗，嘗試構建了研究型大學研究生跨學科培養(yǎng)模式的概念模型。李占華等[10]以農(nóng)業(yè)信息學為例，探討了交叉學科研究生培養(yǎng)的制約因素和改進措施。
此外，專業(yè)方向課教學是研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。李占山[11]等針對研究生計算理論課程，提出基于計算思維與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學設計方法。王勇等[12]針對研究生高級計算機網(wǎng)絡課程，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導向，設計了非嚴格分層的理論教學內(nèi)容、遵循科學發(fā)現(xiàn)過程的層次化實驗教學、激發(fā)創(chuàng)新興趣的二維系統(tǒng)化教學方法和強調(diào)創(chuàng)新能力的綜合考核方法。近年來，許多院校針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開展教學改革研究。例如，何臘梅等[13]提出將 CDIO(Conceive DesignImplement Operate，CDIO)工程教育理念引入物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學，圍繞基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統(tǒng)能力4個目標進行課程建設，提升學生工程應用能力，但現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學改革主要面向本科生，對研究生物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的建設方案仍然較少，需要進行深入研究。
2 課程改革方案
物聯(lián)網(wǎng)技術為 32 學時的計算機專業(yè)核心課，課程的教學目標是使學生能夠掌握物聯(lián)網(wǎng)的基本概念，了解對象感控層、數(shù)據(jù)交換層、信息整合層、應用服務層的基本功能和關鍵技術，明晰物聯(lián)網(wǎng)典型系統(tǒng)和技術的基本原理、最新成果和發(fā)展趨勢，為進一步深入開展相關領域研究奠定基礎。為此，本文對該課程的教學內(nèi)容、教學模式和考核評價3個方面進行改革。
2.1 優(yōu)化課程內(nèi)容
2.1.1 優(yōu)化知識點
教學內(nèi)容是知識的承載體，是達到教學目標的基本因素。為實現(xiàn)知識體系與專業(yè)特色的統(tǒng)一，在優(yōu)化教學內(nèi)容時，結(jié)合北京郵電大學計算機學院在信息網(wǎng)絡和智能計算領域的科研特色，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與 5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術相融合的發(fā)展新趨勢，對課程內(nèi)容進行調(diào)整。設置了以物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構為引導的課程內(nèi)容，設立了無線射頻識別技術、短距離無線傳感網(wǎng)、廣域物聯(lián)網(wǎng)技術、邊緣計算 4 個技術專題，并且專題內(nèi)容之間既存在相互聯(lián)系，又相對獨立完整，有助于學生形成完整的知識結(jié)構。每個專題均包括知識點講授、系統(tǒng)樣例展示、新技術研討3個部分，綜述部分包括物聯(lián)網(wǎng)的體系架構、典型應用、技術演進路線。
專題 1 為無線射頻識別技術(Radio frequency identifi⁃cation，RFID)，知識點包括 RFID 基本工作原理、基于 RFID的標準協(xié)議、RFID 中間件和 EPCGlobal 體系，新技術研討圍繞遠距離 NFC 技術、基于 RFID 的被動感知與定位、RFID中的安全問題等。
專題 2 為短距離無線傳感網(wǎng)，知識點包括無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構、硬件平臺、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議，新技術研討圍繞群智感知、面向信息質(zhì)量(Quality of Information，QoI)的傳輸協(xié)議、輕量級網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合處理技術等。
專題 3 為廣域物聯(lián)網(wǎng)技術，知識點包括低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)的結(jié)構與特點、Sigfox、LoRa、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)等新型網(wǎng)絡協(xié)議和應用系統(tǒng)，新技術研討圍繞 LPWAN 與智慧城市、智能物聯(lián)網(wǎng)等。
專題 4 為邊緣計算，知識點包括邊緣計算的主流架構、計算卸載技術、資源管理技術和移動管理技術，新技術研討圍繞邊緣計算在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域中的技術挑戰(zhàn)和最新研究成果。每個專題增加了前沿性、綜合性和跨學科的交叉性知識。通過將學科前沿、產(chǎn)業(yè)需求和技術發(fā)展的有機統(tǒng)一，幫助學生構建演進式的物聯(lián)網(wǎng)思維。
2.1.2 增加案例分析和應用系統(tǒng)展示在綜述部分通過展示國內(nèi)外在智能工廠、自動駕駛、無人超市、遠程醫(yī)療、沉浸式教學等方面的應用視頻資料，提升研究生對物聯(lián)網(wǎng)最新應用進展和相關技術領域的認識。在專題講授部分，結(jié)合北京郵電大學計算機學院課程團隊在物聯(lián)網(wǎng)領域多年的研究積累，將無源感知、群智感知、邊緣計算方面的科研案例引入課堂，并將科研項目原型系統(tǒng)改造為課程教學設備以配合課堂展示。例如，基于UHF Gen2的RFID物流跟蹤系統(tǒng)，可讓學生直觀了解RFID的基本工作原理和技術特點;基于 NB-IoT 的遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可直接接入中國移動的 OneNet 物聯(lián)網(wǎng)平臺，展示廣域物聯(lián)網(wǎng)的工作過程和開放式的開發(fā)模式。以理論教學內(nèi)容為支撐，以項目展示與實驗演示為輔助，深化學生對物聯(lián)網(wǎng)基本理論的理解，解決課堂教學與實踐環(huán)節(jié)相互脫節(jié)的問題，激發(fā)學生的學習興趣。
2.1.3 加強文獻閱讀和拓展最新成果物聯(lián)網(wǎng)理論發(fā)展、技術演進與應用拓展日新月異，研究生教育需要重點培養(yǎng)學生跟蹤新技術、發(fā)現(xiàn)新問題、提出新想法的科研能力。為此，針對每個課程專題，除了在講授內(nèi)容中引入與本專題密切相關的最新技術成果外，還設計了文獻閱讀與綜述報告環(huán)節(jié)。課外文獻閱讀主要分為知識擴展類、學術研究類、技術綜述類，主講教師每年根據(jù)技術發(fā)展更新文獻列表。具體的，知識擴展類閱讀只給出學習目標，不給出具體參考書目，要求學生通過查找經(jīng)典文獻學習總結(jié)相關知識點，培養(yǎng)學生通過網(wǎng)絡和文獻獲取知識的自主學習能力;學術研究類閱讀由授課老師選擇近 3 年國內(nèi)外頂級會議或期刊中的優(yōu)秀論文，要求學生課下閱讀原文并分析其解決的科學問題和技術創(chuàng)新性，課上帶領學生在學習前沿研究成果的同時，探討如何突破技術瓶頸、開展高水平研究;技術綜述類閱讀要求學生跟蹤物聯(lián)網(wǎng)特定領域前沿發(fā)展并結(jié)合自身研究興趣或?qū)嶒炇铱蒲蟹较�，搜集并閱讀至少 5 篇近 5 年的期刊或會議文獻(含 2 篇以上外文文獻)并完成綜述報告，以達到課程學習與課題研究相銜接的教學目的。
2.2 改革教學模式研究生教育最重要目標是培養(yǎng)學生獨立思考的能力和主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和創(chuàng)造性解決問題的能力[14]。為培養(yǎng)研究生的科研意識和科研能力，本文全方位改革專業(yè)課程的教學模式，以學生為主體，通過交互式、探究式、研究型等教學方式，從知識獲取能力、文獻閱讀與綜述能力、學術交流能力、實踐創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力、學術論文撰寫能力等方面落實學生能力素質(zhì)培養(yǎng)。
2.2.1 團隊授課教學課程組由多位多年從事物聯(lián)網(wǎng)研究的教師組成，每位老師負責 1~2 個專題。團隊授課模式可充分發(fā)揮不同教師的研究優(yōu)勢和教學特色，不僅可達到集眾家之所長，豐富課程內(nèi)容的目的，還能夠根據(jù)不同老師的學術思想、學科背景和研究風格，改變研究生的思維方式，激發(fā)學生研究興趣。
2.2.2 翻轉(zhuǎn)課堂在傳統(tǒng)教學模式中，學生通常為被動接收知識，自主思考能力較弱，特別當學生知識背景不同、深度不一的情況下，大部分學生不愿意開口討論問題，不善于表達自己的觀點，從而導致學生學習的知識受到限制，無法適應新興物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)技術快速發(fā)展的需求。為了讓學生能夠主動融入教學，嘗試采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，先挑選學生易于掌握的內(nèi)容，讓學生主講知識點，教師進行歸納總結(jié)。然后進入難點分析，在介紹關鍵知識點和技術發(fā)展脈絡基礎上，布置知識拓展類閱讀作業(yè)以鍛煉學生的自學能力。此外，在實際教學過程中還應該鼓勵學生自由提問，對教師的講課內(nèi)容進行質(zhì)疑，培養(yǎng)和鍛煉學生獨立思考、勇于質(zhì)疑的科學精神。
2.2.3 前沿論文研讀與新技術分享
為有效啟發(fā)學生思維，讓學生學發(fā)現(xiàn)科學問題，首先要在了解前人知識的基礎上進行前沿追蹤，感性認知相關領域研究的進展及新問題。為此，每個技術專題都設計了研究論文賞析，開展問題導向型探究式學習，教師將針對某一典型問題，從近 3年國內(nèi)外頂級會議或期刊中選擇優(yōu)秀研究性論文，供學生課下選擇 1~2 篇進行研讀并在課上進行分享。例如，在RFID 專題研究了阿里集團發(fā)表在 SigComm2020 關于遠距離 NFC+的 創(chuàng) 新 性 技 術 ;邊 緣 計 算 專 題 研 究 了 發(fā) 表 在TMC2019 的關于計算卸載與資源管理的聯(lián)合優(yōu)化與博弈的文章。首先讓學生對文獻的主要工作和成果進行歸納，對核心理論或算法進行分析，然后教師對文獻進行解讀，明確文獻所解決的科學問題及研究意義，引導學生針對論文內(nèi)容展開比較分析，提升學生學術辨析能力。此外，為進一步調(diào)動學生的學習積極性，將課內(nèi)所學知識與課后研究相結(jié)合，每個專題設計了新技術研究與分享，開展目標導向型研究式學習。
學生通過結(jié)合自身研究興趣或?qū)嶒炇铱蒲蟹较�，選擇一個物聯(lián)網(wǎng)的熱點研究或應用領域，搜集相關技術文獻、總結(jié)項目研究成果、提出創(chuàng)新和構想，完成綜述報告并在課上進行匯報，以培養(yǎng)學生從未來技術發(fā)展和應用需求中提煉科學問題、給出創(chuàng)新解決思路的研究能力。通過以上分析表明，研讀賞析論文和研究新技術，可培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)新問題、探索新途徑的學術研究能力;撰寫綜述報告，可培養(yǎng)學生的論文寫作能力;通過成果宣講、互問互答等形式對論文研讀和綜述報告的內(nèi)容進行匯報，鍛煉了學生的表達能力和學術交流能力;不同專業(yè)學生進行技術分享與交流，不僅可拓寬學生的知識面，還能夠提升學生運用多學科理論和方法進行知識整合、解決復雜問題的能力。
2.3 完善考核評價
考核目的不應局限于考試分數(shù)，更重要的是實現(xiàn)教學的引導性、激勵性和實效性作用，培養(yǎng)出專業(yè)競爭力強、適應社會發(fā)展的高水平創(chuàng)新型人才[15]。傳統(tǒng)考核方法通常以考試成績作為評價學生的主要依據(jù)，缺乏對學生研究能力、創(chuàng)新能力等方面的過程性考核。為此，對傳統(tǒng)考核方法進行完善，取消了期末理論考試，強調(diào)過程性和研究性考察，并設置了多元化綜合考評體系，從不同角度評判學生的學習情況。完善后的考核成績由課堂表現(xiàn)、專題研究報告、演講展示等部分組成。其中，課堂表現(xiàn)包括課堂出勤、課堂交流與討論等，占比 10%;專題研究報告評價主要依據(jù)內(nèi)容完整性(包括研究背景、主要技術/算法、應用場景或系統(tǒng)、與其它技術比較等方面)、格式規(guī)范性、見解獨立性等方面進行評判，占比 70%;演講展示評價主要依據(jù)技術合理性、創(chuàng)新性、回答問題的正確性、條理性等方面進行評判，占比20%。
3 教學實踐與分析
在北京郵電大學計算機學院2020年的教學實踐中，來自計算機、電子信息、軟件工程、電子工程等專業(yè)的碩士、博士研究生共69名參與研究。課程含 4個專題，每個專題布置了 4個研究主題，分別為領域技術綜述、最新學術論文研讀、應用系統(tǒng)調(diào)研、應用/研究創(chuàng)意設計，每位學生針對各專題均選擇一個主題撰寫研究報告。
實踐分析表明，學生選擇 4 類主題的比例為 41%、24%、27%、8%，研究報告平均成績?yōu)?75.3，優(yōu)秀率為 20%，證明大部分學生對物聯(lián)網(wǎng)領域的技術概況和應用前景更感興趣，但在創(chuàng)新設計方面的投入還存在不足;參與演講的學生占 95%，演講平均成績?yōu)?83，優(yōu)秀率為 47%，證明學生對公開演講和答辯非常重視;92% 的學生認為通過本課程深入了解了文獻查閱的各種方法，獲取新知識的能力得到顯著增強，文獻材料歸納能力提升顯著;80% 的學生認為報告撰寫和演講環(huán)節(jié)設置十分重要，不僅起到了督促學生學習的作用，而且提升了學生論文寫作和學術交流的能力;超過半數(shù)的學生認為通過本課程的學習，能夠使得自身更系統(tǒng)、深入地分析問題。
4 結(jié)語
本文以研究生科研能力養(yǎng)成為目標，以北京郵電大學計算機學院研究生物聯(lián)網(wǎng)技術課程為例，全面闡述了緊跟領域前沿的課程內(nèi)容改革方案和提升科研素質(zhì)的教學模式與評價方式探索。實踐表明，課程改革方案保證了課程內(nèi)容的先進性，探索研究式學習過程顯著提升了學生的自主學習和研究分析能力，以期為理工科高新技術類研究生課程改革提供借鑒和啟示。今后，將在研討環(huán)節(jié)增加創(chuàng)新設計的課題比例和成績獎勵，以提升學生創(chuàng)新能力。
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選自期刊：軟件導刊 第 21卷 第 7期
作者信息：羅 紅，孫 巖(北京郵電大學 計算機學院，北京 100876)
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