本文摘要：摘 要：研究生教育是提升國家科技競爭力、實現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“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;研究生教育;教學改革;科研能力
0 引言
物聯(lián)網(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)網之后信息產業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[1]。特別是物聯(lián)網與 5G、大數據、人工智能等技術相融合，正成為支撐經濟發(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，但由于課程內容與學生的科研項目關聯(lián)性較低，難以充分調動學生的主動性，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。物聯(lián)網相關技術內容廣、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。
在課程內容編排方面，結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、產業(yè)應用新需求和領域發(fā)展新技術融入教學內容中。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)的單一筆試轉變?yōu)閷W習過程綜合評價。通過以上各方面的努力，實現了理論學習與科研案例相結合、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典、夯實基礎，開展研究、發(fā)現問題，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)化課程結構和課程內容、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查數據，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)網是計算機、通信、網絡、安全、智能信息處理等多個學科相互結合、綜合發(fā)展的交叉學科，新技術和新知識更新快、內容多，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)，根據模式建構的一般經驗，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容、遵循科學發(fā)現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，但現階段物聯(lián)網專業(yè)的教學改革主要面向本科生，對研究生物聯(lián)網專業(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)網的基本概念，了解對象感控層、數據交換層、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)化課程內容
2.1.1 優(yōu)化知識點
教學內容是知識的承載體，是達到教學目標的基本因素。為實現知識體系與專業(yè)特色的統(tǒng)一，在優(yōu)化教學內容時，結合北京郵電大學計算機學院在信息網絡和智能計算領域的科研特色，結合物聯(lián)網與 5G、大數據、人工智能等技術相融合的發(fā)展新趨勢，對課程內容進行調整。設置了以物聯(lián)網體系結構為引導的課程內容，設立了無線射頻識別技術、短距離無線傳感網、廣域物聯(lián)網技術、邊緣計算 4 個技術專題，并且專題內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，知識點包括無線傳感器網絡的結構、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、面向信息質量(Quality of Information，QoI)的傳輸協(xié)議、輕量級網內數據融合處理技術等。
專題 3 為廣域物聯(lián)網技術，知識點包括低功耗廣域網(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)的結構與特點、Sigfox、LoRa、窄帶物聯(lián)網(NB-IoT)等新型網絡協(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、工業(yè)互聯(lián)網領域中的技術挑戰(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)網最新應用進展和相關技術領域的認識。在專題講授部分，結合北京郵電大學計算機學院課程團隊在物聯(lián)網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)網平臺，展示廣域物聯(lián)網的工作過程和開放式的開發(fā)模式。以理論教學內容為支撐，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典文獻學習總結相關知識點，培養(yǎng)學生通過網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)網特定領域前沿發(fā)展并結合自身研究興趣或實驗室科研方向，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，豐富課程內容的目的，還能夠根據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，嘗試采用翻轉課堂的教學模式，先挑選學生易于掌握的內容，讓學生主講知識點，教師進行歸納總結。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，對教師的講課內容進行質疑，培養(yǎng)和鍛煉學生獨立思考、勇于質疑的科學精神。
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容展開比較分析，提升學生學術辨析能力。此外，為進一步調動學生的學習積極性，將課內所學知識與課后研究相結合，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。
學生通過結合自身研究興趣或實驗室科研方向，選擇一個物聯(lián)網的熱點研究或應用領域，搜集相關技術文獻、總結項目研究成果、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，更重要的是實現教學的引導性、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，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、專題研究報告、演講展示等部分組成。其中，課堂表現包括課堂出勤、課堂交流與討論等，占比 10%;專題研究報告評價主要依據內容完整性(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)網技術課程為例，全面闡述了緊跟領域前沿的課程內容改革方案和提升科研素質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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